铁磁性的测量与应用

1、中国矿业大学 材料科学与工程学院第三章 材料的磁学性能本章内容基本磁学性能铁磁性技术磁化铁磁性的测量与应用磁性材料的研究热点第四节 铁磁性的应用铁磁性的评价铁(亚)磁材料的分类铁磁性的应用1. 铁磁性的评价磁化曲线磁滞回线各种磁参数Ms、Br、Hc、最大磁能积(BH)max材料在直流磁场下的什么是材料的静态磁性能？磁参数的分类 组织结构不敏感量（内禀参量、本征参量） 组织结构敏感量（非本征参量） 物质结构与相关现象 交变磁场条件下的磁参数测量MS、TC、K1、S等Mr、Br、HC、 等磁畴结构、磁矩取向、各种磁效应（磁热、磁光、磁电、磁致伸缩、磁共振等）磁 性 测 量磁性测量原理宏观物理效应微

2、观物理效应磁 共 振 效 应电磁感应原理磁矩测量磁场测量磁通测量间接测量直接测量磁测量包括对空间磁参量的测量和对磁性材料性质的测量即磁性测量。在工业和科研中，磁测量所依据的在工业和科研中，磁测量所依据的原理原理主要有：主要有： 磁极间的机械力效应（如磁强计）； 电磁感应定律 物质的磁效应，如霍尔效应、磁电阻效应、核磁共振、 磁光效应（法拉第效应）、半导体对磁场的敏感效应等。磁测量概述 . .磁场测量磁场测量 测量某个空间或某个位置的磁场强度、磁感应强度。例如建造一个磁隔离室，就需要测量室内磁场是否完全被屏蔽。又例如对磁铁进行充磁或退磁，就需要测量充磁或退磁的磁场强度是否足够。 . .磁性材料的

3、磁性能测量磁性材料的磁性能测量 磁性材料的磁性能表现在它的磁化曲线和磁滞回线上，所以测量磁性材料的磁性能，实际上就是测定磁化曲线和磁滞回线。由于材料在直流状态下和在交流状态下的表现各异，所以要根据需要，按实际工作条件，测量其直流磁特性或交流磁特性。返回本章首页磁测量包括两个方面： 测量方法一：磁秤（天平）用于测量材料的磁性，如抗磁性、顺磁性、反铁磁性等。磁秤示意图磁秤示意图磁秤法是通过测量试样在非均匀磁场中所受的力来确定其饱和磁化强度xdHdHFVMVHdxdx 若试样为一小长条形，并平行于x 轴放置。2121xxxVH2212HdHdHFdFHdVHSdxdxdx1SHdHS(HH )2 V

4、试样的体积S试样的截面积H1、H2试样两端的磁场强度12测定Fx可以用天平来解决：xFmgm：砝码的质量天平平衡时：221222121S(HH )mg22mgS(HH ) 材料方法二：热磁仪原理：将磁学量转换成力学量进行测量。1VMHsin 热磁仪原理示意图热磁仪原理示意图通磁后，试样磁化，其磁化强度为M，则试样将受到力矩1的作用，使试样转动。试样转动角，则：1VMHsin() 弹性系统产生的反力矩：2C 平衡时：12 则：CCMVHsin()VHsin主要用于测定主要用于测定M的动态变化。的动态变化。阿库洛夫仪，磁转矩仪。测量方法三：磁强计优点：优点：精度高，对试样的形状、状态、磁性的强弱无

5、要求。适用于较弱磁性的块材样品、薄膜样品、粉末样品、纳米材料、超导材料等。缺点：缺点：为了消除外界环境的影响，通常需要超低温环境，例如，经常用液氦冷却，成本较高。如超导量子干涉仪磁强计等材料方法四：磁通计磁通计又称高斯计、特斯拉计等。它具有磁电系测量机构，但不设置反抗力矩，因此在不工作时，指针可停留在刻度盘上任意角位置。常用的类型：常用的类型：u 光电放大磁通计u 电子积分运算放大器u 数字磁通计优点：灵敏度高。磁通计的结构 磁通计使用高阻尼、无反作用游丝的磁电系仪表，偏转后可动线圈会停留在最终位置，不会因为断电而退回零点。因此可以用来测量偏转角的最大值，开始测量时可用复位按钮将指针调回到零点

6、位置。然后将测量线圈移进或移出磁场，测定偏转角的最大值。磁通计的测量原理 将测量线圈移进被测磁场，或从被测磁场移出，测量线圈所感应的电动势可按下式求出。CCCLCBcBLNSBNeetSBNtBlrNetNe , dd dd dd 可得并忽略符号可认为忽略回路电阻的电动势为永久磁铁作用下所感应可动线圈转动时在表内也就是磁通计的最大偏转角与被测磁通变化量成正比。测量线圈移进或移出之后，磁通计的最大偏转角能保持不变，以便于读数。第四节 铁磁性的应用铁磁性的评价铁(亚)磁性材料的分类铁磁性的应用2. 铁(亚)磁性材料的分类 金属磁性材料 铁氧体磁性材料 有机高分子磁性材料 软磁材料软磁材料 硬磁材料

7、硬磁材料 矩磁材料 压磁材料（磁致伸缩材料） 旋磁材料按材料性质分类按功能分类硬磁材料与软磁材料矩磁材料软磁材料矫顽力很低的磁性材料，亦即当材料在磁场中易磁化，移出磁场后，获得的磁性便会全部或大部丧失。(HC 10000， 电感元件；抗电磁干扰（电感元件；抗电磁干扰（EMI) )；滤波器；宽带脉冲变压器；滤波器；宽带脉冲变压器2.2.低功耗材料：高饱和磁通密度，宽频、宽温、低损耗低功耗材料：高饱和磁通密度，宽频、宽温、低损耗 开关电源变压器开关电源变压器; ; 变压器变压器 3.电力工业用的软磁材料 牌号PW1(PC30)PW2 ( PC40) PW3(PC44) PW4(PC50)PW5 f

8、 (kHz) 15100 252001003003001MH13MHz发展趋势：高频，低损耗，宽温功率铁氧体功率铁氧体主要评价指标 起始磁导率 磁损耗（涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗） 温度稳定性 减落（可逆） 磁老化（不可逆） 截止频率温度稳定性 软磁材料的温度稳定性用温度系数 表示，定义为由于 温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。 最常用的是磁导率的温度系数：00TTT0(TT ) 在实际应用中，也常用比温度系数/i来表征软磁材料的温度特性，该值越小越好。磁导率的减落 减落是一种可逆变化，是材料的不稳定性之一； 软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到电、磁、热和机械等冲击后，畴壁易

9、于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下，将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降。称为磁导率的减落。 减落D 减落系数d 减落因子DF121D 21Ddtlgt1dDF 磁老化12a1I 软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化。用老化系数Ia表示。老化系数的大小跟材料的值和制造工艺有关，一般而言，高材料的老化系数较大。截止频率i 软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的 值下降为起始值的一半，且 达到峰值时的频率，称为截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关。各类软磁

10、材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高，则应用频率的上限越高。几种主要的软磁材料工业纯铁最早被使用的金属软磁材料；具有优良的软磁特性，加工（机加、锻造）性能好，并且价格便宜；但其电阻率较低，不能用于交变磁场，只能用于直流磁场；可用于制造直流电磁铁芯、磁极头、继电器铁芯、衔铁等。硅钢片 硅在铁中的固溶体合金，具有较大的电阻率和较高的磁性能； 主要缺点：比纯铁硬而脆，饱和磁感应强度比纯铁低； 各向同性硅钢片（热轧硅钢片、冷轧硅钢片），主要用于制造电机转子、定子，称为电机硅钢片； 方向性硅钢片（单取向、双取向硅钢片），主要用于制造变压器铁芯，称为变压器硅钢片。Fe Si合金坡

11、莫合金坡莫合金(Permalloy)为铁镍合金，是有名的优良软磁材料。在弱磁场中具有很高的磁导率，很小的矫顽力。主要缺点：(1) 材料磁性对应力极为敏感；(2) 饱和磁感应强度稍低；(3) 生产过程中常以Mo、Cr等元素作为添加剂，价格昂贵；(4) 制成器件后必须在氢气或真空中退火，增加了工艺复杂性。Fe Ni合金硬磁材料（永磁材料）材料被外磁场磁化后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。有气隙磁铁示意图永磁材料用作磁场源，主要是利用在空气隙中产生的磁场。(HC 0.8 kA/m)永磁材料发展历史 稀土永磁材料是稀土金属和过渡族金属形成的金属间化合物，是目前具有最高永磁特性的永磁材料。六

12、十年代第一代稀土永磁材料（1:5型R-Co永磁，如SmCo5）七十年代第二代稀土永磁材料（2:17型R-Co永磁，如Sm2Co17 ）八十年代第三代稀土永磁材料（R-Fe-B永磁，如Nd2Fe14B ）。第一，二代稀土永磁 (19671975)第三代稀土永磁 (1983)第一代SmCo5 (60年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？稀土永磁材料 永磁材料基本磁性1. 饱和磁化强度 Ms，Tc : 组成，磁结构2. 剩磁 Br ：取向，密度 Br = o p Ms f . p- 孔隙率； f取向度 f=1/2 各向同性

13、f1 各向异性，理想取向。3. 矫顽力 Hc ：晶体结构，K， 显微结构 单畴： 磁晶各向异性：Hc K/ o Ms 形状各向异性： Hc NMs4. 磁能积 （BH)m （BH)m（理论） oMs2/4 对永磁材料特性的要求 高Br； 高HC； 高(BH)max 1； rec 1； 稳定性好（包括温度、磁场、时间）“三高”退磁曲线上每一点的B和H的乘积（BH）;表征材料内部储存的能量大小;最大磁能积(BH)max是衡量材料性能的重要参数。maxrBC(BH)BH 凸出系数（极限隆起度）：凸出系数（极限隆起度）：磁能积磁铁的最大磁能积磁铁的最大磁能积D点是指永磁材料去掉磁场后，由于退磁场的作用

14、，剩磁B所处的位置（称为磁体工作点）；Bd：表观剩磁。maxS1(BH)M4理论20()最大磁能积：最大磁能积：recBtgH回复磁导率：回复磁导率：第一代第一代第二代第二代第三代第三代第四代第四代稀土永磁SmCo5Sm2Co17Nd2Fe14B ?晶体结构CaCu5型六角晶系六角或菱方结构四方晶系低对称晶系Js(T) oMs 1.141.251.61.8Tc (oC)727920320300HA(T)25-446.57 7(BH)m(kJ/m3)200(259)*250(310) 462(512) 600*(-)(BH)m理论值。 SmFeN; SmFeC； 1:12; 3:29; 纳米复合

15、稀土永磁纳米复合稀土永磁（BH)m(理论理论） 800（kJ/m3)，1988年？工艺：速凝；氢爆；双合金工艺：速凝；氢爆；双合金永磁材料应用领域应用领域应用领域中国中国/%/%发达国家发达国家/%/%音音 响响27275 5油田除腊器油田除腊器2222/ /电电 机机25251717计算机计算机（VCMVCM）1 15757核磁共振仪核磁共振仪/ /1111电子束聚焦电子束聚焦/ /1 1磁磁 吸吸 盘盘1515/ /磁磁 分分 离离8 8/ /仪仪 表表2 2/ /合合 计计100100100100Nd2Fe14B永磁材料国内外应用比较表 我国生产的大部分为中低档产品，适合于音响和电机使用

16、；而高档产品如计算机VCM要求性能高： (BH)max320 KJ/m3，加工精度高，产品一致性好 主要是美国、日本等发达国家等永磁生产厂家生产。 核磁共振仪和电子束聚焦则尚在研制阶段，而美、日等发达国家已有生产和应用。磁信息材料利用磁学原理存储和记录信息的磁载体材料。磁记录磁光记录磁泡存储矩磁存储磁记录磁存储磁记录材料 利用磁头气隙中随信息变化的磁场将经过气隙的磁记录介质磁化，就把随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质中按空间变化的强度分布，经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来。 磁头材料 磁记录介质 磁光记录介质磁记录原理磁头中流过信号电流，介质磁化将信息写入介质；用磁头检测介质磁状态

17、，将信号读出。基本过程磁头材料磁头铁芯用的高密度软磁材料。用磁头材料做成记录（写入）或重放（读出）信息的换能器件，要求具有较高的转换效率。具体要求： 最大磁导率m和饱和磁感应强度BS要高，以实现高效率记录； 矫顽力Hc和剩余磁感应强度Br要低，以减少磁头的磁损耗和剩磁； 降低剩磁引起的噪声与非线性； 电阻率要高，以降低损耗，改善高频记录的频率相应特性； 起始磁导率i要高，以提高重放磁头的灵敏度； 磁导率的截至频率fr 要高，以利于高频高速记录，提高使用频率上限； 耐磨损、抗剥落、机械加工性好。磁记录介质材料涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的材料。 矫顽力HC要适当(1680 kA/

18、m)，以便有效地存储信息， 抵抗环境干扰，减少剩磁状态的退磁效应，提高记录密度； 磁滞回线矩形比高，以减少自退磁效应，使介质中保留较 高的剩磁，提高信息记录的密度和分辨力，从而提高信息 的记录效率； 饱和磁感应强度Bs要高，以获得高的输出信号，提高单位 体积的磁能积，提高各向异性导致的矫顽力； 温度稳定好，老化效应小，以保证宽温长期条件下稳定存储； 用于垂直记录的介质，其垂直各向异性系数要高。磁记录材料磁磁记记录录介介质质之之进进展展 量量子子磁磁盘盘 氧氧化化物物薄薄膜膜 金金属属薄薄膜膜 BaM(50-100nm) (1986) FeNiCo(10-20nm) (1978) CrO2(0.

19、4m) ( (1 19 96 67 7) ) C Co o- -Fe2O3 (0.3-0.6m) ( (1 19 96 61 1) ) -Fe2O3(1m) （1 19 95 54 4）针针状状 -Fe2O3,立立方方 ( (1 19 93 39 9) ) F Fe e3 3O O4 4立立方方 ( (1 19 93 30 0) ) 钢钢丝丝 P Po ol ls se em m （1 18 89 98 8） 纵向模式纵向模式 垂直模式垂直模式全息模式全息模式磁光记录介质材料基本原理： 当加热到居里点以上时，薄膜被加热后其磁化方向发生反转(居里点写入)； 用线偏振光照射膜面，因为磁化部分和反转

20、磁化部分反射光的偏转面的旋转角不同，故可用检偏器来读出相应信息。磁电阻效应 00H用途：磁传感，磁盘读出头等。IBM硬盘的发展磁泡材料某些磁性材料薄膜的性能和尺寸满足一定条件时，在适当的偏磁场Hb作用下，其反磁化畴变为直径位1100 m的圆柱形磁畴，在偏光显微镜下观察，这些圆柱畴在薄膜表面好像浮着一群圆泡，故称为。新型磁性材料v 非晶态磁性材料v 磁性液体v 巨磁致伸缩材料超声和声纳系统中的应用精密快速致动和控制元件传感器非晶态磁性材料原子排列无序但磁矩排列有序的磁性材料。1. 以Fe、Co、Ni、Cr、Mn等第一类过渡金属为基加入少量的B、C、Si、P所制成的非晶态合金，都是具有铁磁性的非晶

21、体合金。2. 由稀土金属Gd（钆）、Tb（铽）等与第一类过渡金属Fe、Co、Ni、Mo所制成的具有亚铁磁性的非晶态合金。3. 以贵金属Au等或非磁性金属Cu等为基加入少量过渡族金属制成的非晶态合金，这种合金显示超顺磁性。按性能分为三类：电磁炉 电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。 金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。 特点： 直接发热，热效率高达9

22、0% 炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠电饭锅日常使用的电饭锅利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。磁悬浮列车 上海上海磁磁悬浮列车悬浮列车 平均时速平均时速300300公里公里/ /小时，最高时速小时，最高时速430430公里公里/ /小时小时电磁炮电磁炮 舰载概念电磁炮及其原理图舰载概念电磁炮及其原理图 原理： 传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速，推出炮膛。而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰伯克兰教授，1901年就获得了专利。 1978978年，澳大利亚科学家在年，澳大利亚科学家在5 5米长的轨米长的轨道炮上道炮上(5.9(5.9千米秒千米秒) )；现在弹丸初速；现在弹丸初速1.51.51.71.7千米秒。千米秒。 隐身飞机隐身飞机 F117隐形战斗机为了躲避敌方雷达的监测，在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，它可吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电