材料性能与测试课件-第十章材料的磁性能2

1、1 2 10.4 材料的动态磁性能 10.4.1 交流磁化过程 大多数铁磁材料(包括亚铁磁体)都是在磁路中 起传导磁通的作用，即作为通常所说的“铁芯” 或“磁芯”。例如，电机和电力变压器使用的铁 芯材料在工频范围工作，是一个交流磁化过程。 磁性材料在交变磁场，甚至脉冲磁场作用下的性 能统称磁性材料的动态特性。这种材料用量大， 又常工作在高磁通密度的条件下，因此工程上必 须考虑节能指标，而消耗的电能一大部分是铁芯 的损耗，称为“铁耗”。能量损耗会引起磁芯品 质因子Q值的降低。因此，在高频条件下工作的磁 芯材料也必须考虑磁芯的高频损耗问题 3 b、一定频率下，交流副值磁场强度减少时，交流回线逐 渐

2、趋于椭圆形状； c、当频率升高时，椭圆回线的范围扩大，且矩形比升高 静态过程只关心材料在稳恒状态下的磁感应强度B对磁场 H的关系，交流磁化下，由于外加磁场周期性变化，所以磁感 应强度也跟着周期性变化，变化一周构成一曲线称为交流磁滞 回线； 有以下特点：首先，材料在静磁场中的磁导率是一常数，但 在交变磁场中存在磁滞效应、涡流效应、磁后效应和畴壁共振 等，使材料在交变磁场中的磁感应强度落后于外加磁场一个相 位角因而交变（动态）磁化时的磁导率为一复数。其次，各 向同性的铁磁材料在交变磁场(尤其是高频场）中，往往处于交 变磁场和交变电场的同时作用下，而铁磁材料往往又是电介质 (如铁氧体)，因而处在交变

3、电磁场中的铁磁材料常常同时显示 其铁磁性和介电性。 a、回线形状除与H有关外，和磁场变化频率f和波形有关； 4 在交流磁化过程中，不同的 交流幅值磁场强度Hm，可有 不同的交流回线，各交流回线 顶点的轨迹，称为交流磁化曲 线或简称Bm-Hm曲线，Bm称 为幅值磁感应强度。交流幅值 磁场强度达到饱和磁场强度Hs 时，Bm不再随Hm明显变化， Bm-Hm关系呈现为一条趋于平 直的可逆曲线，交流回线的面 积不再随Hm变化，这时的回 线，称为极限交流回线。由极 限交流回线，可确定材料的饱 和磁感应强度Bs，交流剩余磁 感应强度ra，交流饱和矫顽 力Hcs。 5 10.4.2 交变磁场下能量损耗 铁芯在

4、不可逆交变磁场中所消耗的能量叫铁芯 损耗，简称铁损；包括磁滞损耗W1、涡流损耗 W2、剩余损耗W3; 一、涡流损耗和趋肤效应(W2) 交变磁化时会产生感应电动势，产生涡电流，大小 和材料的电阻率成反比；eddy-current loss；因此金 属的涡流比铁氧体严重，磁畴壁出现微观的涡流，电 流流动产生与外磁场磁通方向相反的磁通，越到材料 内部这种反向越明显，使得磁感应强度和磁场强度沿 样品界面严重不均匀；好像材料内部的磁感应强度被 排斥到表面，趋肤效应；因此金属软磁材料一般轧成 薄带，减少涡流趋肤效应； 6 当外磁场的振幅不大(磁化基本上为可逆)时， 得到在原点附近具有正负对称变化的磁滞回线

5、称 为瑞利磁滞回线：由于瑞利磁滞回线可用解析式 表达，故利用它可以求出回线所包围的面积磁 滞损耗，交变场中每秒内的磁滞损耗： 由壁移引起的磁滞损耗不但与磁化场的频率f 成正比，与磁化场振幅Hm的三次方成正比，还和 瑞利常数成正比，瑞利常数d/dH,物理意 义表示磁化过程中能量不可逆部分的大小。下表 给出一些软磁材料的瑞利常数。 二、磁滞损耗(W1) 7 常用铁磁材料的初始磁导率和瑞利常数 铁磁材料铁磁材料初始磁导率初始磁导率瑞利常数瑞利常数A/m 铁粉300.013 Co700.13 Ni2203.1 纯铁29025 45.25坡明伐4000.0013 45坡莫合金2300201 47.9Mo

6、坡莫合金200004300 超坡莫合金100000150000 8 除磁滞损耗、涡流损耗之外的损耗；在低频和弱磁场下除磁滞损耗、涡流损耗之外的损耗；在低频和弱磁场下 主要是磁后效应引起；主要是磁后效应引起； 磁后效应处于外磁场为的磁性材料，突然受到外磁场磁后效应处于外磁场为的磁性材料，突然受到外磁场 的阶跃变化，则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达的阶跃变化，则磁性材料的磁感应强度并不是立即全部达 到稳定值，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定到稳定值，而是一部分瞬时到达，另一部分缓慢趋近稳定 值，这种现象称为磁后效应值，这种现象称为磁后效应(magnetic elastic after

7、 effect)。 由于磁后效机制不同，表现也不同。由于磁后效机制不同，表现也不同。 由于杂质原子扩散引起的可逆后效称为由于杂质原子扩散引起的可逆后效称为里希特里希特(Richter) 后效后效。磁后效进行所需时间称为。磁后效进行所需时间称为弛豫时间弛豫时间。另一类是由热。另一类是由热 起伏引起的不可逆后效，常称为起伏引起的不可逆后效，常称为约旦约旦(Jordan)后效后效，其特点，其特点 是几乎与温度和磁化场的频率无关。是几乎与温度和磁化场的频率无关。 三、剩余损耗(W3) 9 四、磁导率减落 铁磁材料经完全退火，放于无机械和热干扰的环境中，铁磁材料经完全退火，放于无机械和热干扰的环境中，

8、其起始磁导率也会随时间的推移而下降。如其起始磁导率也会随时间的推移而下降。如Mn-Zn铁氧体铁氧体 称为称为磁导率减落磁导率减落。磁导率减落与温度的关系密切。目前，。磁导率减落与温度的关系密切。目前， 人们认为磁导率随时间的减落，是由铁磁材料中电子或离人们认为磁导率随时间的减落，是由铁磁材料中电子或离 子的扩散后效所造成的。电子或离子扩散后效的驰豫时间子的扩散后效所造成的。电子或离子扩散后效的驰豫时间 为几分钟到几年，其激活能为几个电子伏特。由于磁性材为几分钟到几年，其激活能为几个电子伏特。由于磁性材 料退磁时处于亚稳状态，随时间的推移，为使磁性体的自料退磁时处于亚稳状态，随时间的推移，为使磁

9、性体的自 由能达到最小值，电子或离子将不断向有利的位置扩散，由能达到最小值，电子或离子将不断向有利的位置扩散， 把畴壁稳定在势阱中，导致了铁氧体起始磁导率随时间的把畴壁稳定在势阱中，导致了铁氧体起始磁导率随时间的 减落。若时间足够长，扩散趋于完成，起始磁导率也趋于减落。若时间足够长，扩散趋于完成，起始磁导率也趋于 稳定值。不同温度下电子或离子的扩散速度不同，温度越稳定值。不同温度下电子或离子的扩散速度不同，温度越 高扩散速度越快，起始磁导率高扩散速度越快，起始磁导率i随时间的减落也就越快。在随时间的减落也就越快。在 应用这类软磁材料时，除在使用前要对材料进行老化处理应用这类软磁材料时，除在使用

10、前要对材料进行老化处理 外，还必须尽且减少对材料的机械冲击。外，还必须尽且减少对材料的机械冲击。 10 11 10.5 磁性测量及常用磁性材料 测量本征参量(组织不敏感)Ms、Tc、K磁晶各向 异性、磁致伸缩系数，非本征参量(组织敏感)Ms、 Br、等，分析磁畴结构、磁矩取向、磁效应 (磁光、磁热、磁电、磁致伸缩、磁共振)，交变磁 场下的磁参数测量； 磁性材料分为软磁和硬磁材料； 10.5.1 磁性测量 直流磁性测量：冲击法、热磁仪(磁转矩仪)、振 动样品磁强计、磁天平； 交流磁性测量：伏安法、示波法、电桥法； 12 一、冲击法 nS R cB 2 环形试样，测定磁滞回线和磁化曲 线，通电流，

11、产生磁场，样品磁化， 产生感生电动势，检流计偏转角， 利用公式计算出磁感应强度B c冲击检流计常数；R测量回路中总电 阻；n线圈匝数；S试样截面积 不同磁场强度下测出B，绘出磁滞回线，只适用于 软磁材料，线圈磁场太小，定义硬磁材料，棒状 试样夹持在电磁铁缝隙中；非连续测量 13 二、热磁仪 sinVH cM 将磁学量转化成力学量测量， 磁场试样受力转动，计算得到 磁化强度： c弹性常数；V试样体积；夹角； H磁场强度； 用于测量饱和磁化强度随温度、时间的变化很方便， 可以连续测量钢的等温分解动力学C曲线，饱和磁化强 度和转变产物的数量成正比；奥氏体分解产物珠光体、 贝氏体、马氏体都是铁磁相；可

12、以测量淬火钢的回火转 变； 14 三、振动样品磁强计(VSM) 是一种高灵敏度的磁矩测量仪器。它采用电磁感应原理， 测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品 的磁矩。对于足够小的样品，它在探测线圈中振动所产生的 感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比。在保证振幅、 振动频率不变的基础上。用锁相放大器测量这一电压，即可 计算出待测样品的磁矩。VSM 可以实现很高灵敏度的测量， 商业产品的磁矩灵敏度往往好于10-9Am2, 样品的形状不做严格 要求，各种闭路方法无法测量的样品形状，只要设法进行合 适的自退磁场修正，都能够有效测得样品的磁特性; 15 四、动态磁性能测量 伏安法：安培计

13、伏特计磁化线圈、测量线 圈，不同磁化电流下相应的峰值磁场强度和峰 值磁感应强度；误差大10%-15%; 示波法：用于批量测量10Hz100kHz样品的 磁滞回线 示波器显示 交流电桥法：测量软磁材料复磁导率、磁损耗 16 B H O B H O 软磁软磁：矫顽力很小(Hc102Am-1)， 磁滞回线窄，所围的面积小，磁滞损 耗小。适用于交变磁场中，常用作变 压器、继电器、电动机、电磁铁和发 动机的铁芯。主要用于电磁能的转换 硬磁材料硬磁材料：矫顽力大，剩磁大、磁 滞回线宽，所围的面积大，磁滞损耗 大。主要用来提供一个稳定的有一定 强度和分布的磁场。 10.5.2 常用磁性材料 软磁材料、硬磁材

14、料软磁材料、硬磁材料 17 一、组织结构性能关系 10.5.2.1 软磁材料 畴壁钉扎作用：沉淀相和杂质，钉扎畴壁运动， 提高矫顽力，降低磁导率，增大磁损耗；材料高 纯、均匀； 降低磁各向异性能，提高初始磁导率；减少铁芯 损耗；增加电阻率，降低厚度，减少涡流损耗； 高频下主要采用铁氧体，电阻率比金属高106倍； 18 二、分类 大致分为：纯铁和低碳钢、铁硅系合金、铁铝系 合金、铁硅铝系、镍铁系、铁钴系、软磁铁氧体、 非晶态软磁合金、超细晶软磁合金； 1、纯铁及低碳钢、纯铁及低碳钢：含碳量低于0.04，包括电磁 纯铁 、电解铁。其特点是饱和磁化强度高，价格 低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变

15、磁场 下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁 铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩 等。 19 2、铁硅系合金、铁硅系合金。含硅量 0.5 4.8，一般制 成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后， 可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。 随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和 磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力 和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造 电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。 20 3、铁铝硅系合金、铁铝硅系合金：在二元铁铝合金中加入硅获得。 其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。 缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能 差。主要用

16、于音频和视频磁头。 4、镍铁合金、镍铁合金：镍含量3090，又称坡莫合金， 通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能， 获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高， 对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯 和功能磁性材料； 5、铁钴合金、铁钴合金：钴含量2750。具有较高的饱 和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子 和定子、小型变压器铁芯等。 21 6、软磁铁氧体、软磁铁氧体。电阻率高（10-21010m），饱和 磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件 和变压器元件。两类：一是尖晶石结构MFe2O4，如 MnZn、NiZn铁氧体；二是石榴石结构R3Fe5O12，R 代表稀

17、土元素或Y； 7、非晶软磁体、非晶软磁体：又称金属玻璃，或称非晶金属。其 磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不 存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和 高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低 得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的 新型软磁材料。 22 8、超细晶软磁合金、超细晶软磁合金：20世纪80年代发现的一种软 磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶 界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性 能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和 磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超 微晶合金。 23 1 mT=10 Gs, 1 kA/m=4 Oe,

18、1 kJ/m3=410-2MGOe 24 10.5.2.2 硬磁材料 硬磁材料是指那些硬磁材料是指那些难以磁化难以磁化，且除去外场以后，且除去外场以后， 仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。永磁材料。 （磁铁）（磁铁） 特点：特点： 具有高矫顽力。具有高矫顽力。 硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场 源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声 器件、在微波技术的磁控管中亦有应用。 25 永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫 顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。我 们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四 项。

19、永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度 (Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度 系数(Br, jHc)、回复导磁率(rec.)、退磁曲线方 形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一 性等。 26 1、AlNiCoFe合金 Fe-10Al-19Ni-13Co-3Cu、Fe-8Al-14Ni-24Co- 3Cu、Fe-7Al-15Ni-35Co-4Cu-5Ti，40-70 kJ/m3, Br约0.7-1.35T，Hc约40-160kA/m。粉末冶金型、 粘结型和铸造型； 析出强化磁体，调幅分解出针状的铁磁相，广泛应用 在发电机、电动机、扬声器、受话器、夹持装置，但由 于

20、比铁氧体价格高，逐渐被替代。密度高，磁性能较高， 产量大，生产流程较短；具有良好的温度稳定性和抗腐 蚀性，Br温度系数是所有永磁材料中最小的，最高使用 温度最高可达850； 27 2、FeCrCo、CuNiFe合金 FeCrCo永磁合金的性能与Fe-8Al-14Ni-24Co-3Cu永磁合 金性能相当；机械加工性能优良，可进行钻、铣、刨、磨、 冲压等机械加工；可制成细小、微薄以及形状复杂的各种 元器件，最小丝径达0.05mm，最薄带材厚度仅有0.1mm， 适应制作主精度的元器件；温度稳定性和抗腐蚀性、居里 温度较高，大约为680，最高使用温度400。 Cu-20Ni-20Fe: Cunife,

21、 在硬磁状态也可冲压，非磁铜基体 调幅分解出Fe粒子，BH12kJ/m3,速度表、马达，承受冲 击； 28 3、硬磁铁氧体 一般式：MO6Fe2O3，M代表Ba或Sr。具有六方 晶体结构，磁晶各向异性高(K=0.3MJ/m3)，饱和磁 化强度低(0.47T)，矫顽力大(200-320kA/m)；居里 温度最高在450。比AlNiCo低，对温度敏感，适 用于中温环境； 29 4、稀土永磁 20世纪60年代出现 a. Co基: 1:5型R-Co, 如SmCo5、(SmPr)Co5; Tc720 Br=0.97T, Hc=3200kA/m, BH=200kJ/m3 2:17型R-Co，如Sm2Co1

22、7、Sm2(CoFeCu)17; Tc820 Br=0.85T,Hc=760kA/m, BH=265kJ/m3 b. Fe基: Nd-Fe-B, 1983年粉末冶金法制备，金属间 化合物Nd2Fe14B基体，含氧量低于1.510-3 Tc310 Br=1.48T,Hc=684kA/m, BH=430kJ/m3 30 烧结SmCo 烧结Nd-Fe-B 31 5、复合材料 磁粉基体；基体是聚合物如橡胶、树脂或者低 熔点金属合金，树脂粘结型占主导，比烧结磁体发 展快，加工好，尺度精度高，韧性好，成本低；表 面包覆处理提高磁粉的抗氧化性； 粘结Nd-Fe-B 32 33 特磁材料：利用磁效应的一类材料

23、。 磁效应：物质的磁性和磁场会影响到物质其他物理 性质的变化，同时，物质其他性质的变化也会引起 物质磁性的变化； v 磁力效应磁力效应：磁致伸缩效应magnetostriction v 磁电效应磁电效应：磁致电阻，无磁高阻 v 磁热效应磁热效应：巨磁熵变材料掺Fe的Gd5（Si2Ge2）， 在室温区具有巨大的磁热效应，超过金属Gd。 MnFeAsP、NiMnGa等等。磁制冷 v 磁光效应磁光效应：磁场下改变光波偏振态; 6、特磁材料 34 磁 阻 35 磁存储 36 制造低频大功率水声发射换能器(声纳)的关键材料是 稀土超磁致伸缩材料。 和压电陶瓷材料PZT相比，稀土超磁致伸缩材料优点： 磁致伸缩应变比纯 N i大50倍，比PZT材料大525 倍，比纯 N i和 NiCo合金高400800倍，比PZT材 料高1430倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直 径约l0mm的 TbDyFe的棒材，伸缩产生约200 公斤的推力：能量转换效率高达