15第十五讲-磁性材料

第五章磁性材料磁性材料——既古老又年青的学科

——磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料，是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、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。§5.1磁学基础知识磁矩是表征磁体本质的物理量。一、物质的磁性磁矩：在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩JF

：JF=μm×B

磁矩越大，磁性越强。

原子的磁矩

原子核磁矩：约为电子磁矩1/2000

电子磁矩

电子轨道磁矩

电子自旋磁矩

1、电子磁矩（1）电子轨道磁矩按照波尔的原子轨道理论，原子内的电子是围绕原子核在一定的轨道上运动的。设质量为m的电子绕原子核以匀速v、作半径为r的圆周轨道运动，产生的轨道角动量PL为：式中，w为电子运动的角速度。电子沿轨道运动，相当于电量为–q

的圆电流，当电子每秒转数为n时，电流强度I=-nq，圆电流面积为根据电磁理论，此电子的圆周运动所产生的磁矩为可得常数-q/2m称为电子轨道运动的旋磁比，即电子轨道磁矩μL与轨道角动量PL的比值，负号说明PL的方向和μL的方向相反。根据量子力学原理，原子处于一系列不连续的能量状态，沿不同形状轨道运动的电子，角动量不同，轨道的形状是量子化的，则电子的轨道角动量也满足量子化条件，即式中l为决定轨道角动量的量子数，h为普朗克常数。有波尔磁子电子轨道运动产生的磁矩只能以玻尔磁子为基本单位来改变数值，波尔磁子是理论上最小可能的磁矩。（2）电子自旋磁矩电子除轨道运动以外，还具有自旋运动。电子的磁矩除轨道磁矩外，还包括电子的自旋磁矩。自旋运动电子围绕自己的中心轴旋转根据量子力学，电子自旋磁矩的大小为：电子的自旋磁矩大小为一定值。但电子自旋磁矩沿外磁场的分量是量子化的，有两个数值(自旋相反两个方向)，其大小为一般磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩要大，在晶体中，电子轨道磁矩受晶格场的作用，其方向是不断变化的，不能形成一个联合磁矩。固态物质的磁性，主要来源于电子的自旋磁矩。电子自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立起磁性的根源。2、物质的原子结构与磁性原子核外电子排布规律：两条准则：泡利不相容原理和能量最低原理泡利不相容原理：原子中不能有两个电子处于同一状态；能量最低原理：不违背泡利原理的条件下，电子趋向于占有最低能级，使原子的能量最低而处于稳定状态。电子状态：4个量子数n，l，ml，ms对于原子中的每一个电子，都有唯一一组四个量子数以确定其能量状态。以Fe为例，铁原子有26个电子，它们在各壳层的填充方式为：1s2、2s2、2p6、3s2、3p6、3d6、4s2，其中未填满的次壳层是3d层。d层共有5个不同方向的轨道，每个轨道可容纳两个自旋相反的电子，所以d层可填充10个电子，现在只填充了6个电子，电子分布应该是铁原子存在未抵消的自旋磁矩，是Fe原子磁性的主要来源。原子结构和磁性的关系：1、物质的磁性来源于电子的自旋和轨道运动；2、原子内电子轨道具有未填满的电子是物质具有磁性的必要条件；3、电子的“交换作用”是物质具有磁性的重要条件。二、磁学基本量磁化强度M磁场强度H磁化率

磁感应强度B磁偶极矩pm、磁矩m磁通量

磁导率μ三、物质按磁性的分类物质按磁化率的大小以及在磁场中的行为可以分为五类，即抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质、亚铁磁性物质。1、抗磁性物质

＜0，M与H方向相反；磁化率

很小，-10-5

～-10-6

，且不随温度变化。有些材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M和H的方向相反，这种磁性称为抗磁性。常见的抗磁性物质有：1、惰性气体；2、不含过渡族元素的离子晶体，如NaCl、KBr等；3、不含过渡族元素的共价键化合物（如CO2等）和所有有机化合物；4、某些金属，如Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Hg、Pb等；5、某些非金属，如Si、P、S等。2、顺磁性物质

＞0，M与H方向相同；磁化率

在

10-5～10-3。其特征是组成这些物质的原子具有固有的总磁矩

。有些材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M和H的方向相同，这种磁性称为顺磁性。H=0H≠0当H=0时，由于热动能的原因，原子磁矩混乱取向，对外不显示宏观磁性。当H

增大时，磁化强度才开始产生并逐渐增大。第一类服从居里定律：式中，C

为居里常数，T

为热力学温度。第二类服从居里-外斯定律：式中，Tp

为临界温度，称为顺磁居里温度。顺磁物质的磁化率

随温度的变化有两种类型：TP

T(K)

顺磁性物质主要有：1、某些过渡族元素的金属或合金以及含有过渡族元素的化合物，如La、Pr、MnAl、AuMn3、FeCl3、Gd2O3、PrCl3等，这些物质属强顺磁性；2、顺磁金属，除Be以外的碱金属和碱土金属均属于弱顺磁性；3、顺磁盐，如CuSO4·5H2O、Fe2(SO4)3·8H2O等；4、在居里温度（Tc）以上的铁磁元素，如Fe、Ni、Co等。3、铁磁性物质某些材料在一定的温度以下，只要很小的外加磁场作用就能被磁化到饱和，磁化强度M与磁场强度H

之间的关系是非线性的复杂函数关系，反复磁化时出现磁滞现象，这种磁性称为铁磁性。

＞＞0，磁化率

可达104数量级。自发磁化：铁磁体的原子磁矩在不加外磁场时，由于一种自身力量的作用而互相平行排列，呈饱和磁化的状态。磁畴:这种自发磁化不是整体饱和，而是分成许多小区域，在每个小区域内饱和，这种饱和的小区域称为磁畴。铁磁性物质的主要特性：1、很易磁化，在不强的磁场下就可磁化到饱和状态，且相应的饱和磁化强度很高；2、铁磁性物质的磁化强度和外磁场不呈线性关系，当反复磁化时，M和H的关系是一闭合曲线，称磁滞回线；3、铁磁性物质的磁性与温度有关。基于铁磁性物质的上述各特点，外斯在20世纪初提出了他的理论假设：假设一：铁磁物质存在自发磁化强度，整个铁磁物质的磁化强度就是各个区域的自发磁化强度的矢量和。没有外场时，各个区域的自发磁化强度的矢量取向是混乱的，其矢量和一般为零。在外加磁场作用下，各区域的磁化强度矢量就会逐步改变方向而趋于一致，使物质的磁化达到饱和状态。假设二：磁畴内的自发磁化是由于晶体中有很强的内场产生的。铁磁物质中各原子的磁矩在内场的作用下，克服热运动的影响而趋于相互平行取向，因而产生自发磁化。当温度升高，热运动对磁矩平行取向的破坏作用加强，直至温度升到一个临界温度时，内场对磁矩的取向作用完全被破坏，铁磁物质进入顺磁状态。铁磁物质的原子结构特点：（1）原子存在未填满的内电子层（例如3d或4f层），在此层中未相互抵消的电子自旋磁矩产生原子磁矩。（2）原子间距与未满电子层半径之比值要求有一定的大小，这样才能够有足够大的交换力，使物质中原子磁矩同向排列，形成铁磁性。常见的铁磁性金属有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co组成的合金等。4、反铁磁性物质某些材料，当温度达到某个临界值TN以上时，磁化率与温度的关系遵从居里-外斯定律。当T<TN时，磁化率不是继续增大，而是减小，并逐渐趋于定值，因此这类材料的磁化率在温度等于TN时出现极大值，这种磁性称为反铁磁性。TN称为奈尔温度，为反铁磁性物质的反铁磁性与顺磁性的转变点。

＞0，M与H方向相同；磁化率

在10-5～10-3。TN反铁磁性物质原子之间的磁矩不同于铁磁性物质是平行的，而是反平行排列的。这种反方向的磁矩相互抵消，结果使总的磁矩为零。常见的反铁磁性物质有：部分金属如Mn、Cr等；部分铁氧体如ZnFe2O4和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。5、亚铁磁性物质反铁磁性材料中的磁矩相互抵消，如果磁矩虽然反向平行排列，但大小不同，出现未被抵消的净磁矩，其宏观磁性跟铁磁性相同，这类磁性称为亚铁磁性。其磁化率的大小较铁磁性材料稍低一些，约在100~104数量级。常见的亚铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属之间的化合物和一些过渡金属。五类磁体的磁化曲线示意图（a）顺磁性（d）亚铁磁性（c）反铁磁性（b）铁磁性磁性材料的磁矩排列特点四、磁性能与磁畴结构1、原子间的交换作用和交换能原子间的交换作用，指近邻原子的电子相互交换位置所引起的静电作用，由这种交换作用引起能量变化，叫交换能，用Eex表示。若有一对原子i、j，都具有原子磁矩，原子间距离a很小时，交换作用所产生的交换能为：式中，Si、Sj为i、j两个原子中的电子自旋总量子数；φij是两个原子磁矩间的夹角；Aij为表征两原子间交换作用大小的一个常数，称交换积分。1、若两个原子之间的距离很大，未填满的电子壳层基本上无重叠，交换作用基本不存在，这种物质就是顺磁性物质；2、当两个原子距离很小时，交换积分A小于零，为使Eex处于能量最低状态，只有cosφij=-1才行，说明邻近两原子的磁矩是反平行的，这是反铁磁物质Cr和Mn以及亚铁磁物质的情况；3、当A大于零时，能量Eex最低值是φij=0时的值，邻近原子的磁矩相互平行时能量最低，对应于铁磁物质。交换积分随a/r的变化2、磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性磁性材料通常是各向同性的多晶体，但组成多晶体的各个单晶体却并不是各向同性的。由于构成一个晶体的原子在晶体各个方向上的排列情况不同，因而晶体沿不同方向的磁性也各不相同。这种由于晶体结构上的各向异性造成磁性上的各向异性，称为磁晶各向异性。磁晶各向异性能易磁化方向是能量最低的方向磁畴内的磁矩都在易磁化方向上取向磁化时：在易磁化方向上，磁化到饱和所需要的磁化能最小。在非易磁化方向上，需要把许多原来处于能量最低的易磁化方向的磁矩拉到能量较高的方向上去，需要提供较多的能量。单位体积的晶体，在某方向磁化到饱和所需的能量，和在易磁化方向磁化到饱和所需能量之差，称为该方向的磁晶各向异性能，用Ek

表示。3、磁致伸缩磁致伸缩与磁致伸缩系数铁磁物质在磁化时，沿磁化方向发生的伸长或缩短现象称为磁致伸缩。磁性体伸长或缩短的长度△l与原来的长度l之比称为伸缩比，△l通常随磁场强度的增大而增大，最终趋于饱和。各种材料的饱和伸缩比称为磁致伸缩系数几种金属磁性材料的磁致伸缩λs>0的材料，在磁化方向上伸长，在垂直于磁场方向上缩短，称为正磁致伸缩材料。λs<0的材料，在磁化方向上缩短，在垂直于磁场方向上伸长，称为负磁致伸缩材料。磁弹性能外加力和内部产生的应力，都能通过磁致伸缩对磁化产生作用，使磁性材料产生各向异性，相应的能量叫磁应力各向异性能，或磁弹性能，用Eσ表示。外磁场对磁矩的作用，称为外磁场能；铁磁体本身内部的磁矩间相互作用能，称退磁场的退磁能。4、磁场对磁矩的作用5、磁畴结构根据交换原理，铁磁材料中原子磁矩的取向是相互平行的，而且与晶体的最易磁化轴方向一致，以保证交换能Eex、磁晶各向异性能Ek和磁弹性能Eσ为最小。相互平行的原子磁矩形成了较大的退磁场能量改变铁磁材料中自发磁化矢量的分布降低退磁能量磁畴单轴晶体内磁畴形成的原理示意图磁畴的形成可以降低退磁场能分畴并非越多越好，相邻两个磁畴间存在磁畴壁，畴壁的存在增加磁畴壁能量。由退磁场能的降低和畴壁能的增加两者共同决定能量极小值两个相邻磁畴间的分界层称为畴壁片状磁畴封闭磁畴树枝状畴多晶体中的磁畴五、磁性材料的磁化特性1、技术磁化过程磁性材料在未经磁化前，各个磁畴中磁矩的取向是不相同的，材料对外不呈现磁性，即M为零。当磁性材料置于外磁场中，在外加磁场作用下，磁畴通过畴壁的移动和磁矩的转向，将在沿外磁场方向产生一定的磁化强度，使材料呈现出宏观磁性。随着外加磁场的增大，磁化强度也逐渐增加，最终趋于饱和，这一过程称为技术磁化，简称为磁化。两个基本磁化过程磁性材料的初始磁化曲线HMabcdef磁化过程

磁滞回线是当磁场在正负两个相同数值之间变化时，磁感应强度的变化回线。这个回线的大小随磁场的正负最大值而不同。从饱和磁化状态开始的磁滞回线叫基本磁滞回线。磁化曲线和磁滞回线有两种表示法：一种是磁感应强度B对磁场H的曲线。这是工程技术中常用的表示方法；另一种是磁化强度M对磁场H的曲线，这是磁学中常用的表示方法。2、磁滞回线磁滞回线当铁磁物质中不存在磁化场时，H和B均为零，即左图中B~H曲线的坐标原点O。随着磁化场H的增加，B也随之增加，但两者之间不是线性关系。当H增加到一定值时，B不再增加（或增加十分缓慢），该物质的磁化已达到饱和状态。Hs和Bs分别为饱和时的磁场强度和磁感应强度。磁滞回线如果再使H逐渐退到零，则此时B也逐渐减少，然而H和B对应的曲线轨迹并不沿原曲线轨迹aO返回，而是沿bc下降到Br，Br称为剩余磁感应强度。这种磁感应强度B落后于外磁场H变化的现象称为磁滞。磁滞回线加反向磁场，再逐渐增加其强度，直到H=-Hc，使相反方向的磁畴形成并长大，磁畴重新回到无规则状态，B