磁性材料-第一章

第一章磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1磁化率和磁導(dǎo)率對(duì)置于外磁場(chǎng)中的磁體有：M=χH

χ稱為磁體的磁化率

B=μ0(H+M)=μ0(H+χH)=μ0(1+χ)H

定義：μ=

1+χ

相對(duì)磁導(dǎo)率

μ=

B/μ0H*表征磁體的磁性、導(dǎo)磁性及磁化難易程度的一個(gè)磁學(xué)量。在不同的磁化條件下，磁導(dǎo)率有不同的表達(dá)形式(1)起始磁導(dǎo)率μi磁中性狀態(tài)下磁導(dǎo)率的極限值，實(shí)驗(yàn)上等于B-H曲線在原點(diǎn)O處切線的斜率除以μ0(2)最大磁導(dǎo)率μmax

(3)復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率

磁體在交變磁場(chǎng)中磁化時(shí)，B和H之間存在相位差，只能用復(fù)數(shù)表示。它們?cè)趶?fù)數(shù)表示法中的商也同樣是一個(gè)復(fù)數(shù)。(4)增量磁導(dǎo)率μ

磁體在穩(wěn)恒磁場(chǎng)H0作用下，疊一個(gè)較小的交變磁場(chǎng)，表現(xiàn)出來的磁導(dǎo)率為增量磁導(dǎo)率。

B、H分別為交變磁感應(yīng)強(qiáng)度和交變磁場(chǎng)強(qiáng)度的峰值。(5)可逆磁導(dǎo)率

rev

(6)微分磁導(dǎo)率μdiff

起始磁化曲線上任一點(diǎn)的斜率被稱為微分磁化率。(7)不可逆磁導(dǎo)率μirr

不可逆磁導(dǎo)率是由不可逆磁化而引起的。(8)總磁導(dǎo)率

tot

連接原點(diǎn)O與起始磁化曲線上任一點(diǎn)的直線的斜率被稱為總磁導(dǎo)率。*不管哪種磁導(dǎo)率，其值都不是常數(shù)，而是H的函數(shù)。1.2磁性和磁性材料的分類所有的物質(zhì)都具有磁性，但并不是所有的物質(zhì)都能作為磁性材料來應(yīng)用。有些物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性，而大部分物質(zhì)磁性很弱，因此實(shí)際上只有很少一部分物質(zhì)能夠作為磁性材料來應(yīng)用。1.2.1物質(zhì)的磁性分類按照磁體磁化時(shí)磁化率的大小和符號(hào)，可以將物質(zhì)的磁性分為五個(gè)種類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。1.2.2磁性材料分類從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，磁性材料可以分為以下幾類：軟磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料1.3磁性材料中的基本現(xiàn)象1.3.1磁晶各向異性定義：對(duì)于單晶材料，其磁化曲線隨晶軸方向的不同而有所差別，即磁性隨晶軸方向顯示各向異性。*磁晶各向異性存在于所有鐵磁性晶體中。Ni單晶的磁化曲線*易磁化方向（易軸）<111>；難磁化方向（難軸）<100>一、磁晶各向異性能鐵磁體從退磁狀態(tài)磁化到飽和，需要付出的磁化功為：沿鐵磁晶體不同晶軸方向磁化時(shí)所增加的自由能不同，稱這種與磁化方向有關(guān)的自由能為磁晶各向異性能。*說明：鐵磁體中的自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇的分布取向不會(huì)是任意的，而是取向于磁晶各向異性能最小的各個(gè)易磁化軸的方向上。Why?(1)立方晶系K1、K2為立方晶體磁晶各向異性常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。

i為MS對(duì)于x、y、z軸的方向余弦。Fe：易軸為[100]，故K1>0Ni：易軸為[111]，故K1<0(2)六角晶系若自發(fā)磁化方向與c軸所成的角度為

Co晶體：易軸為[0001]，故KU1、KU2>0二、磁晶各向異性等效場(chǎng)*無外場(chǎng)時(shí)磁疇內(nèi)的磁矩傾向于沿易軸方向取向，就好像在易磁化方向存在一個(gè)磁場(chǎng)，把磁矩拉了過去。它并不是真實(shí)存在的磁場(chǎng)，而是把磁晶各向異性能的作用等效為一個(gè)磁場(chǎng)作用。求法：磁體在磁晶各向異性等效場(chǎng)中的磁場(chǎng)能＝磁晶各向異性能等效場(chǎng)*六角晶體（易軸為[0001]）*立方晶體：易軸[100]

易軸[111]三、磁晶各向異性起源*晶體場(chǎng)電子軌道角動(dòng)量淬滅電子的軌道運(yùn)動(dòng)失去了自由狀態(tài)下的各向同性，變成了與晶格相關(guān)的各向異性電子云分布各向異性*電子的自旋運(yùn)動(dòng)與軌道運(yùn)動(dòng)之間存在耦合作用電子軌道運(yùn)動(dòng)隨自旋取向發(fā)生變化磁晶各向異性來源模型（a）磁體水平磁化時(shí)，電子云交疊少，交換作用弱（b）磁體垂直磁化時(shí)，由于L-S耦合作用，電子云隨自旋取向而轉(zhuǎn)動(dòng)，電子云交疊程度大，交換作用強(qiáng)1.3.2磁致伸縮定義：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。一、磁致伸縮效應(yīng)線磁致伸縮：縱向磁致伸縮、橫向磁致伸縮體積磁致伸縮很小，可忽略磁致伸縮系數(shù)：

的大小與H的大小有關(guān)

S：飽和磁致伸縮系數(shù)

S>0正磁致伸縮；S<0負(fù)磁致伸縮*同種單晶體在不同晶軸方向磁化時(shí)的磁致伸縮系數(shù)是不相同的，即單晶體的磁致伸縮具有各向異性。*對(duì)立方晶體*

1、

2、

3分別為磁化方向相對(duì)于單晶晶軸的方向余弦；*

1、

2、

3分別為磁致伸縮方向相對(duì)于單晶晶軸的方向余弦。*通過對(duì)材料施加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，能引起材料的磁性能變化，即所謂的壓磁效應(yīng)，這是磁致伸縮的逆效應(yīng)。*研究磁致伸縮的意義：（1）了解磁體內(nèi)部各種相互作用的本質(zhì)以及磁化過程與物體形變的關(guān)系；（2）根據(jù)材料的壓磁效應(yīng)原理制成許多有用的器件。二、磁致伸縮機(jī)理*同磁晶各向異性的來源一樣，由于原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產(chǎn)生。1.4磁疇結(jié)構(gòu)*退磁場(chǎng)能最小是形成磁疇的主要原因。*實(shí)際情況中，還必須考慮其他一些因素比如交換能、磁晶各向異性能、磁致伸縮導(dǎo)致的磁彈性能等的影響。真實(shí)的磁疇結(jié)構(gòu)由總能量的極小值來確定。1.4.1磁疇的成因1.4.2疇壁結(jié)構(gòu)*根據(jù)疇壁中磁矩的過渡方式，可將疇壁分為布洛赫壁和奈爾壁兩種類型。*布洛赫壁：大塊鐵磁晶體內(nèi)的疇壁屬于此類。*奈爾壁：在極薄的磁性薄膜中存在。布洛赫壁結(jié)構(gòu)奈爾壁結(jié)構(gòu)*另一種分類方法：根據(jù)疇壁兩側(cè)磁疇的自發(fā)磁化方向間的關(guān)系，將疇壁分為180o疇壁和90o疇壁。夾角是180o時(shí)，稱為前者；其他的稱為后者。1.4.3特殊磁疇結(jié)構(gòu)一、單疇*鐵磁晶體材料的尺寸變小時(shí)，內(nèi)部包含的磁疇會(huì)減少。到一定程度時(shí)，成為多疇時(shí)的疇壁能比單疇的退磁場(chǎng)能還要高，這時(shí)材料將不再分疇，形成單疇結(jié)構(gòu)。*單疇顆粒不會(huì)有疇壁位移磁化過程，只有磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程，因此磁化和退磁都比較困難。*若磁晶各向異性能較強(qiáng)

矯頑力高永磁材料*永磁材料制備工藝中，常采用粉末法來提高矯頑力；*軟磁材料制備中應(yīng)避免顆粒太小，以免成為單疇降低磁導(dǎo)率。二、磁泡定義：在一些薄膜磁性材料中出現(xiàn)的一種圓柱形磁疇*形成磁泡的首要條件：磁性薄膜具有單軸各向異性，其易磁化軸垂直膜面，且等效磁晶各向異性場(chǎng)大于垂直膜面的退磁場(chǎng)。*H=0時(shí)，自發(fā)磁化條狀磁疇*加小H時(shí)，與外磁場(chǎng)方向一致的磁疇體積增大，與外場(chǎng)反向的磁疇體積縮小。*當(dāng)外場(chǎng)增大到一定大小時(shí)，與外場(chǎng)同向的磁疇占據(jù)了大部分體積，而與外場(chǎng)反向的磁疇收縮為孤立的圓柱形磁疇，即磁泡。*H繼續(xù)增大，磁泡直徑會(huì)減小，當(dāng)H達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，磁泡會(huì)消失。*磁泡產(chǎn)生的退磁場(chǎng)Hd與薄片的磁化方向相同，其作用是使磁泡退磁。為克服退磁作用，須有一數(shù)值較大、方向與Hd相反的磁場(chǎng)，才能保證磁泡穩(wěn)定的存在。該磁場(chǎng)便是材料的單軸各向異性等效場(chǎng)HK。*磁泡的動(dòng)態(tài)特性－遷移率為使磁泡遷移率較高，KU1不能太大。*磁泡體積小，并能高速轉(zhuǎn)移，用它作為計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器或傳輸和邏輯器件，將會(huì)在很大程度上增加存儲(chǔ)量，提高計(jì)算速度。*原理：控制磁泡的產(chǎn)生和消失，分別作為寫“1”和“0”，并能檢測(cè)磁泡的有無，從而讀出寫入的“1”和“0”。1.5技術(shù)磁化1.5.1磁化機(jī)制*磁化過程：磁性材料由磁中性狀態(tài)變到磁飽和狀態(tài)的過程*反磁化過程：從磁飽和狀態(tài)回到退磁狀態(tài)的過程*技術(shù)磁化：鐵磁體在外場(chǎng)作用下通過磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)和疇壁位移實(shí)現(xiàn)宏觀磁化的過程*磁化本質(zhì)：內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化*Vi為第i個(gè)磁疇的體積；

i為第i個(gè)磁疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度與H間的夾角；V0為塊體材料的體積。*沿外場(chǎng)H方向上的磁化強(qiáng)度MH*當(dāng)H改變

H時(shí)，MH的改變?yōu)?磁化機(jī)制有三種：*技術(shù)磁化只包括前兩項(xiàng)，可分為四個(gè)階段：

(1)弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)的可逆疇壁位移；(2)中等磁場(chǎng)范圍內(nèi)的不可逆疇壁位移；(3)較強(qiáng)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)；(4)強(qiáng)磁場(chǎng)下的不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)。*對(duì)一種磁性材料，磁化過程以一種或幾種機(jī)制為主，不一定包括全部的四種機(jī)制。軟磁材料：疇壁位移磁化為主單疇顆粒材料：僅存在單純疇轉(zhuǎn)磁化過程1.5.2可逆疇壁位移磁化過程*在H作用下，i疇能量最低，k疇能量最高，根據(jù)能量最小原理的要求，i疇體積增大，k疇體積減小，相當(dāng)于疇壁移動(dòng)了一段距離。*實(shí)際上，在一定的外場(chǎng)下，疇壁位移的距離是有限的。原因：材料內(nèi)部存在著阻礙疇壁運(yùn)動(dòng)的阻力，阻力主要來源于鐵磁體內(nèi)部的不均勻性，主要是鐵磁體內(nèi)部存在有內(nèi)應(yīng)力的起伏分布和組分的不均勻分布，如雜質(zhì)、氣孔和非磁性相等。*單位體積鐵磁體內(nèi)的總能量為：*疇壁位移磁化過程中，必須滿足自由能最小原理：*疇壁位移磁化過程中的一般磁化方程式：*物理意義：疇壁位移磁化過程中磁位能的降低與鐵磁體內(nèi)能的增加相等。*磁化過程中的平衡條件：動(dòng)力(磁場(chǎng)作用力)＝阻力(鐵磁體內(nèi)部的不均勻性)*根據(jù)阻力的不同來源，分為兩種理論模型：內(nèi)應(yīng)力模型和含雜模型一、內(nèi)應(yīng)力模型*主要考慮內(nèi)應(yīng)力的起伏分布對(duì)鐵磁體內(nèi)部能量變化的影響，忽略雜質(zhì)的影響。一般的金屬軟磁材料和高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體適合采用這種模型。180o疇壁的起始磁化率:90o疇壁的起始磁化率:l

磁疇的寬度；充實(shí)系數(shù)，晶體中實(shí)際存在的180o疇壁占據(jù)自由能極小位置的分?jǐn)?shù)；

疇壁的厚度；

S

飽和磁致伸縮系數(shù)；

應(yīng)力的變化二、含雜模型*忽略內(nèi)應(yīng)力的影響，主要考慮由于存在的雜質(zhì)而引起的鐵磁體內(nèi)能量的變化。如果鐵磁晶體內(nèi)包含許多非磁性或弱磁性的雜質(zhì)、氣孔等，而內(nèi)應(yīng)力的變化不大，則可以采用含雜模型。180o疇壁為例:d

雜質(zhì)直徑；

雜質(zhì)的體積濃度*小結(jié)：疇壁位移磁化過程中影響起始磁導(dǎo)率的因素有(1)材料的MS，MS越大，

i越高；(2)材料的K1和

S，K1和

S越小，

i越高；(3)材料的內(nèi)應(yīng)力

，材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)越完整均勻，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越小，

i越高；(4)材料內(nèi)的雜質(zhì)濃度

，

越低，疇壁位移磁化過程決定的

i越高。1.5.3不可逆疇壁位移磁化過程*同可逆疇壁位移磁化過程一樣，鐵磁體內(nèi)存在應(yīng)力和雜質(zhì)以及晶界等結(jié)構(gòu)起伏變化是產(chǎn)生不可逆疇壁位移的根本原因。180o疇壁的不可逆疇壁位移模型180o疇壁位移磁化方程

w：疇壁能密度H=0時(shí)，停留在O點(diǎn)，疇壁處于平衡狀態(tài)，因H>0時(shí)，疇壁開始移動(dòng)，磁場(chǎng)能下降，疇壁能增加，二者平衡oa一段：為可逆疇壁位移磁化階段ae一段：為不可逆疇壁位移磁化階段*以存在應(yīng)力起伏分布的180o疇壁為例:*

ir比

i大很多，提高

ir的途徑類似

i1.5.4可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程*磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中總的自由能*疇轉(zhuǎn)磁化過程中的平衡方程式*物理意義：疇轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)鐵磁體內(nèi)磁位能降低的數(shù)值與磁晶各向異性能、磁應(yīng)力能和退磁場(chǎng)能增加的數(shù)值相等時(shí)，疇轉(zhuǎn)磁化處于平衡狀態(tài)。一、由磁晶各向異性控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化*疇轉(zhuǎn)磁化方程*以單軸六角晶系為例得二、由應(yīng)力控制的可逆疇轉(zhuǎn)磁化*疇轉(zhuǎn)磁化方程*求得*實(shí)際中材料內(nèi)部往往同時(shí)存在磁晶各向異性能和磁彈性能，這些因素都會(huì)對(duì)磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成阻力。*可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程