课程64磁性能

1、第六章第六章 材料的性能材料的性能第四节材料的磁学性能第四节材料的磁学性能 6.4.1 物质的磁性物质的磁性 6.4.2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线 6.4.3 金属的磁学性能金属的磁学性能 6.4.4 非金属的磁学性能非金属的磁学性能 6.4.5 高分子材料的磁学性能高分子材料的磁学性能6.4.1 物质的磁性物质的磁性 6.4.1.1 磁学基本量磁学基本量: 磁矩是表示磁体本质的磁矩是表示磁体本质的一个物理量。任何一个封闭的电流都具有一个物理量。任何一个封闭的电流都具有磁磁矩矩m，其方向与环形电流法线的方向一致，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积其大小为电流

2、与封闭环形的面积的乘积I S。在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J J=m*B, (J为矢量积，为矢量积，B为磁感应强度为磁感应强度，其单，其单位为位为T)，或：，或： B=J/m=N.m/A.m2=V.s/m2=Wb/m2 Wb是是磁通量的单位。磁通量的单位。 为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可写为了求得磁矩在磁场中所受的力，对一维情况可写成：成： Fx=m*dB/dx, 所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中所受的力也大。矩越大，磁性越强，即物体在磁场中所受的力也

3、大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。电子绕原磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。电子绕原子核运动，产生电子轨道磁矩，电子本身自旋，产子核运动，产生电子轨道磁矩，电子本身自旋，产生电子自旋磁矩，这两种微观磁矩是物质具有磁性生电子自旋磁矩，这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。的根源。 磁性磁性铁磁性和铁电性有相似的规律，但应该强调的是它们铁磁性和铁电性有相似的规律，但应该强调的是它们的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性的本质差别；铁电性是由离子位移引起的，而铁磁性则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发则是由原子取向引起的；铁电性在非对称的晶体中发生，而铁磁性发生在次价电子的非

4、平衡自旋中；铁电生，而铁磁性发生在次价电子的非平衡自旋中；铁电体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体体的居里点是由于熵的增加（晶体相变），而铁磁体的的居里点居里点是原子的无规则振动破坏了原子间的是原子的无规则振动破坏了原子间的“交换交换”作用作用，从而使自发磁化消失引起的。，从而使自发磁化消失引起的。交换作用：铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶交换作用：铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填满壳体结构。实践证明，处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为层上的电子发生特殊的相互作用。这种相互作用称为“交换交换”作

5、用。作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是局限于原来的原子，而是“公有化公有化”了。原子间好像了。原子间好像在交换电子，故称为在交换电子，故称为“交换交换”作用。作用。而由这种而由这种“交换交换”作用所产生的作用所产生的“交换能交换能”J与晶格的与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近于零。随接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，着距离的减小，相互作用有所增加，J为正值，就呈现为正值，就呈现出铁磁性。当原子间距出铁磁性。当原子间距a与未被填满的电子壳层直径与未被填满

6、的电子壳层直径D之比大于之比大于3时，交换能为正值，当时，交换能为负值，时，交换能为正值，当时，交换能为负值，为反铁磁性。为反铁磁性。交换能与铁磁性的关系交换能与铁磁性的关系居里点：铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超居里点：铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为，铁磁性消失。这一温度称为居里点居里点TC。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的

7、关系服从居里外斯定律，与温度的关系服从居里外斯定律， =C/(T-Tc) 式中式中C为居里常数为居里常数依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原依据原子的磁矩（有轨道磁矩和原子磁矩，统称为原子磁矩）结构，铁磁性分为两类：子磁矩）结构，铁磁性分为两类：本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原本征铁磁性材料：在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般为子磁矩的方向趋于一致，此范围称为磁畴（一般为1-2微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度微米，每个磁畴可以看作是具有一定自发磁化强度的小永磁体），这种铁磁性称为完全铁磁性（的小永磁体），这种铁磁性称为完

8、全铁磁性（Fe、Co、Ni）。）。大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性（铁氧体）。为亚铁磁性（铁氧体）。抗磁性：抗磁性：当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性。磁化率当磁化强度为负时，固体表现为抗磁性。磁化率 一般约一般约为为-10-5，周期表中前，周期表中前18个元素、个元素、Bi、Cu、Ag、Au等，无永久等，无永久磁矩。磁矩。P366顺磁性和铁磁性顺磁性和铁磁性：两者都具有永久磁矩，有外电场时，前者表现：两者都具有永久磁矩，有外电场

9、时，前者表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出极弱的磁性，后者磁化强度大，当移去外磁场，则前者不表现出磁性，而后者则保留极强的磁性。前者出磁性，而后者则保留极强的磁性。前者磁化率磁化率 一般约为一般约为10-5，后者后者磁化率磁化率 一般约为一般约为103。亚铁磁性体亚铁磁性体：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁：相邻原子磁体反平行，磁矩大小不同，产生与铁磁性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此，性相类似的磁性。一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此，磁化率磁化率 一般约为一般约为1-103 。反铁磁性：反铁磁性：由于交换作用，相邻晶胞中的单电

10、子自旋反向排列，由于交换作用，相邻晶胞中的单电子自旋反向排列，引起相邻磁矩反向排列，引起相邻磁矩反向排列，磁化率磁化率 一般非常小，接近于零一般非常小，接近于零 。在铁。在铁电性材料中有反铁电性。电性材料中有反铁电性。磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称磁性材料：铁磁性与亚铁磁性的统称。HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及等元素及其合金、金属间化合物。其合金、金属间化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等等 P366各种铁氧体系材料（各种铁氧体系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等与重稀土类等与重稀土类金属形成金属间化合物金属形成金属间化合物

11、（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的的F中心中心Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等等3d过渡元过渡元素或稀土元素，还有素或稀土元素，还有MnO、MnF2等合金、化合物等。等合金、化合物等。抗磁性：磁矩为零，在抗磁性：磁矩为零，在外磁场作用下感生磁矩，外磁场作用下感生磁矩，磁化强度为负值。引起磁化强度为负值。引起的原因主要是原子中电的原因主要是原子中电子轨道状态的变化。周子轨道状态的变化。周期表中前期表中前8个主要元素表个主要元素表现为抗磁性。这些元素现为抗磁性。这些元素构成了陶瓷材料中几乎

12、构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子。（所有的阴离子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等）等）HMCu,Ag,AuC,Si,GeN,P,As,Sb,BiS,Te,SeF,Ci,Br,IHe,Ne,Ar,Kr,Xe,RnSN永磁体永磁体F强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）强烈吸引的物质：铁磁性（包括亚铁磁性）轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱轻微吸引的物质：顺磁性，反铁磁性（弱磁性）磁性）轻微排斥的物质：反磁性轻微排斥的物质：反磁性强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）强烈排斥的物质：完全反磁性（超导体）按物质对磁场的反应对其进行分类按物质对磁场的反应对其进行分类NSN SNSNS完全反磁性完

13、全反磁性铁磁性铁磁性S N 顺磁性B= 0H+M=( 0+ ) H= HMnO点阵中Mn2+的自旋排列例如：反铁磁性例如：反铁磁性MnO尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)例如：尖晶石型铁氧体例如：尖晶石型铁氧体M 2+OFe2 3+ O3MFe,Ni,Mg或复合铁氧体或复合铁氧体Mg 1-xMnxFe2O4氧四面体为氧四面体为A位，位，八面体为八面体为B位，两位，两价离子都处于价离子都处于A位，位，则为正尖晶石结构；则为正尖晶石结构；二价离子占有二价离子占有B位，位，三价离子占有三价离子占有A位位及余下的及余下的B位，则位，则为反尖晶石。为反尖晶石。所有所有亚铁磁性尖晶石几乎都是反型亚

14、铁磁性尖晶石几乎都是反型 Fe 3+(Fe3+M2+)O4这可设想由于这可设想由于较大的两价离子趋于占据较大的八面位较大的两价离子趋于占据较大的八面位置置。A位离子与反平行态的位离子与反平行态的B位离子之间，借助于电子位离子之间，借助于电子自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即自旋耦合而形成二价离子的净磁矩，即 Fea+3Feb+3Mb+2阳离子出现于反型程度，取决于热处理条件。一般来阳离子出现于反型程度，取决于热处理条件。一般来说，提高正尖晶石的温度会使离子激发至反型位置。说，提高正尖晶石的温度会使离子激发至反型位置。所以在制备类似于所以在制备类似于CuFe2O4的铁氧体时，必须将反型结的铁氧体

15、时，必须将反型结构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。构高温淬火才能得到存在于低温的反型结构。锰铁氧体锰铁氧体约为约为80正型尖晶石，这种离子分布随热处正型尖晶石，这种离子分布随热处理变化不大。理变化不大。在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物质的各在利用物质的铁磁性时，首先应了解铁磁性物质的各种磁性能；在工艺上要充分保证并提高磁性能；在应种磁性能；在工艺上要充分保证并提高磁性能；在应用上应充分发挥铁磁性材料的潜力。铁磁性材料的几用上应充分发挥铁磁性材料的潜力。铁磁性材料的几个重要的基本特性如下：个重要的基本特性如下：（1）完全由物质本身（成分组成比）决定的特性）完全由物质本身（成分组成比

16、）决定的特性饱和磁化强度、饱和磁感应强度饱和磁化强度、饱和磁感应强度（2）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的特征）由物质决定，但随其晶体组织结构变化的特征磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为高的矫磁导率（软磁为高磁导率）、矫顽力（硬磁为高的矫顽力）、矩形比。顽力）、矩形比。3、磁性的分类磁性的分类根据材料磁化率材料磁化率的分类（1）抗磁性抗磁性(Ferrimagnetism) M0 Bi，Cu，Ag，Au 磁矩应为磁矩应为0； x0，r 1 外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反 抗磁性来源抗磁性来源原子轨道中电子轨道的变化 （2）顺磁性顺磁性(Diamagnetism) 原子内部存在

17、永久磁矩永久磁矩 无外磁场无外磁场，宏观无磁性； 有外磁场有外磁场，显示极弱磁性。 磁化率很小室温下约为10-5 ： xC/T。C：居里常数。 x0，r 1 过渡元素、稀土元素、钢系元素。（3）铁磁性铁磁性(Ferromagnetism) 强磁性物质强磁性物质，Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高的磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性； x0，r 1 强磁性来源强磁性来源很强的内部交换场 基本特征基本特征-自发磁化 居里点温度居里点温度Tc，自发磁化强度变为0，铁磁性消失 Tc以上，材料表现为强顺磁性。 居里居里外斯定律外斯定律 TcTC(Curie temperature

18、)MH（4）亚铁磁体亚铁磁体(Paramagnetism) 类似铁磁体类似铁磁体，x值没有铁磁体大。 磁铁矿（磁铁矿（Fe3O4）。 晶体不同晶格内磁矩的反平行取向不同晶格内磁矩的反平行取向而导致的抵消作用不一抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性。 （5）反铁磁性反铁磁性(Antiferromagnetism) 由于“交换”作用力负值负值，电子自旋反向平行排列电子自旋反向平行排列，整个晶体M0。 a/D 3任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。4-4-2 磁畴与磁滞回线磁畴与磁滞回线(Domain and Hysteresis loop)1磁畴磁畴物质内部存在的自

19、发磁化自发磁化的小区域。 磁畴结构形成的原因形成的原因为保持自发磁化的稳定性保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴；10-9cm3。 各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。 磁畴壁磁畴壁)；相邻磁畴间的过度层。 厚度，一般10-5cm (domain wall)2磁滞回线磁滞回线铁磁材料的一个基本特征基本特征磁化曲线磁化曲线(Hysteresis curve)C 点点 Bs Ms Hs saturation magnetizationBr 剩余磁感应强度剩余磁感应强度 remanence, or remanent flux

20、 density,退磁退磁过程中的变化B落后于落后于H的变化H 为交变磁场交变磁场材料的磁滞损耗与材料的磁滞损耗与回线面积成正比回线面积成正比 硬磁硬磁 具有大磁滞回线和剩磁的 铁磁性材料(Hard magnetic material)软磁软磁 具有小磁滞回线和小能量损耗的铁磁性材料(Soft magnetic material)矫顽力矫顽力Hc 消除Br为零的反相磁场(coercivity)BrBsMs=(r-1)H铁磁性材料：铁磁性材料：软磁（高磁导率材料、小磁滞回线、小能量损失）、软磁（高磁导率材料、小磁滞回线、小能量损失）、硬磁硬磁（大磁滞回线、剩磁大，高矫顽力材料，（大磁滞回线、剩磁大，高矫顽力材料，永磁体永磁体材料）、材料）、矩磁（磁滞回线近乎于矩形）矩磁（磁滞回线近乎于矩形）高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度就可获高的磁导率材料（软磁材料）：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。（1）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率）初始磁导率、最大磁导率要高，目的在于提高功能效率（2）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省）剩余磁化强度要低，饱和磁感应强度要高，目的在于省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场的反转。（3）矫顽力要小，目的在