新材料概论课件ppt 第5章 磁性材料

第5章磁性材料

辽宁石油化工大学机械工程学院金属材料工程系连景宝主要内容5.1磁学基础5.2永磁材料

5.3软磁材料

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Whatmagneticstriponyourcreditcardismadefrom?FerriteMagneticMaterialsCompanyLogo磁性材料自然界的任何物质都是磁性体。①定义：磁性材料是指在实际工程意义上具有较强磁性的材料。CompanyLogo②世界磁性材料的发展史CompanyLogo③分类：软铁硅钢片铁氧体非晶态软磁材料纳米晶软磁材料稀土永磁材料CompanyLogo④应用：（1）电子计算机及声像记录用大容量存储装置，如磁盘、磁带、扬声器等;10GB微型硬盘,日立2005CompanyLogo（2）电工产品如变压器、电机，以及通信、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，在经济建设和日常生活中占有举足轻重的地位。CompanyLogo（3）生物界和医学界的磁应用

在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像技术。CompanyLogo（4）军事领域的磁应用

在现代战争中，制空权是夺得战役胜利的关键之一。但飞机在飞行过程中很容易被敌方的雷达侦测到，从而具有较大的危险性。为了躲避敌方雷达的监测，可以在飞机表面涂一层特殊的磁性材料－吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。CompanyLogo（4）军事领域的磁应用

这就是大名鼎鼎的“隐形飞机”。隐身技术是目前世界军事科研领域的一大热点。美国的F117隐形战斗机便是一个成功运用隐身技术的例子。CompanyLogo

在美国的“星球大战”计划中，有一种新型武器“电磁武器”的开发研究。电磁炮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，这就是所谓的电磁炮。CompanyLogo5.1磁学基础5.1.1物质的磁性

磁矩定义Pm=IgA为通过电流为Ig、面积为A的环型导体的磁矩。CompanyLogo

磁场强度、磁化强度和磁感应强度单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和称为磁化强度M，单位为A/m。物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和，称为磁感应强度B，单位为T(特斯拉）。CompanyLogo

磁导率和磁化率磁导率：磁感应强与磁场强度之比：μ=B/H，μ称为绝对磁导率，单位为H/m。相对磁导率：绝对磁导率与真空磁导率μ0之比称为相对磁导率μr。μr=μ/μ0磁化率：磁化强度与磁场强度之比：=M/H。CompanyLogo

物质磁性的分类-顺磁性、抗磁性和铁磁性（1）顺磁性1）定义：指磁质被磁化后，磁化方向与外场方向相同。顺磁性m=10-6~10-3磁场

磁矩的排列与磁性的关系CompanyLogo顺磁质的磁化率约为10-3~10-6，因此，顺磁性是一种弱磁性。2）种类：顺磁性物质主要包括La，Mo、Al、Sn、Pt，MnAl，FeSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里温度以上的铁磁性金属Fe，Co，Ni等。CompanyLogo（2）抗磁性1）定义：抗磁质的的磁化场与外场方向相反，因此具有负的磁化率，其磁化率一般为10-5~10-6。2）种类：属于此类的物质有C、Au、Ag、Cu、Zn、Pb等。CompanyLogo（3）铁磁性1）定义：铁、镍、钴和一些稀土元素在足够低的温度下甚至在没有外场时，由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序排列，即产生所谓的自发磁化，这种自发磁化的特性称为铁磁性。铁磁性物质的磁化率为1~104。铁磁性m=1~104磁场

磁矩的排列与磁性的关系

CompanyLogo2）种类铁磁性材料主要包括①Fe、Co、Ni、Gd为主的合金；②铁的氧化物；③一些稀土氧化物。铁磁性材料是电工、电子工业中不可缺少的材料之一。CompanyLogo

磁各向异性磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。

磁致伸缩磁性材料在磁化过程中发生沿磁化方向伸长或缩短，在垂直磁化方向缩短或伸长的现象，叫做磁致伸缩，它是一种可逆弹性变形。CompanyLogo磁畴：铁磁材料的内部形成许多自发磁化达到饱和的小区域，称为磁畴。铁电陶瓷磁畴形貌CompanyLogo5.1.2磁性材料的技术磁参量在工程技术上主要使用B-H曲线，曲线反映出磁性材料的主要特性参量，它直接反映出磁性材料的使用特性，而且便于测量。BsBrHcBHOCompanyLogo根据磁滞曲线的不同，磁性材料大致分成三类：(1)软磁材料：其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)HBCompanyLogo(2)硬磁材料：其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)HBCompanyLogo(3)矩磁材料：其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBCompanyLogo5.1.2磁性材料的技术磁参量磁性材料的技术参量分为内禀磁参量和结构敏感磁参量内禀磁参量：饱和磁化强度Ms、居里温度Tc等，主要取决于材料的化学成分。结构敏感磁参量：Hc、Mr、Br、磁导率、损耗等。CompanyLogo（1）Ms和Bs饱和磁感应强度Bs：在磁化场足够强的情况下，材料可能达到的最大磁感应强度。Bs与s的关系为：Bs=μ0（H+Ms）式中，H为Ms或Bs所对应的磁化场强度，即饱和磁场强度。CompanyLogo（2）剩磁和矫顽力退磁曲线上磁场强度H为零时相应的磁感应强度或磁化强度称为剩余磁感应（磁化）强度。简称剩磁，符号为Mr(Br），其意义是材料经一定强度的磁场磁化后，再将磁场去除后材料内所剩余的磁感应强度（Br）或磁化强度（Mr）。剩余磁感应强度Br的极限值是μ0Ms。CompanyLogo（3）剩磁和矫顽力退磁曲线（M-H曲线）上磁化强度M为零时对应的磁场强度值称为磁化强度矫顽力，也称为内禀矫顽力，记为Hci。矫顽力表示铁磁体磁化到技术饱和后，使其磁化强度或磁感应强度降低到零所需的反向磁场，常简写为Hc。CompanyLogo（4）损耗软磁材料制备的电机与变压器铁心使用时会发热，说明材料在使用时发生了能量损耗。磁心的损耗通常称作铁损。此外，电动机与变压器发热损耗的的能量中还包括导线的发热，这部分损耗称为铜损。CompanyLogo5.1.3磁性材料的稳定性磁性材料的稳定性一般用磁参量随外界因素作用产生的变化来描述。引起磁性能变化的外界因素有温度、时间、电磁场、振动与冲击、射线与化学作用等，相应的就有（1）温度稳定性、（2）时间稳定性（3）化学稳定性CompanyLogo（1）温度稳定性。永磁体的成分、尺寸与形状、制备工艺过程和矫顽力值皆对磁体温度稳定性产生影响。（2）时间稳定性。指磁体在某一特定工作环境下长期工作过程中磁性随时间的变化，是衡量永磁仪器仪表与器件长时间性能稳定性与可靠性的重要参量。（3）化学稳定性。合金化和表面处理工艺（如耐腐蚀金属或合金、浸胶或浸漆）CompanyLogo5.2永磁材料（1）定义：矫顽力大于400A/m以上的磁性材料称为永磁材料。又称为硬磁材料或恒磁材料。永磁材料的出现和应用具有悠久的历史。我国战国时代人们利用矿石中的天然磁铁矿打磨成所需的形状用来指南。CompanyLogo5.2永磁材料近年来，随着科学技术的高速发展，永磁材料不断进步，新的永磁材料的出现推动了永磁器件的改进和发展。新型永磁材料的开发和应用是高新技术产业中极为重要的部分。稀土永磁，尤其是钕铁硼的出现对现代高新技术产业的发展有着巨大影响。CompanyLogo（2）分类工业应用的永磁材料主要包括五个系列：①铝镍钴系永磁合金②铁铬钴系永磁合金③永磁铁氧体④稀土永磁材料⑤复合粘结永磁材料。CompanyLogo5.2.1铝镍钴和铁铬钴系合金铝镍钴永磁合金以Fe,Al,Ni等元素为主要成分，并通过加人Cu,Co和Ti等元素进一步提高合金性能。5.2.2永磁铁氧体工业上普遍应用的永磁铁氧体主要有2种：①钡铁氧体（BaO6Fe2O3）②锶铁氧体（SrO6Fe2O3）CompanyLogo5.2.3稀土-过渡金属间化合物稀土又被称为“工业味精”，主要用做添加剂起到特殊作用，应用领域十分广阔。从产业链的角度来看，储氢材料、荧光材料、抛光材料、环保材料以及永磁材料是稀土的主要应用领域。CompanyLogo5.2.3稀土-过渡金属间化合物CompanyLogoCompanyLogo5.2.3稀土-过渡金属间化合物稀土永磁合金是20世纪60年代以来发展起来的材料。稀土永磁材料是以稀土金属元素与过渡族金属间所形成的金属间化合物为基体的永磁材料。通常称为稀土金属间化合物永磁，简称稀土永磁。稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法成型烧结，经磁场充磁制得的一种磁性材料。CompanyLogoCompanyLogo稀土永磁分类：①Re-Co永磁（稀土Co永磁）1:5型Re-Co磁体（SmCo5）和2:17型Re-Co磁体（Sm2Co17）②铁基稀土永磁Nd2Fe14BCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo

稀土永磁材料简介（1）SmCo5型永磁材料最早发展的ReCo5型永磁材料是SmCo5化合物，该化合物的理论磁能积为244.9kJm-3。实际SmCo5磁体的Br约为0.8-0.95T，HCB为557.2-575.2kAm-3，(BH)max约为135.3-159.2kJm-3。CompanyLogoSmCo5是一种较为理想的永磁体，已在实际生产中得到广泛应用。其缺点是含有较多的战略金属钴（66%）和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm。原材料昂贵，发展前途受到资源与价格的限制。CompanyLogo(2)Sm2Co17型永磁材料①Sm-Co-Cu系②Sm-Co-Cu-Fe系③Sm-Co-Cu-Fe-M系CompanyLogo（3）Nd-Fe-B型永磁材料Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。自1983年问世以来发展极为迅速，目前此类材料磁性已经达到如下水平：最大磁能积407.6kJm-3，矫顽力2244.7kA/m，是迄今为止磁性能最高的永磁材料，被誉为“磁王”。CompanyLogo（3）Nd-Fe-B型永磁材料

Nd-Fe-B系合金的另一个最大优点是原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴合金的50%左右。Nd2Fe14B的Tc为585℃，μs为1.61T，磁晶各向异性常数K1=450kJm-3。CompanyLogo

稀土永磁材料的应用CompanyLogo节能电气设备电磁开关电磁阀CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo5.2.4纳米微晶稀土永磁材料作为粘结永磁体原材料的快淬NdFeB磁粉，晶粒尺寸约为20-50nm，是典型的纳米微晶稀土永磁材料。CompanyLogo稀土永磁材料的产业链分析CompanyLogo5.3软磁材料5.3.1软磁材料简况（1）定义：软磁材料主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料。（2）特点：矫顽力Hc低（低于102A/m），相对磁导系数μr大，一般在103~105，每周期磁滞损耗小。CompanyLogo（3）分类及用途：①软磁合金用作各种电磁铁的极头、磁导体、磁屏蔽、电机的定子和转子、变压器及继电器的铁芯。②软磁铁氧体一般要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗，适合用于高频范围内工作的各种软磁元件。CompanyLogo5.3.2纯铁和铁合金铁是最早应用的一种经典的软磁材料，直到今天还在一些特殊场合用到。工业纯铁为：w(c）低于0.04％的Fe-C合金，包括：电磁纯铁，电解铁，羰基铁工业纯铁Bs达2.15T，资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。CompanyLogo5.3.2纯铁和铁合金早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁心，是工业上应用最早的软磁材料。工业纯铁起始导磁率一般为300-500μ0，最大导磁率6000-12000μ0，

Hc在40-95A/m之间。CompanyLogo硅钢CompanyLogo硅钢的分类CompanyLogo取向硅钢工艺流程CompanyLogoCompanyLogo取向硅钢的应用CompanyLogo取向硅钢的应用CompanyLogo产量最大的功能材料5.3.2纯铁和铁合金硅钢片是铁硅的合金，含硅0.8％-4.5%，硫小于1%，其电阻率高，磁导率高，矫顽力低，铁损小，磁性能稳定，硅钢片不能在高频磁场下工作，只能用于工频和音频，常用于电源变压器和音频变压器等的铁心。CompanyLogo硅钢为什么适用于变压器铁芯？CompanyLogo硅钢为什么适用于变压器铁芯？CompanyLogo硅钢产业链分析取向硅钢需求驱动因素CompanyLogo取向硅钢市场分析CompanyLogo取向硅钢面临着替代者威胁CompanyLogo取向硅钢面临着替代者威胁CompanyLogo全球取向硅钢主要企业CompanyLogo取向硅钢重点发展方向CompanyLogo5.3.3铁-镍合金（坡莫合金）铁镍合金又称坡莫合金，属于精密软磁合金，在弱磁场和中磁场下具有极高的磁导率和很低的矫顽力，并具有较好的防锈性能和良好的加工性能。EI冲压叠片坡莫合金铁芯

CompanyLogo5.3.3铁-镍合金（坡莫合金）铁镍合金的软磁性能比电工钢要优越得多。在低磁场中，具有高磁导率、低饱和磁感应强度、低的矫顽力和低损耗，而且加工成形性能好，可轧制成极薄带。坡莫合金互感器磁环

环形带绕坡莫合金铁芯

CompanyLogo5.3.4铁钴合金纯铁中加人钴后，Bs明显提高。w(Co）低于75％的铁钴合金的B，均大于纯铁。w(Co)为35％的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。CompanyLogo5.3.4铁钴合金工业生产中实际应用的铁钴合金主要有Fe64Co35V1、Fe64Co35Crl和(Fe50Co50)98.7V1.3。铁钴合金的Bs高，在较强磁场下具有高的磁导率，适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备。由于铁钴合金的电阻率偏低，因而不适于高频场合的应用。合金中含有大量稀贵金属元素钴，价格昂贵。CompanyLogo非晶态软磁合金带材是60年代问世的一种高新技术材料，其制备工艺采用速度为每秒近一百万度的快速冷凝技术，将熔融合金钢水急速冷却成厚度约25-30微米的合金带材，其微观结构完全不同于传统的金属合金材料。具有优异的磁性能（电阻率高、损耗小）；硬度高、韧性好，耐高温耐腐蚀；机电耦合系数、热传导性好；是一种绿色、环保、高效、节能的功能材料。

5.3.5非晶态软磁合金CompanyLogo非晶态合金由于不存在晶界，不存在晶体中位错那样的缺陷，因此有高强度和耐蚀的特点，其软磁性能对应力不敏感，比晶态软磁材料好得多。由于非晶态合金不存在晶体结结构，因而不存在磁晶各向异性。以上这些特点，都说明非晶态合金适合制作软磁材