《磁性材料》基本要求講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。磁性材料基本要求-磁性材料基本要求一、熟練掌握基本概念：磁矩：磁偶極子等效的平面回路的電流和回路面積的乘積，m=iS，方向由右手定則確定，單位Am2。磁化強度（M）：定義單位體積磁性材料內(nèi)磁矩的矢量和稱為磁化強度，用M表示，SI單位為A/m。CGS單位：emu/cm3。換算關(guān)系：1103A/m=emu/cm3。磁場強度（H）：單位強度的磁場對應(yīng)于1Wb強度的磁極受到1牛頓的力。SI單位是Am-1。CGS單位是奧斯特(Oe)。換算關(guān)系：1A/m=4/103Oe。磁化曲線：磁體從退磁狀態(tài)開始到磁化飽和的過程

2、中，磁感應(yīng)強度B、磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關(guān)系曲線。退磁曲線：磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線。退磁場：當(dāng)一個有限大小的樣品被外磁場磁化時，在它兩端出現(xiàn)的自由磁極將產(chǎn)生一個與磁化強度方向相反的磁場。該磁場被稱為退磁場。退磁場的強度與磁體的形狀及磁極的強度有關(guān)存在：Hd=-NM。飽和磁感應(yīng)強度Bs(飽和磁通密度)：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁感應(yīng)強度。SI單位是特斯拉T或Wbm-2；CGS單位是高斯(Gauss)。換算關(guān)系：1T=104G。磁導(dǎo)率：定義為磁感應(yīng)強度與磁場強度之比，表示磁性材料傳導(dǎo)和通過磁力線的能力單位為亨利米（m-1）起始磁導(dǎo)率：磁性體在磁中性狀態(tài)下磁導(dǎo)率的極限值。

3、磁化率定義為磁化強度與磁場強度之比：=M/H居里溫度：即鐵磁性材料（或亞磁性材料）由鐵磁狀態(tài)（或亞鐵磁狀態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)的臨界溫度，在此溫度上，自發(fā)磁化強度為零。磁各向異性：磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應(yīng)力各向異性等。磁致伸縮效應(yīng)：磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮或磁致伸縮效應(yīng)。磁疇：在未加外磁場時鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)自發(fā)磁化到飽和狀態(tài)（每一個磁矩取向一致）的小區(qū)域。磁疇壁：相鄰兩磁疇之間磁矩按一定規(guī)律逐步改變方向的過渡層。技術(shù)磁化：在外磁場作用下，鐵磁體從完全退磁狀態(tài)磁化至飽和的內(nèi)部變化

4、過程。內(nèi)稟矯頑力(MHc)：從磁性體的飽和磁化狀態(tài)，沿飽和磁滯回線單調(diào)改變磁場強度H，使磁化強度M減小到0的磁場強度。通常有：|MHc|BHc|。最大磁能積（BH）max：退磁曲線上磁能積最大的一點，工程應(yīng)用中通常將(BH)max稱為磁能積。磁能積是表征永磁材料中能量大小的物理量。SI單位：kJ/m3，CGS單位：MGOe。換算關(guān)系：1MGOe=(102/4kJ/m3.在磁性材料的技術(shù)磁參量中，Ms,Tc，s,K等內(nèi)稟磁參量對組織結(jié)構(gòu)不敏感，它們主要取決于材料的化學(xué)成分。外稟磁參量:Hc、Mr或Br、磁導(dǎo)率、損耗、磁能積等對材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚫?/p>

5、變。磁滯損耗：磁滯回線所包圍的面積相當(dāng)于磁化一周所產(chǎn)生的能量損耗。動態(tài)磁滯回線：鐵磁體在周期性變化的交變磁場中時，其磁化強度也周期性地反復(fù)變化，構(gòu)成動態(tài)磁滯回線。它與靜態(tài)磁滯回線有相似之處，也有差別：在相同的磁場強度范圍內(nèi)，動態(tài)磁滯回線比靜態(tài)磁滯回線的面積大一些。因在靜態(tài)磁場下，只有磁滯損耗；而在交變磁場下，除了磁滯損耗外還有渦流損耗和剩余損耗。磁譜：磁譜是指鐵磁體在交變磁場中的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部隨頻率變化的關(guān)系曲線。截止頻率fr：在材料的磁譜曲線上，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部下降到初始值的一半或虛部達到極大值時所對應(yīng)的頻率稱為該材料的截止頻率。材料的截止頻率fr與起始磁導(dǎo)率i有密切的關(guān)系。般而言，

6、材料的起始磁導(dǎo)率i越低，其截止頻率fr越高。品質(zhì)因數(shù)Q:Q表示軟磁材料在交變磁化時，能量的貯存和能量的損耗之比。Q值是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部之比。因此有：Q=/.損耗因子tan:損耗角的正切tan稱為材料的損耗因子。損耗因子可以定義為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的虛部與實部購比值，其物理意義為鐵磁材料在交變磁化過程中能量的損耗與貯存之比。tan=1/Q低自旋態(tài)：在強晶場下，當(dāng)電子軌道分裂能隙大于電子成對能(Ep)時，洪德法則不再成立。電子由最低能級開始填充，如果電子填充到與上一個能級之間的能隙大于電子成對能時，電子將以相反的自旋填充到最低能級軌道并成對，因而最低能級的電子軌道同時有兩個自旋相反的電子占據(jù)，而能量

7、高的電子軌道沒有電子占據(jù)。這種電子組態(tài)稱為低自旋態(tài)。高自旋態(tài)：在弱晶場下，當(dāng)電子軌道分裂能小于電子成對能(Ep)時，洪德法則成立。電子由最低能級開始填充，一直到最高能級，過半滿后，電子以相反的自旋填充到最低能級。這種電子組態(tài)稱為高自旋態(tài)。軌道角動量凍結(jié)：在晶場的作用下3d過渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子的自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒有貢獻。此現(xiàn)象稱為軌道角動量凍結(jié)。常見的鐵氧體，按晶格類型分為三種：（1）尖晶石型鐵氧體；（2）石榴石型鐵氧體；（3）磁鉛石型鐵氧體第三章.材料的磁學(xué)性能基本參量分子電流理論磁荷（等效）理論相互關(guān)系磁矩：磁偶極矩：磁化強度：磁極化強度：磁場強度：H磁感應(yīng)強度：

8、B磁化率：=M/H磁導(dǎo)率：=B/H二，基本關(guān)系；三，單位換算SI：CGS：B:T;H:A/m;M:A/mB:G(Gauss);H:Oe;M:emu/cm3;（特斯拉）或Wb/m2B:1T=104G;H:1103A/m=4Oe;M:1103A/m=emu/cm3;按矯頑力分類：軟磁材料：Hc1000A/m(12.5Oe)半硬磁材料：Hc:1001000A/m(1.2512.5Oe)。例1牌號為1J46的冷軋鐵鎳軟磁薄帶的飽和磁化強度為Ms=11.9105Am-1，則飽和磁極化強度Js為_T（特斯拉），沿薄膜法向的退磁場Hd為_Am-1，最大矯頑力Hc=20A/m，相當(dāng)于Hc=_Oe（奧斯特）。（

9、注：0=410-7Hm-1）。MagneticTermSymbolSIunitCGSunitconversionfactormagneticinductionBTesla(T)Gauss(G)1T=104GmagneticfieldHA/mOersted(Oe)1A/m=4/103OemagnetizationMA/memu/cm31A/m=10-3emu/cm3massmagnetizationAm2/kgemu/g1Am2/kg=1emu/gmagneticmomentmAm2emu1Am2=103emuvolumesusceptibilitydimensionlessdimensionl

10、ess4(SI)=1(cgs)masssusceptibilitym3/kgemu/Oeg1m3/kg=103/4emu/Oegpermeabilityoffreespace0H/mdimensionless4x10-7H/m=1(cgs)A=Amperecm=centimeteremu=electromagneticunitg=gramkg=kilogramm=meterH=HenrySI制：B=0（H+M）；B的單位是T或Wb/m2；M和H的單位是A/m。在高斯（Gauss）單位制中：B=H+4M；B的單位是高斯G；H的單位是奧斯特（Oe）；M的單位是emu/cm3，即emu/cc。基本換

11、算：B:1T=104G；H:1kAm-1=4Oe；1Oe=79.5775A/m；M:1kAm-1=emucm-3；1Am2/kg=1emu/g；(BH)max:1kJm-3=410-2MGOe；基本物理量：普朗克常數(shù)h=6.62610-34Js；玻爾茲曼常數(shù)k=1.3810-23J/K；0=410-7Hm-1；c=3108m/s；電子電荷量e1.610-19庫侖；電子質(zhì)量me=9.1093818810-31公斤；波爾磁子B=eh/（4me）=9.27310-24Am2。三、原子磁矩基態(tài)原子的電子結(jié)構(gòu)占據(jù)殼層的規(guī)律：洪特法則：(1).在泡利原理許可的條件下，總自旋量子數(shù)S取最大值S=Sz；(2)

12、.在滿足以上條件下，總軌道角動量量子數(shù)L取最大值L=mz；(3).總角動量量子數(shù)J有兩種取法：電子填充未半滿時，J=L-S，電子數(shù)等于或超過一半時，J=L+S。例1：Pr3+離子（未滿殼層4f2）：（1）總自旋量子數(shù)S：電子填充未達半滿時，基態(tài)下兩個電子相互平行,總自旋量子數(shù)S=Sz=2（1/2）=1；（2）總軌道角動量量子數(shù)L：這兩個電子優(yōu)先占據(jù)mz=3，2兩個軌道，總軌道角動量量子數(shù)L=5；（3）總角動量量子數(shù)J：由于殼層未半滿，總角動量量子數(shù)J=L-S=4；（4）離子磁矩（有效磁矩）J：根據(jù)=3.58B，其中蘭德因子：=4/5。4f2電子的自旋和軌道角動量排列示意圖：m：3210-1-2

13、-3L=5S：S=1J=L-S例2：Dy3+的離子（未滿殼層為4f9）（1）總自旋量子數(shù)S：電子填充超過半滿時，基態(tài)下自旋角動量S是由未成對的另外五個自旋向上電子決定，總自旋量子數(shù)S=Sz=5（1/2）=5/2；（2）總軌道角動量量子數(shù)L：電子填充超過半滿時，總軌道角動量L是由自旋向下的二個軌道決定，總軌道角動量量子數(shù)L=mz=3+2=5；（3）總角動量量子數(shù)J：由于殼層超過半滿，總角動量量子數(shù)：J=L+S=15/2。；（4）離子磁矩（有效磁矩）J：根據(jù)=10.63B，其中蘭德因子：=4/3。Dy3+離子4f9電子的自旋和軌道角動量排列示意圖：m：3210-1-2-3S：S=5/2L=mz=3

14、+2=5J=L+S例3：試計算Fe3+（或Fe2+）的基態(tài)磁矩為5B(4B)。（有幾個未成對電子，就有幾個B）。（提示：過渡元素的原子或離子組成物質(zhì)時，軌道角動量凍結(jié)，因而不考慮L（L=0）。解：Fe3+電子組態(tài)：3d5，m：210-1-2L=0S：S=5/2；J=L+S=S=5/2；基態(tài)的光譜項6S5/2；gJ=2Fe+23d6S2m：210-1-2L=2S：S=2；L=2；S=2；J=4；基態(tài)的光譜項2S+1LJ：5D4；。四、晶場作用（1）晶場中軌道角動量的凍結(jié)：在晶場的作用下3d過渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒有貢獻。此現(xiàn)象稱為軌道角動量凍結(jié)。（2）分

15、裂后d軌道中電子的排布高自旋態(tài)和低自旋態(tài)在八面體中，d1-3型離子，按洪特規(guī)則，其d電子只能分占三個簡并的d低能軌道，即只一種方式。而d4-7型離子，有兩種可能:當(dāng)Ep時，因電子成對需要能量高，故d電子將盡量分占軌道而具有最多自旋平行的成單電子的狀態(tài)，即高自旋態(tài)；反之當(dāng)Ep時，則因躍遷進入d軌道需要能量較高，d電子將盡量占據(jù)低能級軌道并成對，而具有較少的成單電子，即低自旋態(tài)。高自旋態(tài)即是較小的弱場排列，不夠穩(wěn)定，成單電子多而磁矩高，具順磁性。低自旋態(tài)即是較大的強場排列，較穩(wěn)定，成單電子少而磁矩低。（3）姜-泰勒（Jahn-Teller）效應(yīng)銅尖晶石鐵氧體在高溫下是立方晶體，而在室溫下不再是立方

16、晶體而畸變?yōu)檎骄w，這種晶體畸變現(xiàn)象，稱為Jahn-Teller效應(yīng)。一般發(fā)生在尖晶石型的化合物和鈣鈦礦型化合物(AB2O4和RTO3類型的化合物)?；兂潭龋涸诟吣艿膃g軌道上出現(xiàn)簡并態(tài)（eg軌道電子排布不平均），產(chǎn)生大畸變。在低能的t2g軌道上出現(xiàn)簡并態(tài)（t2g軌道電子排布不平均），產(chǎn)生小畸變。在所有軌道電子排布都平均則無畸變。姜-泰勒穩(wěn)定化能：在姜-泰勒效應(yīng)中，幾何構(gòu)型的畸變導(dǎo)致基態(tài)的能級能量降低，從而使體系獲得額外的穩(wěn)定化能(能量降低值)，稱為姜-泰勒穩(wěn)定化能。五、軟磁材料（一）、對軟磁材料基本性能的要求：初始磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率max要高；b.矯頑力Hc要小；c.飽和磁感應(yīng)強度Ms

17、要高;d.功率損耗P要低；e.高的穩(wěn)定性。（二）、提高軟磁材料起始磁導(dǎo)率的途徑有:(a).提高飽和磁化強度。因材料的起始磁導(dǎo)率i與Ms的平方成正比，提高Ms的大小有利于提高起始磁導(dǎo)率；(b).降低磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)s：從配方和工藝上選用K1和s很小的鐵氧體作為基本成分。(c).改善材料的顯微結(jié)構(gòu)：選擇原料純度高、活性好、適當(dāng)?shù)臒崽幚項l件，可以使燒成的材科結(jié)構(gòu)均勻、雜質(zhì)和氣孔較少。晶粒增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。磁疇織構(gòu)是使磁疇沿磁場方向取向，從而提高i值。(d).降低內(nèi)應(yīng)力：由磁化過程的磁致伸縮引起的內(nèi)應(yīng)力，它與s成正比，選擇低s材料。燒結(jié)后冷卻速度太快，會造成

18、晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力?？梢圆捎玫蜏赝嘶鹣饪?、雜質(zhì)、晶格缺陷等因素在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。通過原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴(yán)格拉制來消除。（三）、非晶態(tài)軟糍材料的優(yōu)勢：非晶態(tài)軟磁材料的特點：（1）由于不存在阻礙疇壁移動的位錯和晶界，因而具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力,軟磁綜合性能遠優(yōu)于鐵氧體軟磁；（2）因電阻率比同種晶態(tài)材料高，渦流損耗小，適用與高頻場合；（3）機械強度和硬度較高，抗化學(xué)腐蝕能力強。（4）體系自由能較高，加熱時有晶化傾向。（5）在性價比和市場占有率上還不及對鐵氧體。在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中它將大顯身手。非晶態(tài)磁性材料的制備方法：（1）氣相沉積法；（2）液相急冷法（快速冷凝技術(shù)）；（3）高能離

19、子注入法（噴丸法）。（四）、軟磁材料的分類、及各自的磁性能和應(yīng)用場合：軟磁材料可以分為以下幾大類：（1）合金。如硅鋼(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙臺斯特合金(Fe-Si-Al)等。金屬軟磁材料的飽和磁化強度高于鐵氧體，因此廣泛應(yīng)用于發(fā)電機、變壓器、馬達等電力、電子、通信等領(lǐng)域。但它低電阻率的特性導(dǎo)致趨肪效應(yīng)，渦流損耗限制了其在高頻段的應(yīng)用。（2）軟磁鐵氧體。這方面主要有：MnZn系、NiZn系、MgZn系等。MnZn鐵氧休是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的mMnFe2O4nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。軟磁鐵氧體的性能常因應(yīng)用而異，但通常希望高磁導(dǎo)率、低損耗。多用于變壓器、線圈、

20、天線、磁頭、開關(guān)等。（3）非晶態(tài)、納米晶軟磁材料。由于不存在阻礙疇壁移動的位錯和晶界，因而具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力,軟磁綜合性能遠優(yōu)于鐵氧體軟磁。另外，因電阻率較高，渦流損耗小，機械強度和硬度較高，抗化學(xué)腐蝕能力強。但在性價比和市場占有率上還不及對鐵氧體。在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中它將大顯身手。起始磁導(dǎo)率是軟磁材料的重要參數(shù)。它與材料的飽和磁化強度Ms的平方成正比，與材料的K1和s成反比，與材料中的內(nèi)應(yīng)力，和雜質(zhì)濃度成反比。其中，Ms、K1和s是材料的基本磁特性參數(shù)，是決定磁導(dǎo)率的主要因素，基本上不隨加工條件和應(yīng)用情況變化。而和的大小及其對磁導(dǎo)率的影響會隨加工條件和實際情況而變化。重點掌握：金屬軟磁材

21、料：電工純鐵、硅鋼、坡莫合金的主要化學(xué)成分、磁性能、及熱處理工藝。鐵氧體軟磁：MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、MgZn鐵氧體的軟磁特性。非晶態(tài)軟磁材料：Fe基、Co基非晶；FinementFT-1KM納米晶的結(jié)構(gòu)、制備工藝與磁性。六、永磁材料（一）、對永磁材料的基本性能要求：(1).矯頑力Hc要高；(2)剩余磁感應(yīng)強度Br要高；(3)最大磁能積(HB)max要高；(4)從實際應(yīng)用用角度考慮，材料穩(wěn)定性要高。（二）、提高永磁材料的矯頑力Hc的途徑有:(1).可將材料做成單疇集合體；(2).選擇高磁晶各向異性(高K1值)的材料；(3).適當(dāng)增大非磁性摻雜含量并控制其形狀(最好是片狀摻雜)和彌散度(

22、使摻雜尺寸和疇壁寬度相近)；(4).選擇高磁致伸縮材料，增加材料中內(nèi)應(yīng)力的起伏。（三）、提高永磁材料的剩磁Mr的途徑有:定向結(jié)晶：采用熱流控制的定向凝固技術(shù)，在柱狀晶晶粒長大方向誘導(dǎo)易磁化軸。塑性變形：多晶體金屆材料經(jīng)拔絲、軋扳、擠壓、壓縮等塑性加工變形，由于晶粒轉(zhuǎn)動，使晶粒產(chǎn)生加工組織或加工織構(gòu)，從而誘導(dǎo)磁各向異性。磁場成型：在永磁體加工成型過程中，通過施加外部磁場使磁性顆粒的易磁化軸沿磁場方向取向，以較高永磁體的剩磁Br。磁場熱處理：將材料放在外部磁場中進行熱處理，可以控制熱處理過程中鐵磁性相顆粒的析出形態(tài)，并使磁矩沿磁場方向擇優(yōu)取向。（四）、永磁材料的分類、及各自的磁性能和應(yīng)用場合：永磁

23、材料可以分為以下幾大類：（1）金屬永磁材料：主要包括鋁鎳鈷(A1-Ni-Co)系和鐵鉻鈷(Fe-Cr-Co)系兩類永磁合金；最大磁能積（BH）max可達40kJ/m3。60年代前，鋁鎳鈷磁鋼在永磁材料中占主導(dǎo)地位。（2）鐵氧體永磁材料：這是一類以Fe2O3為主要組元的復(fù)合氧化物強磁材料，最常見的有：鋇鐵氧體（BaO6Fe2O3）和鍶鐵氧體（SrO6Fe2O3）。磁性能居中，最大磁能積（BH）max可達32kJ/m3，抗退磁性能優(yōu)良，不存在氧化問題。性價比高，目前產(chǎn)值約占永磁材料總產(chǎn)值的40。電阻率高，特別適合在高頻和微波領(lǐng)域應(yīng)用。（3）稀土系永磁材料，這是類以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金

24、屬間化合物，包括鈷基的SmCo5系和Sm2Co17系列，以及鐵基的Nd-Fe-B系永磁材料。SmCo5永磁體：具有很高的磁晶各向異性常數(shù)，K1=15-19103kJ/m3，Ms=890kA/m。其理論磁能積達244.9kJ/m3。做成磁體以后，SmCo5永磁體的磁能積達147.3kJ/m3，剩磁Br=0.8-0.95T。居里溫度為740度，工作溫度范圍：-50150度。Sm2Co17永磁體：具有高Tc=926度，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0Ms1.63T,其理論最大磁能積高達525.4kJ/m3，實際值238.8kJ/m3。但矯頑力偏低。Nd-Fe-B永磁體：0Ms1.57T，Tc=585K，室溫各向異性常數(shù)K1=4.2MJ/m3，各向