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1、第二章 磁性功能材料,本章主要內(nèi)容,磁學(xué)理論簡(jiǎn)介 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料 軟磁材料、永磁材料 磁性材料的基本性能與應(yīng)用 著名大學(xué)，研究所，公司,磁性材料具有較強(qiáng)磁性的材料。,工業(yè)上最早應(yīng)用的磁性材料:軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代: 非晶態(tài)、納米晶軟磁材料、稀土永磁材材料,計(jì)算機(jī)及聲像記錄用大容量存儲(chǔ)裝置如磁盤(pán)、磁帶； 電工產(chǎn)品：變壓器、電機(jī)，以及通訊、無(wú)線電、電器、 各種電子裝置,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來(lái)源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化

2、過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),(一) 磁矩 一個(gè)圓電流的磁矩定義為： i：電流強(qiáng)度 S：圓電流回線包圍的面積。 其方向可以用右手定則來(lái)確定,1.1 物質(zhì)的磁性,物 質(zhì),分 子,原 子,原子核,核外電子,原子磁矩主要來(lái)源于電子磁矩,物質(zhì)磁性具有普遍性,電子的軌道磁矩,電子的自旋磁矩,原子磁矩,物質(zhì)磁性,原子磁矩,物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性,原子磁矩間相互作用,外加磁場(chǎng)的作用,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來(lái)源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分

3、類(lèi),（二）基本磁性參量,磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)：,磁化強(qiáng)度(M，):,磁感應(yīng)強(qiáng)度(B):,電流強(qiáng)度為i的電流在一個(gè)每米有N匝線圈的無(wú)限長(zhǎng)螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 為：,距離永磁體r處的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 為：,m1為磁極的磁極強(qiáng)度，；r0是r的矢量單位；,單位體積磁性材料內(nèi)原子磁矩的矢量和,物質(zhì)在外磁場(chǎng)H 作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場(chǎng)。在磁性材料內(nèi)部外磁場(chǎng)與附加磁場(chǎng)的和。,在真空中：,在磁性材料中：,磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的關(guān)系：,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來(lái)源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向

4、異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),(三）物質(zhì)磁性的分類(lèi),物質(zhì)磁性分類(lèi),順磁性,鐵磁性,抗磁性,與外加磁場(chǎng)的關(guān)系,反鐵磁性,亞鐵磁性,抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化, 抗磁性,： （10-5 10-6 ）,抗磁性：,磁化率小于零，在外磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反且很小的附加磁場(chǎng)，其值和溫度無(wú)關(guān)。 抗磁性物質(zhì)：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等,順磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化,（2）順磁性,：10-4-10-5,原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向排列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)。 磁化率雖

5、小，但大于零。磁化強(qiáng)度隨溫度的升高而下降。 順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。,順磁性：,（3）反鐵磁性,：10-2-10-4,Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。,磁化率和溫度的關(guān)系在涅耳點(diǎn)(TN)有一轉(zhuǎn)折。在TN點(diǎn)以下為反鐵磁性,隨溫度升高而升高。在TN以上，隨溫度升高而下降，表現(xiàn)如順磁性行為。 反鐵磁性物質(zhì)中有A、B兩個(gè)次晶格，其原子磁矩反平行排列，且大小相等，自發(fā)磁化強(qiáng)度相互抵消，總磁矩為零。,反鐵磁性：,鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化,(4) 鐵磁性,：102-106,在不大的磁化場(chǎng)下，該物質(zhì)有較高的磁化強(qiáng)度，并達(dá)到飽和狀態(tài)； 磁化率隨磁場(chǎng)非線性變化；

6、飽和磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，并在一定溫度Tc（居里溫度）下，鐵磁性消失，變成順磁性。,鐵磁性：,鐵磁性物質(zhì)： Fe、Co、Ni等純金屬。某些稀土元素如Gd（釓g）等 含F(xiàn)e、Co、Ni的合金及化合物； 某些過(guò)渡元素組成的合金。,亞鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化,（5）亞鐵磁性, ： 102 106,也有兩個(gè)次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，但大小不等，總的磁矩為兩反平行排列磁矩的和，不為零。 大量使用的鐵氧體,亞鐵磁性：,物質(zhì)磁性分類(lèi),順磁性,被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向相同，：102 106,鐵磁性,被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向相同，：10-4-10-5,被磁化后，磁化場(chǎng)方向與

7、外場(chǎng)方向相反，： （10-5 10-6 ）,抗磁性,與外加磁場(chǎng)的關(guān)系,反鐵磁性,被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向相同，：10-2-10-4,亞鐵磁性,被磁化后，磁化場(chǎng)方向與外場(chǎng)方向相同，：102-106,弱 磁 性,強(qiáng) 磁 性,磁性材料具有較強(qiáng)磁性的材料。,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),磁化曲線：磁感應(yīng)強(qiáng)度B或磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的非線性關(guān)系的曲線。,（四） 磁化曲線和磁滯回線,鐵磁性材料的磁化

8、曲線,磁滯現(xiàn)象：當(dāng)強(qiáng)磁性材料達(dá)到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場(chǎng)H，介質(zhì)的磁化強(qiáng)度M（或磁感應(yīng)強(qiáng)度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。,（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁,抗磁、順磁或反鐵磁材料無(wú)磁滯現(xiàn)象，M絕對(duì)值低，隨H增加，抗磁性物質(zhì)的M為負(fù)值。,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。 磁晶各向異性，單晶體的磁性各向異性稱(chēng)為磁晶各

9、向異性,單晶體的易磁化和難磁化方向,（五）磁晶各向異性,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),磁性材料磁化過(guò)程中發(fā)生沿磁化方向伸長(zhǎng)(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長(zhǎng))的現(xiàn)象 它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對(duì)大小用磁致伸縮系數(shù)表示，即 ： =l/l 式中，l和l分別表示磁場(chǎng)方向的絕對(duì)伸長(zhǎng)與原長(zhǎng)。 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時(shí)，磁致伸縮系數(shù)稱(chēng)為飽和磁致伸縮系數(shù)，用s表示。 對(duì)于3d金屬及

10、合金:s約為 10-510-6。,（五）磁致伸縮,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類(lèi) （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 1.3 磁性材料分類(lèi),第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性 1.3 磁性材料分類(lèi),1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量,抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化,順磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨

11、溫度的變化,(一) 磁疇結(jié)構(gòu) 理論和實(shí)驗(yàn)均已證明，在居里溫度以下，在沒(méi)有外磁場(chǎng)的作用下，鐵磁性材料內(nèi)部分成若干個(gè)小區(qū)域，在每個(gè)小區(qū)域內(nèi)原子磁矩自發(fā)的磁化飽和，即原子磁矩平行排列。 每一個(gè)磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個(gè)磁疇。,實(shí)際材料中的籌結(jié)構(gòu)，受到材料的尺寸，晶界，應(yīng)力，參雜和缺陷等的影響，因而情況比較復(fù)雜,1. 通常情況下磁疇尺寸？ 寬度10-3cm，體積10-9cm3,1014原子 2. 軟磁性物質(zhì)在通常情況下不顯示磁性？,磁疇結(jié)構(gòu),磁疇,疇壁（磁疇壁） 103原子,布洛赫疇壁,布洛赫(Bloch)磁疇壁,疇壁兩側(cè)的原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與疇壁平面平行,奈爾疇壁,奈耳（Neel）磁疇壁,

12、疇壁內(nèi)原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面,（3）混合磁疇壁,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性 1.3 磁性材料分類(lèi),磁化過(guò)程： 磁性材料在外磁場(chǎng)作用下由宏觀的無(wú)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過(guò)程。 磁化是通過(guò)磁疇的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,（二）磁疇移動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程,各磁疇內(nèi)部的磁矩平行或反平行于外加磁場(chǎng)，不受這一磁場(chǎng)的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動(dòng)。,受外磁場(chǎng)作用時(shí)，疇內(nèi)整齊排列在易磁化方向上

13、原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。外場(chǎng)愈強(qiáng)，材料的磁晶各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場(chǎng)方向。,疇內(nèi)磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng),疇壁移動(dòng),運(yùn)動(dòng)方式,在增大磁化場(chǎng)時(shí),疇壁移動(dòng)和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖,圖(a)表示一塊鐵磁體在磁化場(chǎng)H=0時(shí)的疇結(jié)構(gòu)，它表示各個(gè)自發(fā)磁化區(qū)的磁化矢量(用矢號(hào)表示)相互抵消，總體上磁化強(qiáng)度為零； 圖(b)、（c）和（d）表示在外磁場(chǎng)H逐漸增大時(shí)的疇結(jié)構(gòu)，在圖的下邊用斜向上方的矢號(hào)表示H的方向和大小； 圖(b) 示明在較弱外磁場(chǎng)H=H1時(shí)疇壁位移的情況：和外場(chǎng)方向接近的疇長(zhǎng)大，和外場(chǎng)方向相反或方向相差較多的疇縮小。 圖(c)表示在H=H2時(shí)疇壁位移完了時(shí)的情況，此時(shí)在整個(gè)試樣中不存

14、在疇璧，合并成一個(gè)磁疇，但其磁化方向和外場(chǎng)H不一致。 圖(d)表示在更高的外場(chǎng)H3作用下，磁疇的磁化矢量轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)的方向一致，此時(shí)達(dá)到飽和磁化。,（三）磁化曲線,磁化過(guò)程四階段：,（1） OA階段，M 隨H 呈線性地緩慢增長(zhǎng)，可逆疇壁移動(dòng)過(guò)程。 （2） AB階段，M 隨H 急劇增長(zhǎng)，不可逆疇壁移動(dòng)過(guò)程 （3）BC階段，M 的增長(zhǎng)趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近于H 方向的晶體易磁化方向，M 的增長(zhǎng)主要靠可逆轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （4）CD階段，趨近飽和過(guò)程或稱(chēng)平行過(guò)程。磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達(dá)到飽和狀態(tài)。,反磁化過(guò)程,退磁曲線和磁滯回線,在磁滯回線上，由C點(diǎn)的磁化狀態(tài)到C點(diǎn)的磁化狀態(tài)，

15、稱(chēng)為反磁化過(guò)程。與反磁化過(guò)程相對(duì)應(yīng)的BH曲線稱(chēng)為反磁化曲線。,反磁化過(guò)程,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性 1.3 磁性材料分類(lèi),（三）鐵磁體中的磁自由能,交換能 靜磁能 退磁場(chǎng)能 磁晶各向異性能 磁彈性能, 交換能： 交換能屬于近鄰原子間的靜電相互作用能。它比其它各項(xiàng)磁自由能大102-104數(shù)量級(jí)。 它使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有序排列，即自發(fā)磁化。其他各項(xiàng)磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。,在3d金屬如Fe，

16、Co，Ni，中，當(dāng)3d電子云重疊時(shí)，相鄰的3d電子存在交換作用。交換能Eex與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向有關(guān)，表達(dá)為,是以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動(dòng)量。為相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角遵循能量最小原理。,為什么鐵磁性材料中會(huì)出現(xiàn)磁疇呢？, 靜磁能：強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的相互作用能稱(chēng)為靜磁能,M磁化強(qiáng)度；H外磁場(chǎng)；M 和H 的夾角,（3）磁晶的各向異性能EK,從晶體的易磁化方向轉(zhuǎn)到難磁化方向所需做的功叫磁晶各向異性能EK 對(duì)于不同的晶體結(jié)構(gòu)有不同的表達(dá)式。 立方晶體：,（4）磁彈性能E,當(dāng)鐵磁體內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時(shí)，磁

17、致伸縮與應(yīng)力發(fā)生相互作用，與此相關(guān)的能量稱(chēng)為磁彈性能。,（5） 退磁場(chǎng)能 退磁場(chǎng) 在開(kāi)路狀態(tài)下，一個(gè)有限大小的樣品被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，在它的兩端將產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)的方向與磁體的M方向相反，并使磁體產(chǎn)生退磁傾向，叫做退磁場(chǎng)Hd。,退磁場(chǎng)能：物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和其自身的退磁場(chǎng)的相互作用能稱(chēng)為退磁場(chǎng)能。,N稱(chēng)為退磁因子，與鐵磁體的形狀有關(guān) 沿長(zhǎng)軸磁化的細(xì)長(zhǎng)樣品，N0， 短粗的樣品，N則很大,宏觀磁體內(nèi)磁疇？ 交換能 磁晶各向異性能 退磁場(chǎng)能,第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ),1.1 物質(zhì)的磁性 1.2 磁化過(guò)程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動(dòng)與磁化過(guò)程，反磁化過(guò)程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料

18、的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性 1.3 磁性材料分類(lèi),(四）磁性材料的技術(shù)磁參量,技術(shù)磁參量,MS: 飽和磁化強(qiáng)度 Tc：居里溫度 Hc：矯頑力 Mr：剩磁,主要取決于材料的化學(xué)成分,對(duì)材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷、摻雜物等）敏感，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚫淖?外稟磁參量: Hc、Mr，磁導(dǎo)率，磁損耗磁能積等,內(nèi)稟磁參量: MS、Tc,飽和磁化強(qiáng)度MS 有兩個(gè)鐵磁相時(shí),居里溫度Tc:,鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度,粘性磁導(dǎo)率,粘性磁導(dǎo)率,靜態(tài)磁導(dǎo)率：直流磁場(chǎng)中測(cè)得的磁導(dǎo)率 起始磁導(dǎo)率：磁化曲線起始點(diǎn)的斜率（技術(shù)上規(guī)定） 最大磁導(dǎo)率：B-H曲線上B與H比值的最大值?？拷R界

19、場(chǎng)，與材料內(nèi)摻雜物，內(nèi)應(yīng)力等有關(guān)，是組織敏感參量 動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率：在交流磁場(chǎng)中測(cè)得的磁導(dǎo)率,彈性磁導(dǎo)率，與磁性材料存貯的能量成正比。,磁導(dǎo)率： B-H曲線上任何一點(diǎn)的B與H的比值都 稱(chēng)為磁導(dǎo)率。 決定功能器件的靈敏度,剩磁： 鐵磁體磁化到技術(shù)飽和并去掉外磁場(chǎng)后，在磁化方向保留的Mr或者Br統(tǒng)稱(chēng)為剩磁。Mr稱(chēng)為剩余磁化強(qiáng)度，Br稱(chēng)為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 矯頑力： 鐵磁體磁化到技術(shù)飽和后，使它的磁化強(qiáng)度或者磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要的反向磁場(chǎng)稱(chēng)為矯頑力。,磁損耗： 軟磁材料在磁化和反磁化過(guò)程中所損失的能量。由渦流損耗We，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即 W=We+Wh+Wr,渦流損耗We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關(guān)系如下:,磁滯損耗Wh：在循環(huán)磁化條件下，材料每循環(huán)磁化一周所消耗的能量，它也以熱的形式表現(xiàn)出來(lái)，其大小與磁滯回線的面積呈正比。 剩余損耗Wr ：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分,磁能積（BH） ：磁鐵在氣