第3章材料的磁学.

1、第三章第三章 材料的磁学材料的磁学3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.2 磁学量及材料磁性分类磁学量及材料磁性分类3.3 铁磁性和亚铁磁性铁磁性和亚铁磁性3.4 自发磁化和技术磁化自发磁化和技术磁化 3.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用 磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均具有子及物质均具有“磁性磁性”。 材料的磁学：材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科及其联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。，促进对材料磁性的利用和开发。 基于材料磁学原理，开

2、发的一类基础性功能材料。基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。 磁性磁性材料已经形成了一个庞大的家族，材料已经形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等； 按材料构成来划按材料构成来划分，分， 有合金磁性材料，铁氧体磁性材料有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性1. 原子的磁性原子的磁性JJ耦合耦合: 各电子的各电子的L、S相互作用强，相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩为原子总磁矩 ；（Z88)JJ+LS (

3、Z=3388)LS耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用弱，相互作用弱，先各自耦合为总先各自耦合为总L、总、总S，再叠加，再叠加为原子总磁矩为原子总磁矩 ；（Z0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；当磁距自发磁化（铁磁性）；当J0，要求反向排列（反铁磁性）要求反向排列（反铁磁性） 其它条件：其它条件：3/rRab P304(1) 磁畴磁畴 自发磁化（固有磁距平行）源于交换耦合（能）。自发磁化（固有磁距平行）源于交换耦合（能）。 交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度方向交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度方向

4、沿着晶体内的易磁化轴，使沿着晶体内的易磁化轴，使磁晶体内交换能磁晶体内交换能和和磁晶各向磁晶各向异性能异性能都达到极小值。但必然在其端面处产生磁极，产都达到极小值。但必然在其端面处产生磁极，产生退磁场，从而增加了生退磁场，从而增加了退磁能退磁能。这个退磁能将要破坏已这个退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。经形成的自发磁化。 两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，以减少两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，以减少退磁能，分畴减小了退磁能，分畴减小了退磁能退磁能，但增加了，但增加了畴壁能畴壁能，故过程，故过程将终止于将终止于二者的平衡二者的平衡。自发磁化自发磁化分分 畴畴不分畴不分畴 ( a )图是

5、整个晶体均匀磁化，退图是整个晶体均匀磁化，退磁场能最大磁场能最大。分为两个或四个平行。分为两个或四个平行反向的自发磁化的区域反向的自发磁化的区域( b ),( C )可可以大大减少退磁能。以大大减少退磁能。 如果分为如果分为n个磁畴，能量减少个磁畴，能量减少1/n，但是相邻磁畴壁的存在，又增加了但是相邻磁畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴磁畴)的形成不可能是无限的，而是的形成不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值为畴壁能与退磁场能的和为极小值为条件。条件。 形成如图形成如图d，e的封闭畴将进一步的封闭畴将进一步降低退磁能，但是封闭畴

6、中的磁化降低退磁能，但是封闭畴中的磁化强度方向垂直单轴各向异性方向，强度方向垂直单轴各向异性方向，因此将增加各向异性能。因此将增加各向异性能。 钴单晶磁畴的形成过程钴单晶磁畴的形成过程 相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互垂直，称为垂直，称为1800畴壁畴壁和和900畴壁畴壁，在畴壁中磁化矢量是逐步，在畴壁中磁化矢量是逐步转变的。举转变的。举1800畴壁为例，畴壁为例，畴壁交换能畴壁交换能 ：交换能的面密度：交换能的面密度：a为晶格常数，为晶格常数，Na畴壁厚畴壁厚 磁晶各向异性能密度磁晶各向异性能密度 ：NaKk1畴壁总能密度：畴壁

7、总能密度：22012exkJsK NaNaijexJSEcos222202NaJSex（2）磁畴壁）磁畴壁 退退 磁磁 能密度能密度 ：02/2sydINE222NJSEex24JSEex突然反转：突然反转：逐渐转向：逐渐转向：求能量极小值求能量极小值最佳层数最佳层数2201220JsK aNa N 11222200311JssJNK aK aa对于铁的对于铁的1800畴壁畴壁, 0=1800= ，得到，得到111222022233530111030010 10ckJsNK aK a11222112ckKsJKaa对铁对铁1尔格尔格/厘米厘米2得到得到1210JKsa 单畴颗粒单畴颗粒： 当磁

8、性材料小到某一尺寸，以至于形成单畴的退磁当磁性材料小到某一尺寸，以至于形成单畴的退磁能小于形成多畴的畴壁能时，磁性材料就以单畴（整畴）存在能小于形成多畴的畴壁能时，磁性材料就以单畴（整畴）存在 一个球形的铁磁颗粒的退磁能为一个球形的铁磁颗粒的退磁能为23229821ssdIRVNIE如分为四个畴，畴壁能为如分为四个畴，畴壁能为22 RE 能量平衡条件：能量平衡条件：2232298cscRIR249scIR单畴临界半径：单畴临界半径：严格解：严格解：2200100.9510csasamzs Jzs JRIa NIa NS 颗粒表面积，颗粒表面积，a0为晶格常数。为晶格常数。 Z 对于简单立方，体

9、心立方，面心对于简单立方，体心立方，面心立方，分别为立方，分别为1、2、4。 (a) 分畴 (b）不分畴分畴分畴不分畴不分畴cRRE7.3 磁性材料的动态特征（磁性材料的动态特征（ 交流磁性能交流磁性能） 必要性：必要性：磁性材料尤其是软磁材料在交变磁场条件下工磁性材料尤其是软磁材料在交变磁场条件下工作，磁化过程是动态的，从一个磁化状态过渡到另一磁化作，磁化过程是动态的，从一个磁化状态过渡到另一磁化状态需要时间。该时间与磁场变化的周期或频率有很重要状态需要时间。该时间与磁场变化的周期或频率有很重要的关系。因此，需要研究磁化动态特征。的关系。因此，需要研究磁化动态特征。 工程应用：工程应用：电机

10、、变压器铁芯，中高频电子器件，如微电机、变压器铁芯，中高频电子器件，如微波器件等等。波器件等等。 目目 的：的：获得动态磁化的一般规律，如损耗机理、磁滞获得动态磁化的一般规律，如损耗机理、磁滞效应及频率依赖性，设计和正确使用磁性材料尤其是软磁效应及频率依赖性，设计和正确使用磁性材料尤其是软磁材料。材料。 DC 1kHz 10kHz B/TH / Am-1不同频率下不同频率下79Ni4MoFe材料的磁滞回线比较材料的磁滞回线比较 Bm-Hm 1 1、形状大体相似；、形状大体相似； 2 2、与频率有关、与频率有关 频率升高，涡流损耗上升，磁损增大，交流幅值磁场减频率升高，涡流损耗上升，磁损增大，交

11、流幅值磁场减小；回线区增大（椭圆形），磁化所需的磁场强度增大。小；回线区增大（椭圆形），磁化所需的磁场强度增大。0.06mm7.3.1 高频磁导率高频磁导率 磁性材料在交变磁场下磁化，因为损耗的出现，磁感应磁性材料在交变磁场下磁化，因为损耗的出现，磁感应强度强度B B或磁化强度或磁化强度M M一般滞后一个相角一般滞后一个相角 ，表示为：，表示为：tieHH0tieBB0000000cossinitii tB eBBeiiHH eH令令cos0sin0 tancossin00 tantan 叫做损耗因子，叫做损耗因子， Q Q1 1/ /tantan ，称为软磁材料的品质因子。称为软磁材料的品质

12、因子。弹性磁导率弹性磁导率粘滞磁导率粘滞磁导率一个周期内，单位铁磁体的平均能量损耗一个周期内，单位铁磁体的平均能量损耗或磁损规律密度或磁损规律密度P耗耗：sin2110mmTBHHdBTP耗2 mHfP耗一个周期内，单位铁磁体储存的平均磁能密度：一个周期内，单位铁磁体储存的平均磁能密度：221mHW 磁滞损耗磁滞损耗 Pn：磁化功，在低频区域最重要的损耗是磁滞损耗(磁滞回线所包围的面积)。磁化强度的幅值很小，对应于瑞利区，磁滞损耗依赖于磁场的幅值。在高频区，作为磁滞损耗的主要来源于，不可逆的畴壁位移（M的转动）被阻尼。 涡流损耗涡流损耗 Pe：电磁感应加热引起，功率损耗与频率的平方成正比。减小

13、涡流损耗的一种方法是在与磁化强度垂直的一个或两个方向上减小材料的尺寸，尽量使用薄片或丝，例如硅钢片。 提高材料电阻率是减小涡流损耗最有效的方法，例如铁氧体。7.3.2 交变磁场作用下的能量损耗交变磁场作用下的能量损耗cenmPPPP 剩余损耗剩余损耗Pc：在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效引起的。在突然施加磁场H后，磁化强度M的变化被延迟的现象叫磁后效magnetic after-effect。 为弛豫时间，表示 B=0Bm所需的特征时间，可用B=00.63Bm时间代表。mHmBHBtt0t0tmBmB63. 0BBdtdBm/1tmeBB)(0MHB 7.4 磁性材料及其应用磁性材料

14、及其应用(1) (1) 软磁材料软磁材料 高磁导率，高饱和磁感应强度，高磁导率，高饱和磁感应强度，磁化容易；磁化容易； 矫顽力小（畴壁易运动），磁矫顽力小（畴壁易运动），磁滞回线很窄，有剩磁，退磁容易；滞回线很窄，有剩磁，退磁容易； 磁滞损耗低，损耗源于沉淀相磁滞损耗低，损耗源于沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用和杂质对畴壁的钉扎作用BHo7.4.1 7.4.1 铁磁材料分类铁磁材料分类 措施：措施：1 1）增加纯度，减小不均匀性）增加纯度，减小不均匀性2 2）减小各向异性）减小各向异性3 3）减小电阻率。）减小电阻率。 按矫顽力分类，按矫顽力分类，Hc40 KA/m为永磁材料。为永磁材料。 软磁材

15、料主要应用软磁材料主要应用w磁路磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、感应圈铁芯。 （利用高导磁率、低损耗）w磁极磁极：电磁极头、电子计算机开关元件和存储元件等。 （利用饱和磁化强度高）w电磁屏蔽电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料 （利用导磁率高、导电性） 剩磁剩磁电阻电阻磁极磁极导磁导磁磁极磁极导磁导磁中频中频高频高频低频低频 P324327 (2) (2) 硬磁材料硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料，硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。难于磁化又难于退磁。主要主要特特 矫顽力大矫顽力大，典型值，典型值HcHc104104106A/m106A/m； 剩磁大剩磁大，

16、适合做永磁极，适合做永磁极 ； 磁滞回线较粗，具有较高磁滞回线较粗，具有较高的的最大磁能积最大磁能积 (BH)(BH)maxmax； 硬磁性材料如碳钢、铝镍硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金、稀土永磁体等。钴合金、稀土永磁体等。BHo 主要用途主要用途应用应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。主要分为主要分为Fe-Cr-Co合金， Tc高Al-Ni-Co合金， Tc高硬磁铁氧体材料， Tc中稀土永磁材料，Tc低一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是

17、脆，加工性稍差，造价高，因为Co贵。一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料磁能积最高的品种。优点Br、Hc大，缺点是温度稳定性，抗腐蚀性稍差。 Hc40 KA/m为永磁材料为永磁材料 一一Al-Ni-Al-Ni-CoCo合金合金 (1960)(1960) 它们是含有Al、Ni、Co加上3%Cu的铁基系合金, 以磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造/粉末冶金。 第一章广泛应用的合金永磁体。用于仪表、电机器件上，例如，发电机、电动机、继电器和磁电机；电子行业中的应用如扬声器、电话耳机和受话器。 Al-Ni-Co具有高 (BH)max=4070kJ/3，高剩磁Br = 0.71.35

18、，适中的矫顽力Hc40160kA/m。二二 Fe-Cr-Fe-Cr-CoCo合金合金 (1980(1980) ) 它是它是19711971年年KanekoKaneko等研制的永磁材料，等研制的永磁材料，它具有良好的延它具有良好的延展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材，由于，由于Fe-Fe-Cr-CoCr-Co的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是别的合金不能做到的。它别的合金不能做到的。它是在是在Fe-Cr合金基础上发展的，合金基础上发展的，Fe-Cr合金在合金在475 oC发生发生Spinoda

19、lSpinodal分解分解。 + + ，产生富铁的铁磁相产生富铁的铁磁相和富铬的和富铬的、低磁低磁性相性相 ，具有永磁性能具有永磁性能 。 但铬使但铬使BrBr、TcTc降低，在降低，在Fe-CrFe-Cr合金基础上加入合金基础上加入Co,Co,形成形成Fe-Cr-CoFe-Cr-Co合金。合金。 CoCo使使BrBr、TcTc提高提高, , SpinodalSpinodal分解温度分解温度提高。提高。 成分，成分，W/% Bs, THc, kA. m-1(B H)max, kJ. m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.

20、059.215Co-22Cr-1.5Ti1.5650.966.115Co-24Cr-3Mo-1.0Ti1.5466.975.34Co-30Cr-1.5Ti1.2545.439.823Co-33Cr-2Cu1.386.078.0 三、硬磁铁氧体三、硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体中金属离子处于四面体为A位、八面体为B位。从配位情况看，金属离子最近邻都是阴离子，金属离子间电子壳层几乎不能交叠，直接交换作用不适用了，磁性被认为来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。 磁铅石型铁氧体：一般式是MO.6Fe2O3, 这里M代表二价金属Ba、Sr、Pb；常用的为钡铁氧体(BaO6Fe2O3) 、锶铁氧体(SrO6Fe2O3)和铅铁氧体(PbO6Fe2O3)。 烧结成型。 成分成分Bs, TBs, THcHc, ,kA. mkA. m-1-1( (BH)max,BH)max, kJ. m kJ. m-3-3Y30Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5