第四章++材料的磁学

1、第四章第四章 材料的磁学材料的磁学主要内容主要内容第一节第一节 材料的磁性材料的磁性 第二节第二节 材料的抗磁性和顺磁性材料的抗磁性和顺磁性第三节第三节 材料的铁磁性材料的铁磁性第五节第五节 稀土永磁材料稀土永磁材料第四节第四节 材料的磁性指标材料的磁性指标固体的磁性起源材料的磁性材料的磁性物理学原理：任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场电动力学定律：一个环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。设环形电流的强度为I（A），它所包围的面积为A（m2）,则该环流的磁矩为：m=I*A(A m3)玻尔（Bohr）原子模型:原子内的电子在固定的轨道上绕着原子核作旋转运动，同时

2、还绕自身的轴线作自旋运动。前一种运动产生“轨道磁矩”，后一种运动产生“自旋磁矩”。A(m2)I(A)m材料磁性的微观机理材料的磁性材料的磁性物质磁性的本质：原子磁矩原子磁矩原子核磁矩：约为电子磁矩的1/2000电子磁矩轨道磁矩电子磁矩磁性物质的分类及分类原因材料的磁性材料的磁性 原子磁矩为零的物质具有抗磁性（Diamagnetism）。原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的必要条件。但是，由于近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作用，及交换作用可以影响物质的磁性。交换作用所产生能量，通常用A表示，称作交换能，因其以波函数的积分形式出现，也称作交换积分。它取决于近邻原子未

3、填满的电子壳层相互靠近的程度，并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本磁性磁性物质的分类及分类原因材料的磁性材料的磁性抗磁性：在外磁场作用下，感生出与磁场方向相 反的磁矩现象。抗磁性起源于原子中运动着的电子相当于闭合电路，在受到外磁场作用时，回路的磁通发生变化，回路中将产生感应电流，感应电流产生的磁通反抗原来磁通的变化。闭合感应电流产生的磁矩作用使外磁场磁化作用减弱，呈抗磁性现象。所以，抗磁性现象存在于一切物质中，是所有物质在外磁场磁化作用下所具有的属性。物质磁性来源的同一性材料的磁性材料的磁性 原子磁矩应该是构成原子的所有基本粒子磁矩的叠加。但是实际上原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级，在一般

4、情况下可以忽略不计。因此，原子磁矩主要来源于原子核外电子的自旋磁矩与轨道磁矩。 如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子的固有磁矩为零。但在外磁场作用下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。 如果如果原子中所有起作用的磁没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为零，那么原子就具有磁偶极子的性质。 原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性是多种多样的，但这些磁性都来源于这种载磁子。这是物质磁性来源的同一性。材料的磁性材料的磁性 当A大于零时，交换作用使得相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性（ferromagnetism）。当A小于零时，交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性（Antife

5、rromagnetism）。当原子间距离足够大时，A值很小时，交换作用已不足于克服热运动的干扰，使得原子磁矩随机取向排列，于是产生顺磁性（Paramagnetism）铁氧体磁性材料具有亚铁磁性（Ferrimagnetism）, 其中金属离子 具有几种不同的亚点阵晶格，因相邻的亚点阵晶格相距太远，因此在其格点的金属离子之间不能直接发生交换作用，但可以通过位于它们之间的氧原子间接发生交换作用，或称超交换作用（Superexchange）。材料的磁性材料的磁性磁性物质的分类示意图第二节第二节 材料的抗磁材料的抗磁性和顺磁性理论性和顺磁性理论材料的抗磁性材料的抗磁性和顺磁性理论和顺磁性理论2 2、材料

6、的顺磁性理论、材料的顺磁性理论 材料的抗磁性材料的抗磁性和顺磁性理论和顺磁性理论 1 1、材料的抗磁性理论、材料的抗磁性理论 3 3、晶体场理论与轨道角动量淬灭、晶体场理论与轨道角动量淬灭 1、材料的抗磁性理论材料的抗磁性来源：外加磁场所感生的轨道矩改变材料的抗磁性来源：外加磁场所感生的轨道矩改变拉莫（拉莫（Larmor）定理：）定理：L在磁场中电子绕中心核的运动，除了其原有运动外，还会在磁场中电子绕中心核的运动，除了其原有运动外，还会以恒定的角速度以恒定的角速度 （称为（称为“拉莫频率拉莫频率”）绕磁场方向进动，）绕磁场方向进动，且且002HmeeL附加的磁化强度附加的磁化强度M材料的抗磁性

7、材料的抗磁性d则抗磁性材料的磁化率则抗磁性材料的磁化率结论（抗磁性半经典理论）：结论（抗磁性半经典理论）：抗磁性材料的磁化率抗磁性材料的磁化率 随随原子中电子数原子中电子数Z的增大而增大，的增大而增大， 还与还与 成正比，成正比， 始终为负值。始终为负值。dddZiir12由量子理论可得到相同的表达式由量子理论可得到相同的表达式d2、材料的顺磁性理论材料顺磁材料顺磁性的来源性的来源（1） 组成原子的电子的固有自旋组成原子的电子的固有自旋（2） 电子绕核旋转的轨道角动量电子绕核旋转的轨道角动量1、顺磁性居里（、顺磁性居里（Curie）定律：）定律：材料的顺磁性材料的顺磁性式中式中 为顺磁性磁化率

8、，为顺磁性磁化率，C C为为CurieCurie常数，常数，T T为绝对温度。可见顺磁性磁化率只与温为绝对温度。可见顺磁性磁化率只与温度有关，而与磁场无关。度有关，而与磁场无关。pTcp2、朗之万（、朗之万（Langevin）自由磁矩顺磁性理）自由磁矩顺磁性理论：论： 材料的顺磁性材料的顺磁性原子磁偶极矩之间无相互作用，为自由磁偶极矩，热平衡下为无规则分布，外加磁场后，原子磁偶极矩的角度分布发生变化，沿着接近外磁场方向做择优分布，从而引起顺磁磁化强度设第i个原子的磁偶极矩 与外加磁场H成 的角度在外磁场中的磁位能 为：jiiijiHcos若在单位体积内有N个原子，受磁场作用有角度 在0范围连续

9、变化，并遵守波尔兹曼统计分布，则系统状态配分函数Z（H）为：i材料的顺磁性材料的顺磁性NiikTHdedHZijsin)(0cos20NjjkTHshHkT)(4则磁化强度M为)(0LNMj式中 为Langevin函数)1()(chL高温情况下 1，所以有：材料的顺磁性材料的顺磁性从而从而可得顺磁性磁化率可得顺磁性磁化率p材料的顺磁性材料的顺磁性在低温强磁场下在低温强磁场下式中式中 为饱和磁化强度。可见在低温下磁场足够强时，为饱和磁化强度。可见在低温下磁场足够强时，原子磁偶极矩可趋于与磁场方向一致。原子磁偶极矩可趋于与磁场方向一致。0M材料的顺磁性材料的顺磁性)(kTHj弱磁场或高温情形弱磁场

10、或高温情形 下的顺磁性磁化率下的顺磁性磁化率:采用量子计算采用量子计算材料的顺磁性材料的顺磁性则得出磁化率则得出磁化率dppHM此式为朗之万此式为朗之万德拜（德拜（Langevin-Debye）公式）公式材料的顺磁性材料的顺磁性p原子固有磁矩在磁场中取向导致的顺磁性磁化率原子固有磁矩在磁场中取向导致的顺磁性磁化率kTEnzopnenMnkTZN)0(20结论：结论： 只与温度有关，而与磁场无关。这与经典理结果一致。只与温度有关，而与磁场无关。这与经典理结果一致。p第三节 材料的铁磁性理论铁磁材料的分子场理论铁磁材料的分子场理论材料的反铁磁性和亚铁磁性理论材料的反铁磁性和亚铁磁性理论铁磁材料的相

11、互作用能铁磁材料的相互作用能磁畴的形成及其稳定状态磁畴的形成及其稳定状态材料的铁磁性材料的铁磁性铁磁性材料的磁化率和磁导率很大，其磁化强铁磁性材料的磁化率和磁导率很大，其磁化强度度M和磁感应强度和磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H之间不是单值之间不是单值函数关系，而是磁滞现象，如下图所示：函数关系，而是磁滞现象，如下图所示： 铁磁性材料的磁滞回线铁磁性材料的磁滞回线1、铁磁材料的分子场理论材料的铁磁性材料的铁磁性1907年，外斯（年，外斯（Wciss）提出了分子场理论。可以定性的）提出了分子场理论。可以定性的解释铁磁材料的自发磁化现象。解释铁磁材料的自发磁化现象。两个假说两个假说1、分子场假说

12、：铁磁材料在一定温度范围、分子场假说：铁磁材料在一定温度范围 内存在与外加磁场无关的自发磁化内存在与外加磁场无关的自发磁化2、磁畴假说：自发磁化是按区域分布的，各、磁畴假说：自发磁化是按区域分布的，各 个自发磁化区域为磁畴，在无外磁场时都是自个自发磁化区域为磁畴，在无外磁场时都是自发磁化到饱和，但各磁畴自发磁化的方向有一发磁化到饱和，但各磁畴自发磁化的方向有一定分布，使宏观磁体的总磁矩等于零定分布，使宏观磁体的总磁矩等于零材料的铁磁性材料的铁磁性Heisenberg将氢分子交换作用模型推广到将氢分子交换作用模型推广到N个原子组成的系个原子组成的系统，经过计算可得居里温度统，经过计算可得居里温度

13、 与交换积分与交换积分A的关系式为：的关系式为：cT) 1(32SSkZATc结论：铁磁性材料的居里温度正比于交换积分结论：铁磁性材料的居里温度正比于交换积分A，居里温度的本质，居里温度的本质是铁磁材料内静电交换作用强弱的宏观表现。交换作用越强，居是铁磁材料内静电交换作用强弱的宏观表现。交换作用越强，居里温度就越高。里温度就越高。材料的铁磁性材料的铁磁性2、材料的反铁磁性和亚铁磁性材料的铁磁性材料的铁磁性由于反铁磁性和亚铁磁性材料的内部，是由磁性离子和非由于反铁磁性和亚铁磁性材料的内部，是由磁性离子和非磁性离子相互间隔而组成的化合物，需要采用超交换作用磁性离子相互间隔而组成的化合物，需要采用超

14、交换作用模型来解释。模型来解释。OMn以为以为 例说明超交换作用的原理例说明超交换作用的原理材料的铁磁性材料的铁磁性由超交换作用原理和洪特规则可知：由超交换作用原理和洪特规则可知： 当当n 5时，交换积分为负就导致反铁磁性，为正就时，交换积分为负就导致反铁磁性，为正就导致铁磁性导致铁磁性 当当n5时，交换积分为负就导致铁磁性，为正就导时，交换积分为负就导致铁磁性，为正就导致反铁磁性致反铁磁性材料的铁磁性材料的铁磁性3、磁铁材料的相互作用能铁磁材料的五种相互作用能： 交换能 磁晶各向异性能 磁弹性能 退磁场能 外磁场能exFkF材料的铁磁性材料的铁磁性FdFHF总自由能或总能量总自由能或总能量F

15、为：为：HdkexFFFFFF4、磁畴的形成及其稳定状态材料的铁磁性材料的铁磁性 根据热力学定律，稳定的磁状态一定是对应于铁磁材根据热力学定律，稳定的磁状态一定是对应于铁磁材料内总自由能为极小值的状态。磁畴的形成和稳定的结构料内总自由能为极小值的状态。磁畴的形成和稳定的结构状态也是对应于满足总自由能为极小值的条件。状态也是对应于满足总自由能为极小值的条件。dE退磁场能退磁场能 为为20sdME结论：退磁场能是形成磁畴的原因。结论：退磁场能是形成磁畴的原因。 经过计算可知，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小经过计算可知，分成磁畴后比分成磁畴前能量缩小的比值约为的比值约为1/3200。故铁磁材料自发磁

16、化后必然分成小。故铁磁材料自发磁化后必然分成小区域的磁畴，使总能量最低，从而满足能量最低原理。区域的磁畴，使总能量最低，从而满足能量最低原理。材料的铁磁性材料的铁磁性exE由于相邻原子电子自旋的交换能由于相邻原子电子自旋的交换能则交换能增量的表达式：则交换能增量的表达式：则单位体积的交换能为：则单位体积的交换能为：材料的铁磁性材料的铁磁性第四节 材料的磁性指标1、材料的磁导率和磁能积、材料的磁导率和磁能积2、材料的磁损耗和品质因子、材料的磁损耗和品质因子3、材料的磁性频谱、材料的磁性频谱4、材料磁性能的稳定性、材料磁性能的稳定性5、铁氧体磁性材料、铁氧体磁性材料1、材料的磁导率和磁能积材料的磁

17、性指标材料的磁性指标由于磁性材料往往在不同磁场程度下工作，可定义多种磁导率：由于磁性材料往往在不同磁场程度下工作，可定义多种磁导率：max（1）起始磁导率）起始磁导率（2）最大磁导率）最大磁导率（3）振幅磁导率）振幅磁导率（4）增量磁导率）增量磁导率（5）可逆磁导率）可逆磁导率irev2、材料的磁损耗与品质因子材料的磁性指标材料的磁性指标材料在交变磁场作用下被反复磁化形成的磁滞回线称材料在交变磁场作用下被反复磁化形成的磁滞回线称为动态磁滞回线。由于交变磁场的快速变化，使材料为动态磁滞回线。由于交变磁场的快速变化，使材料的磁化状态的改变往往在时间上落后于交变磁场的变的磁化状态的改变往往在时间上落

18、后于交变磁场的变化，即具有磁化时间效应。化，即具有磁化时间效应。复数磁导率复数磁导率 的表达式为：的表达式为：)sin(cosiim 可见，磁性材料在动态磁化过程中，既有磁能的储存（含可见，磁性材料在动态磁化过程中，既有磁能的储存（含 的部分），又有磁能的损耗（含的部分），又有磁能的损耗（含 的部分）的部分） 材料的磁性指标材料的磁性指标 对于永磁性材料，希望其在外加磁场去除后对于永磁性材料，希望其在外加磁场去除后仍能长久的保持较强的磁性，其主要指标为：仍能长久的保持较强的磁性，其主要指标为：rB2、剩余磁感应强度、剩余磁感应强度max)(BH3、最大磁能积、最大磁能积1、矫顽力、矫顽力cH说

19、明：说明：这三个指标越大越好，并要求材料对温度、震这三个指标越大越好，并要求材料对温度、震动、时间、辐射及其它干扰因素的稳定性越高越好。动、时间、辐射及其它干扰因素的稳定性越高越好。材料的磁性指标材料的磁性指标 虚部虚部 又称粘滞性磁导率，与磁能损耗成正比，又称粘滞性磁导率，与磁能损耗成正比，B落后落后H的相位的相位 称为损耗角。能量的储存与能量的损称为损耗角。能量的储存与能量的损耗之比称为耗之比称为品质因子品质因子Qtan1 Q 在工程技术上，对于矫顽力在工程技术上，对于矫顽力 很小的软磁材料，很小的软磁材料，总希望总希望Q值和值和 值都越高越好，并常用值都越高越好，并常用 Q来表示来表示软

20、磁材料的技术指标。软磁材料的技术指标。cH3、材料的磁性频谱材料的磁性指标材料的磁性指标 材料的磁性频谱一般指在弱交变磁场中复数磁导材料的磁性频谱一般指在弱交变磁场中复数磁导率率 中中 的的 和随频率和随频率f变化的关系。变化的关系。 i材料的磁性指标材料的磁性指标上图可具体分为以下五个区域：上图可具体分为以下五个区域： （2） 中频区域：中频区域： 特点与低频类似，但有时特点与低频类似，但有时 会出现峰值会出现峰值（3） 高频区域：高频区域： 特点是特点是 急速下降，急速下降， 急急速增加速增加（4） 超高频区域：超高频区域： 特点为特点为 继续下降，继续下降， 1 可能出现负值，而出现自然

21、共振引起的峰值可能出现负值，而出现自然共振引起的峰值（5） 极高频区域：极高频区域： 特点是对应为自然交换共振特点是对应为自然交换共振区域区域（1） 低频区域：特点是低频区域：特点是 较高、较高、 较低两者较低两者随频率随频率f的变化小。的变化小。4、材料磁性能的稳定性材料的磁性指标材料的磁性指标1Ks 随着高可靠工程技术的发展，对材料的磁性能随着高可靠工程技术的发展，对材料的磁性能的稳定性的要求也在提高。包括磁性能随温度的变的稳定性的要求也在提高。包括磁性能随温度的变化小，随时间的老化小以及随湿度、外力、电磁辐化小，随时间的老化小以及随湿度、外力、电磁辐射等影响小。射等影响小。 提高温度稳定

22、性的首要方法是在适当的温度范提高温度稳定性的首要方法是在适当的温度范围内，使围内，使 趋于零，和趋于零，和 趋于零。磁性材料研趋于零。磁性材料研磨加工会导致表层内应力增大，导致磁导率的温度磨加工会导致表层内应力增大，导致磁导率的温度系数剧增，可采用退火、腐蚀等措施消除这种内应系数剧增，可采用退火、腐蚀等措施消除这种内应力，从而减小其对稳定性的影响。力，从而减小其对稳定性的影响。5、铁氧体磁性材料材料的磁性指标材料的磁性指标铁氧体：含铁酸盐的陶瓷磁性材料铁氧体：含铁酸盐的陶瓷磁性材料铁氧体的磁铁氧体的磁性与铁磁性性与铁磁性1）相同点：都具有自发磁化和磁畴）相同点：都具有自发磁化和磁畴2）不同点）

23、不同点: 铁氧体一般都是多种金属铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，磁性来自两种不的氧化物复合而成，磁性来自两种不同的磁矩同的磁矩材料的磁性指标材料的磁性指标铁氧体按结构分类：铁氧体按结构分类：尖晶石型石榴石型磁铅石型钙钛矿型钛铁矿型钨青铜型材料的磁性指标材料的磁性指标铁氧体材料按磁铁氧体材料按磁滞回线特征分类滞回线特征分类1、软磁材料、软磁材料2、 硬磁（永磁）材料硬磁（永磁）材料3、矩磁材料、矩磁材料软磁材料特点：软磁材料特点：矫顽力小、磁导率高、磁损耗低、饱和磁感矫顽力小、磁导率高、磁损耗低、饱和磁感应强度大、电阻率高、截止频率高。应强度大、电阻率高、截止频率高。硬磁材料特点硬磁材料

24、特点: 剩磁大、矫顽力大、最大磁能积大。剩磁大、矫顽力大、最大磁能积大。矩磁材料特点：矩磁材料特点：磁滞回线近似为矩形，矩形度的剩磁比大、磁滞回线近似为矩形，矩形度的剩磁比大、矫顽力小、磁损耗小、开关系数小。矫顽力小、磁损耗小、开关系数小。稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料主要内容主要内容NdFeB材料的研究材料的研究稀土永磁材料的应用稀土永磁材料的应用RFeB系的置换系的置换制备制备RFeB的新工艺的新工艺新一代磁体的探索新一代磁体的探索粘结磁体的崛起粘结磁体的崛起永磁材料的进步对永磁器永磁材料的进步对永磁器件的影响件的影响永磁材料应用的分类永磁材料应用的分类稀土永磁应用的典型实例稀土永磁

25、应用的典型实例NdFeB材料的研究材料的研究稀土永磁材料稀土永磁材料 1983年年NdFeB稀土材料问世。北京研究了稀土材料问世。北京研究了NdFeB的三元相图，纠正了前苏联专家的一些原则性错误。的三元相图，纠正了前苏联专家的一些原则性错误。 用单晶作试样，研究热退磁效应和热退磁后磁畴成核的随机用单晶作试样，研究热退磁效应和热退磁后磁畴成核的随机性。性。1、RFeB系的置换稀土永磁材料稀土永磁材料 为了改进磁体的热稳定性、抗蚀行为了改进磁体的热稳定性、抗蚀行或改进磁性能，对或改进磁性能，对RFeB进行了全面进行了全面的置换。的置换。R=Y，Nd，Pr，Gd，Dy，M包括第三周期的包括第三周期的

26、Al，Si，第四周期的，第四周期的Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Ca，Ge。至于类。至于类金属硼，则可完全有金属硼，则可完全有C置换。置换。 低温度系数和零温度系数的磁体，低温度系数和零温度系数的磁体，可以大幅提高这类磁体的矫顽力，从而可以大幅提高这类磁体的矫顽力，从而实现高性能磁体的廉价生产工艺磁体的实现高性能磁体的廉价生产工艺磁体的使用温度可高达使用温度可高达200摄氏度。摄氏度。2、制备RFeB的新工艺稀土永磁材料稀土永磁材料制备制备RFeB的的新工艺新工艺还原扩散工艺还原扩散工艺快淬工艺快淬工艺铸造工艺铸造工艺 快淬工艺为快淬工艺为GM公司开发的，特点是能提供粘结磁体所需公司开发的，特

27、点是能提供粘结磁体所需要的原料。北京要的原料。北京85年以来开发的快淬工艺，用真空快淬设备，年以来开发的快淬工艺，用真空快淬设备，以及快淬以及快淬NdFeB工艺和粘结工艺和粘结NdFeB磁体。实验表明：磁体。实验表明：快淬快淬NdFeB材料的性能与淬速密切相关，不同淬速下的材料的性能与淬速密切相关，不同淬速下的材料性能不同，最佳性能对应的淬速范围极窄。材料性能不同，最佳性能对应的淬速范围极窄。稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料铸造工艺：对铸造工艺：对RFeB系铸态合金作广泛研系铸态合金作广泛研究后，发现某些成分的合金，只要适当进行热究后，发现某些成分的合金，只要适当进行热处理，就

28、能获得高矫顽力，而且这些铸态合金处理，就能获得高矫顽力，而且这些铸态合金在高温下可发生塑性形变，从而产生织构。高在高温下可发生塑性形变，从而产生织构。高矫顽力和产生各向异性的结合，形成一种新的矫顽力和产生各向异性的结合，形成一种新的高磁能积磁体。这种磁体制作工艺极为简单：高磁能积磁体。这种磁体制作工艺极为简单：铸造铸造/热压热压/退火。取消了磁粉装薄片的制作，退火。取消了磁粉装薄片的制作，而且磁体的氧含量极低。而且磁体的氧含量极低。4、粘结磁体的崛起稀土永磁材料稀土永磁材料3、新一代磁体的探索稀土永磁材料稀土永磁材料潜在的永磁材料潜在的永磁材料1、具有单轴各向异性结构、具有单轴各向异性结构2、

29、高的局里温度、高的局里温度3、高的各向异性场、高的各向异性场人们本着这三条原则探索新一代磁体人们本着这三条原则探索新一代磁体稀土永磁材料稀土永磁材料粘结工艺的优点粘结工艺的优点1、能加工各种复杂形状的器件、能加工各种复杂形状的器件2、成品尺寸准确，压制成形后无需再、成品尺寸准确，压制成形后无需再加工加工3、适宜自动化，工业性大批量生产、适宜自动化，工业性大批量生产粘结磁体的主要缺点：加入粘结剂而性能降低粘结磁体的主要缺点：加入粘结剂而性能降低稀土永磁材料的应用稀土永磁材料稀土永磁材料 永磁材永磁材料性能的提料性能的提高，可使器高，可使器件尺寸变小，件尺寸变小，这是现代产这是现代产业中的各种业中的各种永磁器件小永磁器件小型、微型轻型、微型轻量化称为可量化称为可能。能。稀土永磁材料稀土永磁材料 永磁材料应用的分类方法有多种，其中最基本的是从永磁材料