第九章 材料的磁学性能(8学时)

1、第九章 材料的磁学性能,第一节 基本磁学性能 第二节 抗磁性与顺磁性 第三节 铁磁性与反铁磁性,本章主要对材料磁性的本质、抗磁性、顺磁性以及铁磁性的特点及影响因素进行简要介绍。,-材料性能学-, ,磁性是最早发现一切物质的基本属性之一。 公元前3世纪吕氏春秋记载：“慈石招铁，或引之也”； 司马迁史记记载：黄帝在作战中使用了指南车； 公园11世纪沈括梦溪笔谈记载：磁石南北指向、磁偏角； 公园12世纪初朱或萍洲可谈记载：罗盘的使用。 磁性是磁性材料的一种使用性能。 磁体间的力（吸引或排斥）； 电磁感应； 能量转换、存储或改变能量状态。 磁性状态及磁性强弱与物质结构密切相关。 材料电子结构、原子结构

2、、晶体结构等的研究。,磁铁,电磁铁,指南针,中国古代四大发明之一 -司南,第一节 基本磁学性能,一、材料的磁性,物质的磁性的根源是材料内部电子的循轨和自旋运动，或者说，是电流。 所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。,近代原子论,发现电子,带核原子结构模型,轨道原子结构模型,电子云模型,无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1658左右。 物质磁性的主要根源是电子的运动。,磁矩,磁偶极子的概念是讨论磁性材料的核心问题。磁体的最小

3、基元是小圆形电流（“分子电流”）一个小圆形电流所形成的磁场。因此一个小圆形电流可称作一个磁偶极子。一个电偶极子有它的电矩。一个磁偶极子(小圆形电流)有它的磁矩。,任何一个封闭的电流都具有磁矩m。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IS ：,在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J,磁矩在磁场中所受的力,所以，磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。,1) 轨道磁矩：由电子循轨运动产生的磁矩，以ml表示，ml为矢量，它垂直于电子运动的轨道平面，其大小为,式中:l为轨道角量子数，可取0，1，

4、2， 3,，( n-1)，分别代表s, p, d, f层的电子态，mB为玻尔磁子，mB=9.2710-24 Am2，是磁矩的最小单元。,2)自旋磁矩：电子自旋运动产生的磁矩，以ms表示，其方向平行于自旋轴，其大小为,式中:Si为自旋量子数，其值为1/2。,运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。,3) 原子的磁矩 由原子的结构决定 原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零 原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩 只有原子中存在未被排满的电子层时，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原子的固有磁矩 如原子序数为26的Fe原子，电子层分布为, 未抵消自旋数：4,根据洪特法则，电子在

5、3d层中应尽可能填充到不同轨道，并且它们的自旋尽量在同方向上(平行自旋)。因此，铁原子3d次电子层中，5个轨道中有4个只有1个电子，而且这些电子的自旋方向平行，因此铁原子的固有磁矩是4个电子磁矩的总和。,4)分子磁矩 当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。,一个分子中的电子的轨道运动产生的轨道磁矩和电子自旋产生的自旋磁矩的总和就构成分子的分子磁矩。,二、材料的磁化,磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用会改变磁场的强度，即都呈现出一定的磁性的现象。,线圈法 coil,支杆法/触头法 prods,磁化方法,磁介质：能被磁场磁化的物质。,磁场强度的单位

6、是A/m(安/米).,磁化强度M：,磁化强度的单位是A/m(安/米)。mi为原子固有磁矩。,磁场强度H：当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化 时，会产生一个附加磁场H，此时总磁场强度 Ht为两部分的矢量和,磁化强度表征磁介质本身的磁化程度。在外磁场的作用下，在磁介质内任取一个体积单元，要求这个体积单元在微观上要足够大，即包含足够数量的磁偶极子，但在宏观上要足够小，即能表征该处的磁化强度。磁化强度的物理意义：单位体积的磁矩。,当物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度 Ht=H+M，根据Ht=H+H，得到：,磁化强度不仅与外加磁场有关，还与物质本身的磁化特性有关。 磁化率：表征物质

7、本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、可负。,磁感应强度B(磁通密度)：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数，单位为T(特斯拉)，它与磁场强度H的关系是：,式中:0为真空磁导率，它等于410-7H/m(享/米)，r为相对磁导率； 为磁导率或导磁系数，单位与0相同，反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率。,磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 在国际单位制（SI）中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）。在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯(Gs )，1T=10KGs等于10的四次方高斯。由于历史的原因，与电场强度E对应的描述磁场的基本物理

8、量被称为磁感应强度B，而另一辅助量却被称为磁场强度H，名实不符，容易混淆。通常所谓磁场，均指的是B。,尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，1856年1943年），1856年7月10日出生，是世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师。塞尔维亚血统的他出生在克罗地亚（后并入奥地利帝国）。特斯拉被认为是历史上一位重要的发明家。他在19世纪末和20世纪初对电和磁性做出了杰出贡献。他的专利和理论工作形式依据现代交变电流电力（AC）的系统，包括多相电力分配系统和AC马达，帮助了他带起第二次工业革命。,磁导率,在电磁学中，磁导率是一种材料对一个外加磁场线性反应的磁化程度。磁导率通常用希腊字母来

9、表示。 在国际单位制单位中，磁导率的单位是亨利每米（H/m），或牛顿每安培的平方（N/A2）。常数值0为磁场常数或真空磁导率，并有明确定义值 = 4107 N/A2。 相对磁导率，有时候被定义为符号r，是特殊介质的磁导率和真空磁导率0的比值： r=/0 以相对磁导率的形式，磁化率为： m=r-1 m，一个无量纲的量，有时候被称为容积或大小系数，为了使其和p (magnetic mass或特性 系数）和M（molar或molar mass系数）区分开。,一个好的磁芯必须有高的磁导率。 合金是一种镍-铁合金（75%镍，15%铁，外加铜和钼），并有非常高的磁导率。 磁导率最高的材料是钴基非晶态磁性合

10、金，其高频退火磁导率为1,000,000（直流磁导率最大值（）。氢退火的（纯铁-N5级）可达到160,000（）的磁导率，但相对很昂贵。,新材料,渗透能是一种有待 开发利用的新型可再生 能源，河流淡水和与海 洋咸水之间有一定的盐 浓度差，因此当两者在河流入海口相汇时，淡水与海水间会存在渗透压。渗透能发电机的工作原理就是在淡水和咸水之间安装半透膜，利用渗透作用对半透膜施加的压力推动涡轮转动发电。然而，根据当前技术，每平方米半透膜的发电功率仅有瓦，尚不能投入广泛使用中。 法国国家科研中心研究人员设计出一种全新的实验装置，它由一层绝缘的防水膜和一支外部直径为几十纳米的硼氮纳米管组成。研究人员让纳米管

11、穿过薄膜，并在纳米管两端插上电极。研究人员将淡水和咸水置于薄膜两侧，测出穿过纳米管的电流强度比当前其他技术效率高倍。研究人员认为，这是因为硼氮纳米管表面附有大量负电荷，能够吸引咸水中的阳离子。,硼氮纳米管薄膜可以让渗透能高效转化为电能,微 观 之 美,掺杂了锌的氧化锡材料表面,氧化锌纳米线附着在聚合物微型球粒上,二氧化钛纳米管层在被暴露于氧化腐蚀溶液之后的效果,高压下锆钛酸铅铁电材料电场的变化,纳米材料,习题,1.试说明磁化强度与附加磁场强度的一致性。,第二节 抗磁性与顺磁性,根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类： 抗磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反， 0，

12、使磁场略有增强的材料； 铁磁性材料：材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的， 0，使磁场强烈增加的材料。,抗磁、顺磁和铁磁物质的磁化曲线,分类按磁化率的大小和方向：抗磁性材料、顺磁性材料、铁磁性材料(铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性) 抗磁性材料 当磁化强度M为负时，介质表现为抗磁性。抗磁性物质的磁化率一般为-10-5。这种物质的原子或离子的电子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等，不产生磁矩。周期表在中前18个元素主要表现为抗磁性，并且在磁性陶瓷材料中，构成了几乎所有的阴离子，如O2-，F-，CL-，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。,顺磁性材

13、料 在具有未成对电子的原子、分子或离子中，由于存在未成对电子的轨道运动和自旋运动而具有磁矩，这种性质称为顺磁性，具有顺磁性的物质称为顺磁体。 顺磁体的主要特征是：不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。 顺磁体宏观无磁性，在外磁场作用下，磁矩可以规则取向，物质显示极弱的磁性。顺磁体的磁化强度为正，且M严格与外磁场H成正比。 顺磁体的磁化率小，一般为10-5。含有奇数个电子的原子或电子未填满壳层的原子或离子，如过渡族元素、稀土元素及铝铂等金属，都属于顺磁性物质。,铁磁性材料 即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种性质称为铁磁性，具有铁磁性的物质称为铁磁体。 铁磁体在室温下磁化率可达1

14、03数量级，属于强磁性物质，如铁、钴、镍等。 即使在较弱的磁场内，铁磁体也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。,反铁磁性材料 磁矩的排列并不只在一个方向发生，如果在一个晶面上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完全相反，这种物质称为反铁磁体。 在反铁磁体中，由于磁矩相互抵消，所以不产生自发磁化，也不产生吸引力。 在反铁磁体的磁矩排列中，如磁矩的大小不相同没有完全抵消时，磁矩不为零，这种物质称为亚铁磁性，即通常所说的磁铁矿、铁氧体等。,一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质,1.抗磁性,形成抗磁磁矩m的示意图,材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩

15、,电子循轨运动所产生的轨道磁矩为,电子作循轨运动时受到的向心力Fc,受到垂直于轨道平面的磁场作用所产生的附加向心力Fc,无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩m都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。,一个电子在外加磁场H的作用下，产生的的抗磁矩为,式中，负号表示ml与H的方向相反;分母me为电子质量,一个原子常有z个电子，每个电子都要产生抗磁矩，由于电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩为,式中:ri为电子运动的轨道半径在垂直于磁场方向平面上的投影,任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性.,因抗磁性而导致磁悬浮的热解碳,2顺磁性,顺磁性物质主要源于原子内部存在永久(固有)磁矩。 在没有

16、外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态，宏观上 无磁性；当施加一定的弱外加磁场，由于磁矩与磁场的相 互作用，磁矩具有较高的静磁能，产生磁化；随着磁场增 强磁化不断增强，使原子磁矩与外加磁场方向一致。,顺磁磁化过程示意图 (a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场,静磁能：原子磁矩与外加磁场的相互作用能,为了降低静磁能，磁矩必将改变与磁场之间的夹角，于是便产生了磁化,室温下的磁化率约为10-6数量级.,铁磁性 即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列。 反铁磁性 磁矩的排列并不只在一个方向发生，如果在一个晶面上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完全相反。 亚铁磁性 在反铁磁体的磁矩排列中，如

17、磁矩的大小不相同没有完全抵消时，磁矩不为零。,二、影响材料抗磁性与顺磁性的因素,1.原子结构的影响,在外磁场作用下 电子的循轨运动要产生抗磁矩； 离子的固有磁矩产生顺磁矩，固有磁矩来自于未相互抵销的自旋磁矩； 自由电子的主要贡献是顺磁性。,惰性气体：抗磁性（原子磁矩为零） 非金属：除氧气、石墨外，都是抗磁性（虽然原子具有磁矩，但形成分子时，由于共价键的作用，外层电子被填满，分子不具有磁矩）,顺磁性是一种弱磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。 氧与臭氧分子是具有顺磁性的单质分子，O2分子中存在两个三电子派键，导致了其顺磁性。 常见的非金

18、属顺磁物质有氧气、臭氧、一氧化氮、含掺杂原子的半导体掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)、由幅照产生位错和缺陷的物质等。,O3的结构,元素周期表,碱金属 碱金属的电子层由惰性气体电子层加上一个s电子组成。按照洪特定则它们在基态下有磁矩，这个磁矩提供很强的磁化率，因此碱金属是顺磁性的。,金属：复杂，与在周期表中所处的位置相关,碱土金属(Be除外) 碱土金属有两个s电子，因此其电子层饱和，但是它们属于金属，因此拥有自由电子。除铍外其自由电子导致的顺磁性强于抗磁性，因此它们均是弱顺磁性物质。,稀土金属 稀土金属是制造磁铁时最重要的合金物质，原因是稀土金属不饱和的电子层不是最外部的电子层，而是内部的电子

19、层（f层），因此它们对于原子的化学性能没有影响。几乎所有的稀土金属是顺磁性的，但是其磁化率不同。通过它们合金可以成为非常强的磁铁。 金属Cu、Ag、Au、Cd、Hg 这类金属的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，表现为抗磁性。 Ti、V、Cr、Mn的过渡元素 Ti 3d24s2 ; V 3d34s2; Cr 3d54s1; Mn 3d54s2 3d层未被填满，自旋磁矩未被抵消，因而产生强烈的顺磁性。,顺磁性物质及结构条件, 具有奇数个电子的原子（碱金属）, 内壳层未被填满的原子或离子（过渡族金属、稀土金属）,2.温度的影响,抗磁性：温度对抗磁性一般影响不大，只有在相变温度（熔化、凝固、同素

20、异构转变）影响抗磁磁化率； 顺磁性：影响很大。,可以说，顺磁物质的磁化是磁场克服原子和分子热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果,居里定律,C T,部分顺磁性物质能准确的符合这个定律。 而相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元素， 实际上是不适用的。,居里-外斯定律,式中：C是常数，对于某一种物质来说也是常数，对不同的物质其值可大于0或小于0。,对于大多数固态金属，特别是过渡族金属，在一定的温度范围内，它们的磁化率和温度的关系服从居里-外斯定律。,对铁磁性物质来说，居里点以上是顺磁性的，磁化率大致符合居里-外斯定律。此时的为-C。当温度升高到特定温度（居里温度C）后，转变为顺磁性。,居

21、里点(the Curie temperature)也称居里温度或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。,3.相变及组织转变的影响,当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。,具有正方点阵结构的白锡转变为具有金刚石结构的

22、灰锡，即由顺磁转变为抗磁。转变后锡在很大程度上已经失去金属固有的特性，这与转变后原子间距增大，结合电子增加而自由电子的数量变少有关。,a=0.5832nm，c=0.3181nm,a=0.6489nm,13.2,白锡,灰锡,铁在居里点以上呈顺磁状态。当温度达到910和1401时，铁要分别发生和的同素异构转变。在此温度下铁的磁化率将发生跃变。,铁在高温时顺磁磁化率的转变,加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使铜和锌的抗磁性变弱。当高度加工硬化时，铜可以由抗磁金属变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。,4.合金成分与组织的影响,合

23、金由不同元素和形式组成时对磁性会有很大的影响，形成固溶体合金时磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化。通常，由弱磁化率的Cu,Ag,Al,Mg两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化。,若强顺磁性过渡族金属溶于Cu、Ag或Au中，合金磁化率的变化比较复杂。如Cu-Pd和Ag-Pd两种合金，当含pd低于30时，由于钯的d层被传导电子填满，离子的固有磁矩变为零。因此随着钯含量的增多，导致合金的抗磁磁化率减小。,Cu-Pd、Ag-Pd固溶体合金的磁化率,合金形成中间相(金属化合物)时，其磁化率将发生突变。中间相结构中由于自由电子数减少，几乎无固有原子磁矩，所以中间相的抗磁性

24、很高。,Cu-Zn合金的磁化率,形成中间相时，由于生成了化学键和共价键，从而影响了自由电子的顺磁性，于是简单金属正离子的抗磁性便充分地显示出来，使合金的抗磁性增强，并在磁化率和成分的关系曲线上出现极值。例如，Cu-Zn合金中出现电子化合物相Cu3Zn5时，合金的抗磁磁化率达到最大值。从图中曲线可以看到，由于液态合金仍保留着部分化学键的作用，所以对应于相成分的合金液态时的抗磁磁化率也比较大。,磁化率随合金成分变化规律,当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。,三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用,1. 用磁称法测量磁化率,磁称结构原理示意图 a）磁秤结构 b）磁场梯度分布

25、1-分析天平2-试样3-电磁铁4-电加荷系统,由于抗磁与顺磁磁化率很小，需要采用较灵敏的测量方法。抗磁与顺磁磁化率的测量通常采用磁称法；磁称亦称磁天平。,测量时，将试样2置于磁极的间隙中，当试样磁化后，沿z方向受到一个力Fz：,顺磁，产生拉力，则F向下； 抗磁，产生压力，则F向上。,为样品的磁化率；V为样品的体积；H为磁场强度； dH/dz为样品处沿z方向的磁场梯度，由磁分布曲线求出的斜率,测量未知磁化率: 可以用已知值的金属对仪器进行相对标定来确定磁导率。例如，金属的磁化率1为已知，测量时达到平衡状态线圈所需通过的电流为i1，待测金属的磁化率为2，测量时达到平衡态的电流为i2，则：,磁秤测量

26、法的优缺点：优点是测量简便，但不够准确。磁秤的用途很广，可用于测量抗磁和顺磁的磁化率，也可以用于测量铁磁性。如配备加热和冷却装置，还可用于研究金属的组织转变和进行相分析，是磁性分析的有力工具。近年来，由于电子技术的发展自动磁秤用得愈来愈多，它能提高测量的稳定性和精确度。,2. 抗磁与顺磁分析的应用,(1)确定合金相图中的最大溶解度曲线,原理：单相固溶体的顺磁性与两相混合组织的顺磁性不同，且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律。,合金的磁化率取决于其成分、组织和结构状态。从磁化率变化的特点可以分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。这种分析在测定铝合金的固溶度曲线和研究铝

27、合金的时效等问题中应用取得了良好的结果。,直线b是退火试样测得的结果，它所对应的组织是 以铝为基的固溶体和CuAl2相的混合物，随着铜含 量的增多，CuAl2相的数量随之增多。曲线bf所对应的组织是铜与铝所组成的单相固溶体。据计算，在合金固溶体中一个铜原子可影响1415个铝原子的顺磁性。因此，与两相混合物相比，它的磁化率随着含铜量的增加，迅速地降低。,Al-Cu合金的磁化系数与 成分和淬火温度的关系,(2)研究铝合金的分解,对于顺磁性合金，可以通过磁化曲线的改变研究其分解的情况。,这个方法适于用来研究铝合金时效不同阶段的情况，对于研究奥氏体钢与铸铁也较多，可以测出奥氏体钢中的微量铁素体。,由于

28、淬火状态铜和铝形成了过饱和固溶 体，铜的抗磁作用对铝的顺磁影响较大 ，使合金的顺磁磁化率显著降低。退火 状态的合金中，有94%的铜以CuAl2相的 形式存在，组织不变，因此铜对铝的顺 磁性影响较小 ，只是受到温度的影响。 当温度达到500，淬火与退火试样的曲线重合，表明过饱和固溶体分解完成，得到稳定的平衡组织。,测定磁化率还可以用于研究材料有序无序转变、同素异构转变与确定再结晶温度等。,Al-Cu合金淬火与退火状态 磁化率与温度的关系,第三节 铁磁性与反铁磁性,一、铁磁材料的原子组态和原子磁矩,铁、钴、镍原子的外层电子填充规律,自然界中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源于原子未被抵消的自旋

29、磁矩和自发磁化,金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同向排列，亦即产生自发磁化。,3d层未被电子填满存在剩余的自旋磁矩,二、自发磁化,自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化。,自发磁化产生的原因：金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的。当两个原子相接近时，它们的3d层和4s层的电子可以相互交换位置，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。,交换能：因交换作用所产生的附加能量,式中：A为交换能积分常数； S1与S2 分别是两个电子的自旋动量矩矢量；是两个自旋动量矩夹角，S是S1与S2的模，因S1与S2是同类电子，模相等。,交换能常数A与a/r之

30、间的关系,交换能的正负取决于交换能积分常数A的值，常数A与a/r之间的关系见图。 a是原子间距，r是未填满壳层的原子半径。,当a/r 3时，A0； 当a /r3时，A0。,在A 0的情况下，当=0，cos =1时，Eex为最低值。,在A0的情况下，则=、cos =-1时， Eex才等于最低的负值，即自旋磁矩反向排列时能量最低。,即只有当自旋磁矩同向排列时才能量最低。,原子内层电子交互作用积分常数A0，使彼此的自旋磁矩同向排列形成自发磁化。 铁、钴、镍因其交换积分A具有较大的正值，因此有较强的自发磁化倾向。除这几种元素以外，还有一些稀土元素虽然也具有自发磁化倾向，但其A值很小，相邻原子间的自旋磁

31、矩同向排列作用很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，即它们的居里点很低，所以在常温下呈现为顺磁性。,三、磁各向异性与磁致伸缩,磁各向异性：铁磁物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同。,磁致伸缩效应：铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象。,磁致伸缩系数,式中:l为铁磁体的原始长度，l为沿磁化方向长度的变化,正磁致伸缩：表示沿磁化方向上的尺寸伸长，如铁; 反磁致伸缩：表示沿磁化方向上的尺寸缩短，如镍。,铁磁性物质在磁化时具有两个重要特征： 磁各向异性和磁致伸缩效应,饱和磁致伸缩系数s：随着外磁场强度的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时也随之增大，当磁化强度达到饱和值Ms时， =

32、 s ，称为饱和磁致伸缩系数。 对于一定的材料， s是一个常数。 对 s0的材料进行磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，则有利于磁化，而加压应力则阻碍其磁化;；对 s0的材料，则情况相反。 也是一个具有各向异性的物理量，如单晶铁和单晶镍沿不同晶向磁化时，其值不同。,四、磁畴结构,磁畴：在铁磁体内部自发磁化方向相同小区域。,单晶体磁畴结构示意图,磁畴的形成 在交换作用下，磁化趋向平行排列，这应使能量最低。但这时退磁能最大，体系的能量很高； 为降低能量，铁磁体必将进一步划分； 封闭式磁畴结构需要由较小的磁畴构成，磁弹性能（磁致伸缩能）才可能更低，但磁畴越小，磁畴壁面积越大，磁各向异性能和磁弹性能越高。

33、,退磁能:由于铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相反， 从而使铁磁体的磁性减弱。,.交换能使铁磁物质中的磁矩同向排列形成一个磁畴， 产生磁极，造成很大的退磁能。,.若晶体分为两个反向磁化区（磁畴），使退磁能 大大降低。在这两个相反磁畴之间形成一个过渡 层，即磁畴壁。畴壁内自旋磁矩的方向从一个磁 畴逐渐过渡到另一个磁畴。,磁畴壁示意图,磁畴壁：畴壁内自旋磁矩的方向从一个磁畴逐渐 过渡到另一个磁畴，引起磁各向异性能。,.当形成封闭磁畴时，可使退磁能降为零，出现了 上下两个三角形的闭合磁畴。由于磁各向异性作 用，沿易磁化方向的磁畴较长，不易磁化方向的 磁畴较短。闭合磁畴使退磁能降为零，且由于闭 合磁畴与

34、基本磁畴的磁化方向不同，引起磁致伸 缩不同，产生磁致伸缩能。,. 磁致伸缩能不仅与磁畴方向有关，而且与磁畴的 尺寸有关，尺寸越大，磁致伸缩引起的尺寸变化 就越不容易相互补偿，磁致伸缩能就越高。因此 封闭式磁畴结构需要有较小的磁畴构成，其磁致 伸缩能才可能更低。,总能=交换能+退磁能磁弹性能磁各向异性能,在没有外磁场时，通常磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，大小约为10-6 mm3，磁化矢量指向易磁化方向。在多晶体中，一个晶粒内可有数个磁畴。在磁场的作用下磁畴的大小和方向都可能发生变化。,五、磁化曲线与磁滞回线,1. 磁化曲线,磁化曲线 磁性物质因磁化产生的磁场是不会无限制增加的，当外磁场(

35、或激励磁场的电流)增大到一定程度时，全部磁畴都会转向与外场方向一致。这时的磁化强度将达到饱和值。,铁磁合金的磁化曲线,磁化曲线可分为： 在微弱磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H 的增大而缓慢上升，M与H之间近似直线关系，且磁化可逆。 随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增 加，磁导率增长快，出现极大值m，磁化不可逆。 H进一步增大，B和M增大趋势逐渐变缓，磁化愈加困难，磁 化强度趋于饱和Ms，磁感应强度B继续增加。,2. 磁滞回线：磁化一周得到一个B-H闭合回线,铁磁合金的磁滞回线,剩磁现象：试样沿Oab磁化到饱和磁化状态后，撤走外磁场 强度，试样磁感应强度不等于

36、零的现象。 剩余磁感应强度Br：去掉外加磁场后的磁感应强度。,铁磁合金的磁滞回线,矫顽力Hc：为去掉剩磁所需的临界外磁场强度。,磁滞效应：磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化的现象。 是铁磁材料的重要特性之一。,磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗， 称为磁滞损耗,退磁曲线上的有关物理量,退磁曲线：用一个单调变化的磁场从饱和状态退磁的情形。 磁滞回线中第二象限部分。它是磁性材料重要的特性曲线， 因为由退磁曲线上确定的一些技术磁性参量是永磁合金不 同应用的重要表征。 （剩余磁通密度、剩磁比、矫顽场强度、矫顽力 、磁能积）,BH积(磁能积) ：在永磁体(永磁合金磁化后保持剩磁的磁体)

37、 的退磁曲线的任意点上磁通密度B与对应的磁场强度H的乘积。 它是表征永磁合金单位体积对外产生的磁场中总储存能量的 一个参数，单位为kJm。 最大磁能积(BH)m=BdHd 隆起度(凸出系数)= (BH)m/BrHc。被用来描述退磁曲线的形 状。但是对于高矫顽力材料，上述定义很不实用，例如对于矫 顽力HCB=Br/0的永磁合金，其凸度因子可能的最大值为0.25。 因此接近1并不能表示退磁曲线具有理想形状。 回复系数tan=B/H,软磁材料 磁滞回线瘦小，具有高导磁与低Hc等特性。如工业纯铁、硅钢、铁镍、铁钴合金、磁性陶瓷。通常用作电磁铁、变压器铁心。,软磁材料的特性 居里温度Tc 对于所有的磁性

38、材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc ，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。,软磁铁氧体材料 软磁铁氧体是目前各种铁氧体中品种最多、应用最广泛的一种磁性材料。 工业生产的软磁铁氧体材料按晶体结构分主要有两大类：即属于立方尖晶石结构的Mn-Zn、Ni-Zn系铁氧体和平面型六角晶系的铁氧体。 尖晶石结构软磁铁氧体:尖晶石结构通式为AB2O4，其中A为Mn2+、Co2+、Ni2+、Zn2+、Cu2+、Mg2+、Cd2+、Fe2+等，B为Fe3+。 主要有：锰锌（

39、MnZn）、镍锌（NiZn）和镁锰锌（MgMnZn）铁氧体。,尖晶石晶胞结构,A位金属离子,B位金属离子,O2-离子,单位晶胞中有8个MeFe2 O4分子，可分为八个小立方分区,8个MeFe2O4分子中，共含32个O2-， 16个Fe3+， 8个Me2+。,（Me2+）,（Fe3+）,软磁铁氧体材料 平面型六角晶体结构的软磁铁氧体 其易磁化方向垂直于六角结构C轴的平面，故将其称之为平面型六角结构铁氧体。 比尖晶石软磁铁氧体的自然共振频率高很多，因此在高于300MHz的甚高频段使用时，具有比镍锌铁氧体更好的软磁特性。 主要材料为Co2Z、Mg2Y。 Co2Z型软磁铁氧体材料化学式为Ba3Co2F

40、e24O41，适用于1001000MHz频段，且在1000MHz频段以下使用时，其磁导率基本不发生变化。,Co2Z型软磁铁氧体的晶体结构,离子取代对Co2Z磁性能的影响,硬磁材料（永磁材料） 磁滞回线肥大，具有高的Hc、Br与(BH)m等特性。如铁氧体、铝镍钴、稀土钴、稀土-铁。Nd-Fe-B。主要用作录音器，拾音器、扬声器，各种仪表的磁芯等。,永磁材料是指具有强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料。 主要参数有剩余磁感应强度Br、矫顽强力Hc和最大磁能积(BH)max，三者愈高，硬磁性材料性能越好。 硬磁铁氧体的化学式为MO-6Fe2O3 (M=Ba2+、Sr2+），具有六方晶系磁性

41、亚铅酸盐型结构，如钡铁氧体BaFe12O19、锶铁氧体SrFe12O19和 铅铁氧体PbFe12O19。 它们具有剩余磁通量小、矫顽力大、电阻率大、密度小、重量轻、温度系数大、制造工艺简单等特点，其性能见表7-2。 硬磁铁氧体主要用于磁路系统中作永磁材料，以生产稳恒磁场，如用作扬声器、助听器、录音磁头等各种电声器件及各种电子仪表控制器件，以及微型电机的磁芯等。,永磁材料结构特征 具有单轴各向异性结构（六方、四方或菱方等）。 硬磁铁氧体的化学式为MO-6Fe2O3 (M=Ba2+、Sr2+），具有六方晶系磁性亚铅酸盐型结构，如钡铁氧体BaFe12O19、锶铁氧体SrFe12O19和 铅铁氧体Pb

42、Fe12O19。 它们具有剩余磁通量小、矫顽力大、电阻率大、密度小、重量轻、温度系数大、制造工艺简单等特点。,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 ）。,稀土永磁材料,稀土永磁材料 稀土族元素的结构和磁性 结构主要指原子序数为57镧(La)至71镥(Lu)的15个元素，加上性质类似的钇(Y)和钪(Sc)；晶体结构大都为密排

43、六方结构。 磁性 钆Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁矩的取向随温度而变。 钆Gd以前的轻稀土铈(Ce)、钕(Nd)、钐(Sm)具有反铁磁性。 重稀土金属铽Tb、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm) 表现为铁磁性或亚铁磁性。 钇(Y)、钪(Sc)、镧(La)、镱(Yb)、镥(Lu)为非磁性稀土元素，但钇(Y)、钪(Sc)、镱(Yb)的离子具有磁矩。,稀土永磁材料 SmCo5永磁材料 Sm-Co之间可形成七种金属间化合物，其中SmCo5属六角晶系，点阵常数a=5.002，c=3.694。,用于微电机、音像器件、驱动器和聚焦装置。,烧结钐钴永磁体,稀土永磁材料 Sm2

44、Co17 永磁材料 Sm2Co17属于菱方晶系，是稀土永磁合金中磁稳定性最好的一种，居里温度很高，Tc=926，对于高温下的应用具有重要的意义。 其中Sm2(Co、Cu、Fe、Zr)17合金的磁性能最好，并已商品化。已在工业上得到广泛应用。 日本1986年 产量是50吨，用做电子表步进电机的转子和计算机、打印机及驱动器用的微型电机（150万台/月）,稀土永磁材料 Nd2Fe14B 永磁材料 第三代铁基稀土永磁，不含战略物质Co和Ni； 它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍； 居里温度不高，稳定性差。 生产工艺多种多样，如烧结法、熔体快淬法、粘结法、机械合金化法等。,

45、稀土元素R=Y,Nd,Pr,Gd,Dy,R2Fe14B,R2（Fe1-xMx）14B,基本化学式：,离子置换化学式：,M=Al,Si,Cr,Mn,Co,Ni,Cu,Ca,Ge,典型材料： Nd2Fe14B（钕铁硼）,Nd2Fe14B稀土永磁材料为四方相，一个单胞中由4个分子组成，有68个原子；它们构成四方结构，易磁化轴为c轴，呈现铁磁性。,Nd2Fe14B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；而高档产品如计算机VCM要求性能高： （BH）max320KJ/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

46、焦则尚在研制阶段，而美、日等发达国家已有生产和应用。,六、反铁磁性和亚铁磁性,与铁磁性金属相反，Mn, Cr等金属的A0，使相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自发磁化区域。这类物质称为反铁磁性物质。反铁磁性物质无论在什么温度下，其宏观表现都是顺磁性的，磁化系数相当于强顺磁性物质的数量级。,在A0的情况下，则=、cos =-1时， Eex才等于最低的负值，即自旋磁矩反向排列时能量最低。,在高温时很小，随温度降低逐渐增大，降至某一温度时， 升至最大值；温度再降低，又减小，最后趋于一个定值， 取最大值的温度称为奈耳点，用Tn表示，实际上Tn表征了相邻原子自旋反向排列被完全破

47、坏的温度，超过此温度，反铁磁性转变为顺磁性， 服从居里一外斯定律。,反铁磁性物质与温度的关系,所以Tn也称为反铁磁居里点。外磁场同样会破坏原子间自旋的反方向排列，并使原子磁矩倾向于外磁场方向，所以在奈耳点以下，反铁磁材料也表现出顺磁性。,铁磁性,反铁磁性,亚铁磁性,亚铁磁性是相邻原子磁矩反平行排列，但原子磁矩相差很大。 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质，只是亚铁磁体中反 平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不尽的自发磁矩 ，类似于铁磁体。铁氧体大都是亚铁磁体。,七、铁磁材料的技术磁化,1. 技术磁化过程,技术磁化：铁磁材料在外加磁场的作用下的磁化,磁化机制示意图,起始磁化阶段 不可逆磁

48、化阶段 磁化缓慢增加阶段,磁化的三个阶段,在第I阶段，外磁场H较小，磁感应强度B和磁化强度M随外磁场H增大缓慢上升，磁化强度与外磁场H基本上是线性关系，磁化是可逆的。这个阶段称为起始磁化阶段。,在这一阶段，磁化矢量与外磁场方向成锐角的磁畴磁位能低，与外磁场方向成锐角的磁畴扩大；而与外磁场成钝角的磁畴磁位能高，导致外磁场成钝角的磁畴缩小。磁畴大小的变化通过磁畴壁的迁移实现。,磁化机制示意图,在第II阶段：随外磁场H增大，磁感应强度和磁化强度迅速增大，磁导率增加很快，并出现最大值。这个阶段是不可逆的，去掉外磁场还保留部分磁化。,在第二阶段磁畴壁随磁畴的增大而快速移动，称磁畴壁跳跃。与磁场夹角比较大

49、的难磁化磁畴转向夹角较小的易磁化方向。当磁场增大到很大时，所有自旋磁矩通过磁畴壁的跳动来实现，转动到与磁畴成最小夹角的易磁化方向。,磁化机制示意图,在第III阶段：随外磁场进一步增大，磁感应强度和磁化强度逐渐变缓，磁导率变小，并趋向于 0。当磁场强度达到Hs时达到磁饱和，这时外磁场增大，磁化强度不变。,在这一阶段发生磁畴转动。磁畴由易磁化方向转动到与外磁场一致的方向。这时去除外磁场，磁畴由与外磁场一致的方向转动到易磁化方向。,磁化机制示意图,2. 磁畴壁移动的阻力及产生不可逆磁化的原因,磁畴壁移动的阻力： 退磁能：由于磁畴迁移使退磁能增大； 晶体内部的缺陷、应力及组织不均匀性， 是产生不可逆磁

50、化的原因。,产生不可逆磁化的原因：畴壁的不可逆位移,(1)应力理论 晶体缺陷、位错等以及磁致伸缩和磁各向异性会产生第三种内应力。内应力在晶体中分布是不均匀的，应力在某些微观区域内较高，而另一些微观区域较低。在没有磁化时，畴壁处于应力较低的位置。 在外磁场作用下，畴壁发生迁移。当磁畴由一个能谷迁移到另一个能谷，这时畴壁移动是不可逆的。要使畴壁返回原来位置必须施加一定的外磁场，这就是矫顽力。,应力理论畴壁移动示意图 (a)内应力引起畴壁能的不均匀分布; (b)180畴壁移动阻力的变化,(2) 杂质理论 杂质是指弱铁磁相、非铁磁相、夹杂物和气孔。在没有外磁场时，磁畴壁被杂质穿空，减少了畴壁的总面积，

51、降低了畴壁能，相当于杂质对磁畴钉扎作用。 在外磁场下，磁畴壁发生弯曲，这时去除外磁场磁畴壁可以回到原来位置；进一步增大外磁场，磁畴壁脱离杂质，运动到下一个杂质位置，这个过程是不可逆的。,杂质理论畴壁移动示意图,八、影响铁磁性参数的因素,组织敏感基本参数：与技术磁化过程有关的参数,组织不敏感基本参数：与自发磁化过程有关的参数，主要取决于金属与合金的成分、原子结构、晶体结构、组成相的性质与相对量，与材料的组织形态几乎无关。,铁磁性的主要影响因素有： 1.温度：温度升高使金属原子的热运动加剧，这将影响到自发磁化过程和技术磁化过程，因而温度对两类铁磁性参量都会有影响。 温度升高使铁磁性的饱和磁化强度M

52、s下降，当温度达到居里点时Ms 降至零，使铁磁材料的铁磁性消失而变为顺磁性。,2. 形变和晶粒度：,冷加工变形对工业纯铁磁性的影响,冷塑性变形会使金属中点缺陷和位错密度增高，造成点阵畸变加大和内应力升高，因而使组织敏感的铁磁性发生变化。,随着形变度的增加 导磁率m减小而矫顽力Hc增高； 剩余磁感应强度Br在临界变形度(约5%7%)以前随变形度增大急剧下降，而在临界变形度以上则随变形度增大而升高。,冷塑性变形的金属经再结晶退火后，各磁性参数都恢复到形变前的状态。,晶粒越细，磁导率越低，矫顽力越高。 因为晶界不仅本身原子排列不规则，而且在晶界附近位错密度也较高，造成点阵畸变和应力场，阻碍畴壁的移动和转动。,形变织构和再结晶织构，使磁性呈现明显的方向性，利用这一特点可提高m和Ms。,冷轧硅钢片（一种含碳极低的硅铁软磁合金，一般含硅量为0.54.5%。加入硅可提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时效）在再结晶退火后形成001板织构（高斯织构）。使用时只 要磁化方向与轧制方向一致，便能获 得优良的磁性。当退火后形成001立 方织构，沿轧制方向与垂直轧制方向均为易 磁化方向，都能获得优良的磁性，所以立方 织构是最理想的织构。,硅钢片