材料性能學(xué)：9-2-磁性材料與磁電阻效應(yīng)

1、磁性材料Magnetic Materials 1材料的磁性磁性是物質(zhì)的一種基本屬性弱磁性：抗磁性、順磁性 強磁性：鐵磁性、亞鐵磁性磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域磁石 磁性材料的分類按性質(zhì)分類 ：金屬類磁性材料：電工鋼、鎳基合金和稀土合金等 非金屬類磁性材料：鐵氧體材料按使用分類：軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料按磁化率大小分類：順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性按功能分類：軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光

2、材料、磁記錄材料功能磁性材料磁致伸縮材料磁記錄材料磁電阻材料磁泡材料磁光材料旋磁材料磁性薄膜材料，等 鐵磁性 （ferromagnetism） 過渡族金屬（如鐵）及它們的合金和化合物所具有的磁性 1907年：法國物理學(xué)家P.E.外斯提出了鐵磁現(xiàn)象的唯象理論。假定鐵磁體內(nèi)部存在強大的“分子場”，即使無外磁場，也能使內(nèi)部自發(fā)地磁化；自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇，每個磁疇的磁化均達到磁飽和。實驗表明，磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩1928年：W.K.海森伯用量子力學(xué)方法計算了鐵磁體的自發(fā)磁化強度，給予外斯的“分子場”以量子力學(xué)解釋1930年：F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認(rèn)為鐵磁性來

3、源于不配對的電子自旋的直接交換作用 鐵磁性的特點 在外磁場作用下較易達到磁飽和，此時磁化強度不再隨外磁場的增加而增加，而一般順磁體則很難達到磁飽和 磁化強度與磁場強度之間為非線性關(guān)系，即磁化率和磁導(dǎo)率不是常數(shù)，而順磁體的磁化率和磁導(dǎo)率在一定溫度下是常數(shù) 存在一個臨界溫度Tc（居里溫度或居里點），當(dāng)溫度高于Tc時鐵磁性消失，鐵磁體轉(zhuǎn)變成順磁體。在居里溫度附近磁導(dǎo)率和比熱容呈現(xiàn)反常增加外磁場變化時，磁化強度的變化滯后于外磁場的變化“磁滯效應(yīng)”，表明鐵磁體磁化過程的不可逆。當(dāng)撤去外磁場時，鐵磁體仍保留部分磁性，磁化強度不為零。而順磁體在撤去外磁場時，磁化強度立即變?yōu)榱?軟磁材料（SoftMagnet

4、icMaterial） 具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料，磁滯回線呈細長條形軟磁材料易于磁化，也易于退磁應(yīng)用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等主要軟磁材料材料：Mn-Zn、Li-Zn鐵氧體、Ni-Zn、NiCuZn 鐵氧體、MnFe2O4 、 NiFe2O4軟磁材料應(yīng)用：軟磁材料適用于交變磁場，可用來制造各種發(fā)電機和電動機的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器，電感器，電抗器，繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭與介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯軟磁材料磁滯回線軟磁材料的分類純鐵和低碳鋼（含碳量低于0.04）特點：飽和磁化強度高，價格低廉，加工性能好；但電阻率低、在交變磁場下渦流損耗大，

5、只適于靜態(tài)下使用，如制造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚聲器磁導(dǎo)體、磁屏蔽罩等Fe-Si系合金（Si0.54.8），俗稱硅鋼片在純鐵中加入硅后，可消除磁性材料的磁性隨使用時間而變化的現(xiàn)象 特點：電阻率和磁導(dǎo)率高，矯頑力和渦流損耗減小。應(yīng)用于交流領(lǐng)域，制造電機、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯 Fe-Al系合金（Al：616）特點：具有較好的軟磁性能，磁導(dǎo)率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。 Fe-Si-Al系合金（在Fe-Al合金中加入Si）特點：硬度、飽和磁感應(yīng)強度、磁導(dǎo)率和電阻率都較高。缺點是磁性能對成分起伏敏感，脆性大，加

6、工性能差。主要用于音頻和視頻磁頭 Ni-Fe系合金（Ni：3090），又稱坡莫合金特點：通過合金化元素配比和適當(dāng)工藝，可控制磁性能，獲得高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁、矩磁等軟磁材料。塑性高，對應(yīng)力較敏感，可用作脈沖變壓器材料、電感鐵芯和功能磁性材料Fe-Co系合金（Co：2750）特點：具有較高的飽和磁化強度，電阻率低。適于制造極靴、電機轉(zhuǎn)子和定子、小型變壓器鐵芯等軟磁鐵氧體特點：電阻率高（10-21010m），飽和磁化強度比金屬低，價格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件 非晶態(tài)軟磁合金，又稱金屬玻璃特點：磁導(dǎo)率和電阻率高，矯頑力小，對應(yīng)力不敏感，不存在由晶體結(jié)構(gòu)引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強度等特點。

7、居里點比晶態(tài)軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發(fā)利用的新型軟磁材料超微晶軟磁合金（20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種軟磁材料）特點：由小于50納米左右的結(jié)晶相和非晶態(tài)的晶界相組成，具有比晶態(tài)和非晶態(tài)合金更好的綜合性能，不僅磁導(dǎo)率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應(yīng)強度高、穩(wěn)定性好。現(xiàn)主要研究的是鐵基超微晶合金。永磁材料（PermanentMagneticMaterial） 具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁， 一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料， 又稱硬磁材料 常用的永磁材料：Al-Ni-Co系永磁合金（以Ni、Co、Al為主要成分，還含有Cu、Ti等）特點：具有高剩磁和低溫度系數(shù)，磁性穩(wěn)定。分

8、鑄造合金和粉末燒結(jié)合金兩種。用于儀表工業(yè)中制造磁電系儀表、流量計、微特電機、繼電器等Fe-Cr-Co系永磁合金（以Fe、Cr、Co為主要成分，還含有Mo和少量的Ti、Si）特點：加工性能好，可進行冷熱塑性變形，可通過塑性變形和熱處理提高磁性能。用于制造各種截面小、形狀復(fù)雜的小型磁體元件永磁鐵氧體（主要有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體）特點：電阻率高、矯頑力大，能有效地應(yīng)用在大氣隙磁路中，特別適于作小型發(fā)電機和電動機的永磁體。原材料來源豐富，工藝簡單，成本低，用于制造磁分離器、磁推軸承、揚聲器、微波器件等。但其最大磁能積較低，溫度穩(wěn)定性差，質(zhì)地較脆、易碎，不耐沖擊振動，不宜作測量儀表及有精密要求的磁性器件稀

9、土永磁材料（主要是稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料）特點：磁能積可達碳鋼的150倍、鋁鎳鈷永磁材料的35倍，永磁鐵氧體的810倍，溫度系數(shù)低，磁性穩(wěn)定，矯頑力高達800千安米。主要用于低速轉(zhuǎn)矩電動機、啟動電動機、傳感器、磁推軸承等的磁系統(tǒng)。復(fù)合永磁材料（由永磁性物質(zhì)粉末和作為粘結(jié)劑的塑性物質(zhì)復(fù)合而成）特點：由于其含有一定比例的粘結(jié)劑，磁性能顯著降低。使用溫度較低，一般不超過150。但復(fù)合永磁材料尺寸精度高，機械性能好，磁體各部分性能均勻性好，易于進行磁體徑向取向和多極充磁。主要用于制造儀器儀表、通信設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機械、磁療器械及體育用品等 矩磁材料磁滯回線近似矩形的磁性材料，結(jié)晶各向異性，應(yīng)力各向異

10、性。常用的矩磁材料在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系， (Mn-Ni)Fe2O4系等在-65 +125較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等矩磁材料的應(yīng)用：矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強度Br接近于飽和值Bm，矯頑力不大若矩磁材料在不同方向磁場下磁化，當(dāng)電流為零時，總是處于+Bm和-Bm 兩種不同的剩磁狀態(tài)由于計算機采用兩進制，即只有“0”和“1”兩個數(shù)碼，所以采用這種材料的兩種剩磁狀態(tài)+Bm和-Bm就可以分別代表兩個數(shù)碼，起到記憶作用因此矩磁材料適于做信息存儲元件的磁性開關(guān)矩磁材料磁滯回線旋磁材料能使作用于它的電磁波發(fā)生一

11、定角度偏轉(zhuǎn)的材料稱為旋磁材料旋磁材料基本上是鐵氧體磁性材料，一般叫微波鐵氧體材料常用的旋磁材料Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr鐵氧體，Li-Al，Li-Mg鐵氧體等旋磁材料的應(yīng)用：用于與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成的各種微波器件， 主要用于雷達、通訊、導(dǎo)航、遙測、遙控等電子設(shè)備中磁致伸縮材料（MagnetostrictiveMaterial）金屬磁致伸縮材料：飽和磁化強度較高，力學(xué)性能好，可承受較高的功率，但電阻率低，不適用于高頻段。常用的有鐵基合金、鎳基合金 鐵氧體磁致伸縮材料：飽和磁化強度較低，材料的氣隙率影

12、響其力學(xué)性能，故不能承受較高功率，但電阻率高，可用于高頻段巨磁致伸縮材料。磁致伸縮系數(shù)遠高于常規(guī)材料，耦合系數(shù)也高；缺點是所需磁化場強高。用于制造超聲和水聲換能器件，如超聲探傷器、超聲鉆頭、回聲探測器等；用于制造電信器件，如振蕩器、濾波器、諧波發(fā)生器等；也可用于制造自動控制器件及測量和傳感器件 磁記錄材料（MagneticRecordingMaterial）利用磁特性和磁效應(yīng)輸入（寫入）、記錄、存儲和輸出（讀出）聲音、圖像、數(shù)字等信息磁性材料。分為：磁記錄介質(zhì)材料和磁頭材料 磁記錄材料的記錄原理：在記錄信息過程中，輸入信息先轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸送到磁頭線圈中，使記錄磁頭中產(chǎn)生與輸入電信號相應(yīng)的

13、變化磁場；此時緊靠近氣隙并以恒定速度移動的磁帶上的磁記錄介質(zhì)受到變化磁場的作用，從原來的退磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇呕癄顟B(tài)，即將隨時間變化的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榘纯臻g變化的磁化強度分布；磁帶通過磁頭后轉(zhuǎn)變到相應(yīng)的剩磁狀態(tài)，從而記錄下與氣隙磁場、磁頭電流和輸入信號相應(yīng)的信息。當(dāng)需要輸出信息時，正好與上述記錄過程相反磁記錄材料按形態(tài)分為：顆粒狀和連續(xù)薄膜材料兩類按性質(zhì)分為：金屬材料和非金屬材料廣泛使用的磁記錄介質(zhì)：-Fe2O3系材料，CrO2系、Fe-Co系和Co-Cr系材料等磁頭材料：主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系鐵氧體、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb系及Fe-Al-Si系合金材料等 磁性薄膜材料(Magnetic

14、ThinFilmMaterial)厚度在1微米以下的強磁性（鐵磁性和亞鐵磁性）材料制備方法主要有：真空蒸發(fā)法：在真空狀態(tài)下將加熱蒸發(fā)的磁性材料沉積在基片上電沉積法：將磁性材料和基片做成陽極和陰極，在電解液中通過電化學(xué)作用，磁性陽極材料沉積到陰極基片上濺射法：將磁性陽極材料和基片分別作為陰極和陽極，在抽真空后又充入惰性氣體電離成離子并高速轟擊陰極，使陰極表面濺射出的原子附著于陽極基片上外延生長法、化學(xué)鍍膜法，等分 類：按材料性質(zhì)分為：金屬和非金屬磁膜材料按材料組織狀態(tài)分為：非晶、多層調(diào)制和微晶磁膜材料應(yīng) 用：制造計算機存儲，光通信中的磁光調(diào)制器、光隔離器和光環(huán)行器等；也用作磁記錄薄膜介質(zhì)和薄膜磁

15、頭，以及磁光記錄盤等 磁電阻效應(yīng)與磁電阻材料17法德科學(xué)家獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎這兩名科學(xué)家獲獎的原因是先后獨立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)。所謂“巨磁電阻”效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應(yīng)用。瑞典皇家科學(xué)院在評價這項成就時表示，今年的諾貝爾物理學(xué)獎主要獎勵“用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小”。這項技術(shù)被認(rèn)為是“前途廣闊的納米技術(shù)領(lǐng)域的首批實際應(yīng)用之一”。法國的艾伯特費爾特(Albert Fert) 德國的彼得格蘭貝格(Peter Grunberg) 物理學(xué)獎得

16、主小傳這兩位科學(xué)家都比較喜歡音樂。費爾最喜歡的樂手是美國爵士樂鋼琴家塞羅尼斯蒙克，而格林貝格爾對古典音樂十分癡迷，他還是一名吉他愛好者。費爾1938年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學(xué)獲博士學(xué)位，1976年開始擔(dān)任南巴黎大學(xué)教授。自1995年以來，費爾還一直擔(dān)任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯(lián)合物理實驗室科學(xué)主管。費爾于2004年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。格林貝格爾1939年出生于比爾森，1969年在達姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，1972年開始擔(dān)任德國于利希研究中心教授，2004年退休。格林貝格爾的知識產(chǎn)權(quán)保護意識比較強。兩位科學(xué)家1988年發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng)時意識到

17、，這一發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生巨大影響。格林貝格爾為此還申請了專利。磁電阻磁電阻：指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象巨磁阻：指在一定的磁場下電阻急劇改變（減小或增加），一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍 磁電阻效應(yīng)磁電阻效應(yīng)：在外加磁場的時候，載流材料的電阻值發(fā)生改變的現(xiàn)象被稱為磁電阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effect，簡記為MR)。 設(shè)沒有加磁場的時候樣品電阻率為(0,T) 加磁場后的電阻率變?yōu)?H,T)，其中T表示溫度，H表示磁場 磁電阻效應(yīng)的大小為： MR 0：正磁電阻效應(yīng)，磁電阻隨外加磁場的增大而增大，又稱為正常磁電阻效應(yīng)(ordinary magneto

18、resistance effect ,OMR) MR 0，即電阻率隨溫度T的降低而降低，材料表現(xiàn)出金屬性導(dǎo)電相反，如果發(fā)現(xiàn)d/dT0，認(rèn)為材料是半導(dǎo)體性或絕緣體性導(dǎo)電對大多數(shù)陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)它們的導(dǎo)電行為接近半導(dǎo)體性導(dǎo)電錳基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物的龐磁電阻效應(yīng)和磁相變以La-Ca-Mn-O為例： 電阻在260K處發(fā)生了金屬半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變磁電阻也在轉(zhuǎn)變溫度附近出現(xiàn)峰值這即所謂的CMR效應(yīng)具有CMR效應(yīng)材料在出現(xiàn)金屬半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的同時,其磁電阻效應(yīng)發(fā)生由鐵磁順磁的相變磁電阻材料和效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻材料(主要是GMR和CMR材料)在全世界范圍內(nèi)受到普遍的重視是與其巨大的應(yīng)用價值分不開的僅就數(shù)值不大的各向異性磁電阻效應(yīng)來說，采用室溫下AMR僅為2.5的坡莫合金在3.5寸硬盤上利用雙元件磁頭就可實現(xiàn)3GB/in2的高記錄密度用于數(shù)控機床、非接觸開關(guān)的位移傳感器用于汽車測速和控速及旋轉(zhuǎn)編碼器的角度傳感器巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)給磁電阻器件的發(fā)展帶來了新的希望和更廣闊的空間在金屬多層膜巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)僅六年后的1994年，IBM公司就宣布利用GMR研制成硬盤讀出磁頭的原型，將磁盤系統(tǒng)的記錄密度提高17倍，達到1010