第5章-磁性材料

1、 第五章 磁 性 材 料河海大学河海大学-力学与材料学院力学与材料学院-材料系材料系 卢治拥卢治拥Apr 20th, 20162磁性材料是最早被人类认识和利用的功能材料，伴随了人类文明的发展。人类对于磁性材料的最初认识源于天然磁石。公元前三世纪管子：“上有慈石者，下有铜金。”吕氏春秋九卷精通篇：“慈招铁，或引之也。”磁性是自然科学史上最古老的现象之一磁性是自然科学史上最古老的现象之一磁铁矿磁铁矿(Fe3O4)或磁赤铁矿或磁赤铁矿(-Fe2O3) 指南针的鼻祖司南 地磁场是指南的前提战国末年（先秦）韩非子：“先王立司南以端朝夕。”东汉时的王充在他的著作论衡中对司南的形状和用法做了明确的记录。指南

2、针指南针中国古代四大发明之一中国古代四大发明之一指南针 司马迁史记描述黄帝作战用1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘，用于航海的记载 W. Gilbert De Magnete磁石，最早的著作18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律 构成电磁学的基础, 开创现代电气工业1907年 P. Weiss的磁畴和分子场假说1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体1935年 Landa

3、u和Lifshitz考虑退磁场, 理论上预言了磁畴结构( (一一) )、磁性材料发展简史、磁性材料发展简史古老而年轻的功能材料古老而年轻的功能材料1946年 Bioembergen发现NMR效应1948年 Neel建立亚铁磁理论1954-1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效应的发现1960年 非晶态物质的理论预言1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现1982年 扫描隧道显微镜, Brining和Rohrer,( 1986年,AFM )1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川)1986

4、年 高温超导体，Bednortz-muller1988年 巨磁电阻GMR的发现(M.N. Baibich)，法国Paris-Sud大学的Albert Fert以及德国尤里希研究中心的Peter Grnberg获2007年诺贝尔物理学奖1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki( (二二) )、关于磁性材料的认识、关于磁性材料的认识磁力线与磁极磁力线与磁极粉纹法演示磁力线分布磁极之间同性相斥、异性相吸磁铁不论大小，都有唯一的N极和S极。磁学初步认识：磁学初步认识：奥斯特实验： 电流与磁场的相互作用；螺线管与磁体的等效安培分子

5、电流学说：组成磁铁的每个分子都具有一个小的分子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流都定向规则排列。现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性：1. 原子中外层电子的轨道磁矩2. 电子的自旋磁矩3. 原子核的核磁矩（原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。）原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩。（洪德法则）（洪德法则）磁性是物质的基本属性！材料是否具有铁磁性取决于两个因素: 1. 原子是否具有未成对电子,即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) 2. 原子在晶格中的排列方式 铁/钴/镍等过渡元素都具有未成对的3d电子,分别具

6、有4,3,2的净磁矩铁/钴/镍金属在室温下具有自发磁化的倾向(交换作用)形成相邻原子的磁矩都想一个方向排列的小区域,称为磁畴. 现代物理科学告诉我们：物质磁性主要源自电子，磁性是物质的基本属性！磁有序结构，即自发磁化，表现为存在磁畴，是物质强磁性的主要来源。软磁条形畴薄膜迷宫畴树枝状畴 11常温下表现为强磁性的亚铁磁性和铁磁性材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。( (三三) )、磁性材料介绍、磁性材料介绍12 按化学组成分类按化学组成分类金属磁

7、性材料、非金属金属磁性材料、非金属( (铁氧体铁氧体) )磁性材料磁性材料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性、铁磁性抗磁性、顺磁性、反铁磁性、亚铁磁性、铁磁性 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、压磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁记录材料泡磁材料、磁光材料、磁记录材料 1 1、磁性材料的分类、磁性材料的分类13宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。2 2、磁化强度、

8、磁化强度MM宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M：M = 原子原子/V14任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外磁场外磁场H外，由于物质内部原子外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场附加的磁场M。3 3、磁化率、磁化率及磁导率及磁导率在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度磁感应强度B。 B = o(H+M) o - 真空磁导率真空磁导率 = M / H - 磁化率磁化率 = B / H - 磁导率磁导率 根据物质的磁化率，可以把物

9、质的磁性分为五类：1、抗磁性，为甚小的负数（大约在-10-6量级），在磁场中受微弱的斥力，如金、银 。2、顺磁性，为正数（大约在10-310-6量级）在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。3、铁磁性，为很大的正数，在较弱磁场作用下可以产生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。4、亚铁磁性，处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。5、反铁磁性， 为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。4 4 、物质磁性的分类、物质磁性的分类16 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。存在磁性转变的特征温度居里温度，温度低于居里温度时呈

10、铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性 m= 1 105磁场磁场 FerromagnetismFerromagnetism表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：一些过渡族元素和稀土元素金属： 但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, GdCl3, Nd-Fe-B室温以上，只有室温以上，只有4 4种元素是铁磁性的。种元素是铁磁性的。18 亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性

11、 m= 1 104磁场磁场 如铁氧体如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，等，是一些复杂的金属化合物是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里等，具有高磁化率和居里温度。温度。 在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。 对这类材料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁性材料用于信息技术的主体。 亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素的某些特定结构的氧化物，例如：尖晶石

12、结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb )磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,20 顺磁性物质顺磁性物质 顺磁性顺磁性 m=10-6 10-3磁场磁场 最基本特征是磁化率为正值且数值很小。 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，一部分服从居里定律，更多的服从居里-外斯（Curie-Weiss)定律。 服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁性，这个温度之下，表现为其它性质。p 过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属： Mn,

13、 Cr, W, La, Nd, Pt, Pap 含有以上元素的化合物： MnSO4, FeCl3, FeSO4, Gd2O3,p 碱金属和碱土金属： Li, Na, K, Ru, Cs, Mg, Ca, Sr, Bap 包含有奇数个电子的原子或分子： HCl, NO, 有机化合物中的自由基p 少数含有偶数个电子的化合物： O2, 有机物中的双自由基等顺磁性物质22 抗磁性物质抗磁性物质 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m= -10-5 -10-8磁场磁场 u最基本特征最基本特征: : 磁化率为负值且磁化率为负值且绝对值很小绝对值很小显示抗磁性的物质在外磁场中产生的磁

14、化强度和磁场反向，在不均匀的磁场中被推向磁场减小的方向逆逆磁性磁性。典型抗磁性物质的磁化率磁化率是常数，不随温度、磁场而是常数，不随温度、磁场而变化。变化。p 周期表中三分之一的元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。稀有气体：He, Ne, Ar, Kr, Xe多数非金属和少数金属：Si, Ge, S, P, Cu, Ag, Au不含过渡族元素的离子晶体：NaCl, KBr不含过渡族元素的共价键化合物：H2, CO2, CH4等几乎所有的有机化合物和生物组织反常抗磁性物质：Bi, Ga, Zn, Pb, 磁化率与磁场、温度有关。抗磁性物质“羽落术”一块钕磁铁和一只粗铜管。钕磁铁产生

15、磁场，而铜是优良的抗磁性物质。运动的磁场与铜管相互作用，铜内产生感应电流，通过电磁作用产生向上的斥力阻碍了钕磁铁下落。水分子也具有抗磁性，只不过非常小，如果是一般的磁场，产生的斥力与水滴受到的重力相比，完全可以忽略不计。但当磁场足够强时，足以使水滴克服地球重力悬浮起来。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空中。“超导磁悬浮”26 反铁磁性物质反铁磁性物质 反铁磁性反铁磁性 m= 10-5 10-3磁场磁场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 基本特征是存在一个磁性转

16、变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。 低温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作奈尔温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律：注意与铁磁性的区别！ 反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物， 如： FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3 FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS右图是1938 年测到的MnO磁化率温度曲线，它是被发现的第一个反铁磁物质，转变温度 122K。29铁磁体磁化到饱和以后，使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。 5 5、磁性材料及其应用、磁性材料及其应用居里温度居里温度：对于所有的磁性材料

17、来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。应用举例：（电饭煲的控制）32在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。磁导率大，矫顽力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。 高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。33 软磁材料适用于交变磁场，可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子；变压器，电感器，电抗器，继电器和镇流器

18、的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。 按用途分类具体包括：铁芯材料：工业纯铁、电工硅钢片、铁钴合金、坡莫合金、高导磁合金（主要是高镍含量的铁镍合金）、恒导磁率合金（含Ni 5575%的铁镍合金）、中磁饱和中磁导率合金（低镍和中镍的铁镍合金）；磁记录磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、FeSiAl合金和高导磁铁氧体(Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体)；超声波发声器用磁致伸缩材料：纯镍(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%；磁屏蔽材料：纯铁、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶态合金；将磁条贴在图书中或超市货品上，通过门

19、禁处交变磁场检测磁条的磁性变化来区分被保护对象是否带有磁条，来达到防盗的目的。磁条由软磁材料制作，通常为钴基非晶合金、铁基纳米晶合金或坡莫合金（铁镍合金）。防盗磁条技术的运用大大降低了开架售货领域如图书馆、超市、药店等的运营成本。图书防盗磁条电力变压器电力变压器核心在于铁芯和线圈。铁芯处于交变电磁场中，要求在工作频率下对外磁场变化足够灵敏。电子电路元件 变压器 贴片变压器 电感 滤波器 环形电感滤波器 谐波电流抑制器 电子电路元器件电子电路元器件电机铁芯电机铁芯电机铁芯通常由叠层软磁硅钢片或者铁镍合金冲压而成。38磁化后不易退磁，而能磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料称长期保留磁性的

20、铁氧体材料称为为硬磁材料硬磁材料，因而也称，因而也称永磁材永磁材料料或或恒磁材料恒磁材料。磁滞回线包围。磁滞回线包围面积大，面积大，(Hc400A/m) 矫顽力矫顽力大。大。 39 用途：1、硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。2、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。目前产业化的主要永磁材料AlNiCo系永磁合金AlNiCo系永磁合金：包括铝镍型、铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又有各向同性合金、磁场取向合金和定向结晶合金。生产工艺包括：铸造磁钢与烧结磁钢。铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点。绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产。左上：铸造

21、铝镍钴合金；左下：各类异形件右下：烧结铝镍钴合金目前产业化的主要永磁材料永磁铁氧体钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO6Fe2O3)。晶体结构均属六角晶系。具有高的磁晶各向异性常数、高矫顽力和低剩磁，最大磁能积偏低；其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍，不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用。钡铁氧体的微波应用：1、器件；2、隐身涂层。永磁磁选设备永磁式核磁共振谱仪（MRI）扬声器：电声换能麦克风：声电换能44矩磁材料磁滞回线矩磁材料磁滞回线磁滞回线近似矩形的磁性材料，结晶各向异性，应力各向异性。 在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系， (Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65 +125较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。45 矩磁材料的剩余磁感应强度Br接近于饱和值Bm，矫顽力不大。 若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和-Bm 两种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两