第六章 材料磁學性能2

材料的磁學MagneticPropertiesofMaterials鐵磁材料的分子場理論1907年，外斯(Weiss)在順磁性理論基礎(chǔ)上提出分子場理論，定性地解釋鐵磁材料的自發(fā)磁化現(xiàn)象。分子場假說：鐵磁材料在一定溫度范圍內(nèi)(oK至Tc)存在與外加磁場無關(guān)的自發(fā)磁化，導致自發(fā)磁化的相互作用力假定為材料內(nèi)部存在分子場，其數(shù)量級大小為109A／m，原子磁矩在分子場作用下，克服熱運動的無序效應(yīng)，自發(fā)地平行一致取向；磁疇假說：自發(fā)磁化是按區(qū)域分布的，各個自發(fā)磁化區(qū)域稱為磁疇，在無外磁場時都是自發(fā)磁化到飽和，但各磁疇自發(fā)磁化的方向有一定分布，使宏觀磁體的總磁矩等于零．

不是常數(shù)，M,B與H不是單值函數(shù)關(guān)系；有剩磁現(xiàn)象，不可逆性；有居里溫度（）即：磁性轉(zhuǎn)變溫度:，:材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：(1)原子是否具有由未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩)(2)原子在晶格中的排列方式§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性一、鐵磁性材料的決定因素鐵磁性轉(zhuǎn)變順磁性材料是否具有自發(fā)磁化形成磁疇的傾向與晶格中原子間距與它的3d軌道直徑之比有關(guān)。比值在1.4～2.7之間的材料，如鐵、鈷、鎳等有形成磁疇的傾向，是鐵磁性材料。比值在1.4～2.7之外的材料，如錳、鉻等雖然也有未成對的3d電子貢獻的凈磁矩，但由于沒有自發(fā)磁化形成磁疇的傾向，故成為非鐵磁性材料。鐵磁性材所能達到的最大磁化強度叫做飽和磁化強度，用Ms表示?！?.鐵磁性理論3.1鐵磁性

對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性或亞鐵磁性。所以，居里溫度是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點，鐵磁態(tài)或亞鐵磁態(tài)順磁態(tài)Tc二、鐵磁性材料的居里溫度§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性鐵磁體的居里溫度-應(yīng)用實例

利用這個特點，人們開發(fā)出了很多控制元件。例如，我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性所謂磁疇，是指磁性材料內(nèi)部的一個個小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。三、磁疇任何鐵磁體和亞鐵磁體，在溫度低于居里溫度Tc時，都是由磁疇組成的。磁疇是自發(fā)磁化到飽和（即其中的磁矩均朝一個方向排列）的小區(qū)域。相鄰磁疇之間的界線叫磁疇壁磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變?！?.鐵磁性理論3.1鐵磁性既然磁疇內(nèi)部的磁矩排列是整齊的，那么在磁疇壁處原子磁矩又是怎樣排列的呢？在疇壁的一側(cè)，原子磁矩指向某個方向，假設(shè)在疇壁的另一側(cè)原子磁矩方向相反。那么，在疇壁內(nèi)部，原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態(tài)。實際上，疇壁由很多層原子組成。為了實現(xiàn)磁矩的轉(zhuǎn)向，從一側(cè)開始，每一層原子的磁矩都相對于磁疇中的磁矩方向偏轉(zhuǎn)了一個角度，并且每一層的原子磁矩偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，到另一側(cè)時，磁矩已經(jīng)完全轉(zhuǎn)到和這一側(cè)磁疇的磁矩相同的方向。

§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性磁疇的線尺寸：通常約為1～100um（約1015個原子）對于多晶體可能其中的每一個晶粒都是由一個以上的磁疇組成的；因此一塊宏觀的樣品包含許許多多個磁疇；每一個磁疇都有特定的磁化方向；整塊樣品的磁化強度則是所有磁疇磁化強度的向量和。在一塊不經(jīng)外磁場磁化的樣品中、磁疇的取向是無序的，故磁疇的向量之和為零，因此，整塊磁體對外不顯示磁性。§3.鐵磁性理論3.1鐵磁性1.裝置：環(huán)形螺繞環(huán);鐵磁Fe,Co,Ni及稀釷族元素的化合物，能被強烈地磁化。實驗測量B,如用感應(yīng)電動勢測量或用小線圈在縫口處測量；由得出曲線。2.原理：勵磁電流I;

用安培定理得H。當外磁場變化一個周期時，鐵磁質(zhì)內(nèi)部的磁場變化曲線如圖所示；§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線一、磁化曲線的實驗測定鐵磁性材料的磁滯回線§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線3.磁化曲線的三種形式M(B)與H的變化關(guān)系開始M的增加比較緩慢后來增加較快最后達到Ms(飽和磁化強度)縱坐標改為磁感應(yīng)強度B，則對應(yīng)于平衡值Ms的磁感應(yīng)強度值稱為飽和磁感應(yīng)強度(Bs）磁導率μ隨H的變化磁導率μ是B-H曲線上的斜率在B-H曲線上，當H→0時的斜率稱為初（起）始磁導率μi初（起）始磁導率是磁性材料的重要性能指標之一§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線鐵磁與亞鐵磁B-H曲線（亞）鐵磁體磁化時，磁化強度M(B)與磁場強度H間不是簡單的線性比例關(guān)系；磁化強度M(B)隨H的變化如右圖所示(假設(shè)樣品在一開始已經(jīng)退磁化)。H增加，磁域界移動，磁域逐漸改變，磁矩方向轉(zhuǎn)向，漸與磁場平行，單一磁域（飽和磁化）

§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線二、磁化曲線與磁疇的關(guān)系§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線樣品磁化到飽和點之后，慢慢地減小H，則M也減小。這個過程叫退磁化過程。M(B)的變化并不是按磁化曲線的原路程退回，而是按另一條曲線變化。§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線三、磁滯回線§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線三、磁滯回線BHoc起始磁化曲線為oc,當外磁場減小時，介質(zhì)中的磁場并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場變化，

——磁滯現(xiàn)象。HcBrHc當外磁場為0時，介質(zhì)中的磁場并不為0，有一剩磁Br;矯頑力——加反向磁場Hc，使介質(zhì)內(nèi)部的磁場為0，繼續(xù)增加反向磁場，介質(zhì)達到反向磁飽和狀態(tài)；改變外磁場為正向磁場，不斷增加外場，介質(zhì)又達到正向磁飽和狀態(tài)。磁化曲線形成一條磁滯回線。結(jié)論鐵磁質(zhì)的不是一個常數(shù)，它是的函數(shù)。B的變化落后于H，從而具有剩磁，即磁滯效應(yīng)?！?.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線§3.鐵磁性理論3.2鐵磁體的磁化曲線四、磁滯回線與磁疇的關(guān)系

在無外磁場時，各磁疇排列雜亂無章，鐵磁質(zhì)不顯磁性；在外磁場中，各磁疇沿外場轉(zhuǎn)向，介質(zhì)內(nèi)部的磁場迅速增加，在鐵磁質(zhì)充磁過程中伴隨著發(fā)聲、發(fā)熱。Bo磁疇：鐵磁質(zhì)中由于原子的強烈作用，在鐵磁質(zhì)中形成磁場很強的小區(qū)域——磁疇。磁疇的體積約為10-12m3

?！?.鐵磁性理論3.3鐵磁體的磁化機制一、磁疇的轉(zhuǎn)向隨著外磁場增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來越少，鐵磁質(zhì)中的磁場增加的速度變慢，最后外磁場再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場也不會增加，鐵磁質(zhì)達到磁飽和狀態(tài)。HBoabcd起始磁化曲線飽和磁化強度MS等于每個磁疇中原來的磁化強度，該值很大，這就是鐵磁質(zhì)磁性r大的原因。

磁滯現(xiàn)象是由于摻雜和內(nèi)應(yīng)力等的作用，當撤掉外磁場時磁疇的疇壁很難恢復到原來的形狀，而表現(xiàn)出來。§3.鐵磁性理論3.3鐵磁體的磁化機制磁飽和狀態(tài)磁滯損耗磁滯回線所包圍的面積表征一個磁化周期內(nèi)，以熱的形式所消耗的功(J/m3)。最大的磁能積(BH)max它是磁滯回線在第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強度和磁場強度乘積的最大值?！?.鐵磁性理論3.3鐵磁體的磁化機制二、磁滯損耗與最大磁能積磁化，未必一定要磁化到飽和后才改變外磁場方向。在右圖中，封閉曲線即是未達到飽和時的磁滯回線。也可以在將材料磁化到任何一點時開始改變外磁場的方向，產(chǎn)生其它形式的滋滯回線，如右圖中的封閉曲線LM。如果要將已磁化的鐵磁體或亞鐵磁體去磁，有效方法之一是使之經(jīng)受一個振幅逐漸減小的交變磁場的作用。三、磁化程度§3.鐵磁性理論3.3鐵磁體的磁化機制(1)加熱法當鐵磁質(zhì)的溫度升高到某一溫度時，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)，該溫度為居里溫度tc。當溫度低于tc時，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度Tc=770°C

30%的坡莫合金居里溫度Tc=70oC原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動加劇，提供了磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使鐵磁質(zhì)失去磁性。四、退磁方法(2)敲擊法：通過振動可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會使磁鐵磁性減小。(3)加反向磁場法：加反向磁場，提供一個矯頑力Hc,使鐵磁質(zhì)退磁。(4)加交變衰減的磁場：使介質(zhì)中的磁場逐漸衰減為0，應(yīng)用在錄音機中的交流抹音磁頭中?！?.鐵磁性理論3.3鐵磁體的磁化機制(1)軟磁材料具有較高的磁導率和較高的飽和磁感應(yīng)強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成?！?.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類軟磁材料主要應(yīng)用制造磁導體，變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動機轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、磁極頭、磁屏蔽材料、感應(yīng)圈鐵芯、電子計算機開關(guān)元件和存儲元件等。軟磁材料的應(yīng)用要求

要求軟磁材料的電阻率比較高因為使用中除上述磁滯能量損失之外，還可能因磁場變化在磁性材料中產(chǎn)生電流（渦流）而造成能量損失。為了盡量減少后一種能量損失，要求磁性材料的電阻率較高，因此常用固溶體合金（如鐵-硅、鐵-鎳合金）和陶瓷鐵氧體作軟磁材料?！?.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類§3.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類(2)硬磁材料硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。主要特點具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金和鋁鋼等。§3.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類硬磁材料主要應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。鋁鎳鈷合金硬磁材料六方鐵氧體硬磁材料稀土永磁材料一類是釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料最大磁能積最高者。其主要缺點是溫度穩(wěn)定性和抗腐蝕性稍差。一類是鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點是脆，加工性稍差。§3.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類§3.鐵磁性理論3.4鐵磁材料分類(3)非金屬氧化物----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強度具有高磁導率、高電阻率由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物（如NiO，ZnO等粉末混合燒結(jié)而成