材料的磁学PPT课件

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1、1第三章第三章 材料的磁学材料的磁学3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.2 磁学量及材料磁性分类磁学量及材料磁性分类3.3 铁磁性和反铁磁性铁磁性和反铁磁性3.4 技术磁化与磁滞现象技术磁化与磁滞现象3.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用2 磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均具有子及物质均具有“磁性磁性”，本质上来源于，本质上来源于电子磁矩电子磁矩。材料的磁学：材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科其联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。，促进对

2、材料磁性的利用和开发。基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。磁性磁性材料已经形成了一个庞大的家族，材料已经形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；按材料构成来划分，按材料构成来划分，有合金磁性材料，铁氧体磁性材料有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。343.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.1.1 原子的磁性原子的磁性量子力学哥本哈根学派领袖，1922年获诺贝尔物理学奖，师从卢瑟福，弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道等诺贝尔奖获得者 Bohr(1

3、885-1962)5)1(2)1()1()1(1 JJLLSSJJgJJJ耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用强，相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩为原子总磁矩；（Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用弱，相互作用弱，先各自耦合为总先各自耦合为总L、总、总S，再叠加，再叠加为原子总磁矩为原子总磁矩；（Z33)LS耦合耦合:BJJJJg)1(原子总磁矩原子总磁矩:朗德因子朗德因子:原子总角动量：原子总角动量：SLJ 673.1.2 材料材料(固体固体)的磁性的磁性Jim VmMii 原子磁矩原子磁矩磁

4、化强度磁化强度铁磁性铁磁性顺磁性顺磁性材料材料器件器件磁畴磁畴单晶单晶多晶多晶微微观观宏宏观观原子原子晶胞晶胞8(2)磁矩（磁矩（m）环形电流周围的磁场环形电流周围的磁场 定价于定价于磁偶极子周围的磁场磁偶极子周围的磁场:3.2 磁学量及材料磁性分类磁学量及材料磁性分类NSNSSImlqmm3.2.1 磁学量磁学量LnIH dUE 电场强度电场强度 Elqme电偶极距电偶极距磁偶极矩磁偶极矩(1)磁场强度磁场强度 HOHH二者均与二者均与介质无关介质无关NS9静磁能静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：HmUm 0cos0mH 00mU0Uma

5、xU 磁力矩磁力矩:磁矩磁矩m在外磁场在外磁场H中受到一个中受到一个 转动力距，以降低磁势能，直至转动力距，以降低磁势能，直至U最小最小HmTm 0sin0mH Hmz mT0T010(3)磁化强度磁化强度 M=0 MM=0 MS S 磁化：磁化：在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏被诱导出宏观磁矩观磁矩M，从而显示宏观磁性的过程，从而显示宏观磁性的过程。磁化强度：磁化强度：HVmMii /HS S NN 磁化率磁化率/系数系数M=MM=MS SmVMMs 0HN

6、S M=0M=011 外加磁场外加磁场H在介质中感应的磁场大小在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）（磁力线密度）B，是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，与介质有关。与介质有关。对于真空：对于真空：对于磁介质：对于磁介质：（4）磁感应强度）磁感应强度 BHB0)(0MHBH)1(0Hr0真空磁导率真空磁导率相对磁导率相对磁导率12物质磁学和电学基本量的比较物质磁学和电学基本量的比较磁学量电学量磁磁 化化：磁介质在磁场中感生磁极磁介质在磁场中感生磁极磁场强度磁场强度：（真空）（真空）磁化强度磁化强度：磁感应强度：磁通密度磁感应强度：磁通密度 绝对磁导率绝对磁

7、导率：相对磁导率相对磁导率：磁磁 化化 率率：极极 化：电介质在电场中感生电荷化：电介质在电场中感生电荷电场强度电场强度：（真空）（真空）极化强度极化强度：电感应强度电感应强度：电通密度电通密度/电位移矢量绝对电容率绝对电容率：相对电容率相对电容率：极极 化化 率率：me1rm1re0r 0r HMHB)(0HVmMmiEPED)(0EVPeiLnIH/dUE/mH/10470mF/10854.8120相对介电常数介电常数133.2.2 物质的磁性分类物质的磁性分类 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根据根据 的关系，作出的关系，作

8、出磁化曲线磁化曲线。抗磁性材料反铁磁性材料HM顺磁性材料亚铁磁性材料铁磁性材料O（1）抗磁体）抗磁体在磁场中受微弱斥力。在磁场中受微弱斥力。金属中一般简单金属为抗磁体。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体经典抗磁体：不随温度变化，不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体反常抗磁体：随温度变化，随温度变化，如铋、镓、锑等。如铋、镓、锑等。（10-6）0HM 14（2）顺磁体）顺磁体 （10-6 10-3）在磁场中受微弱吸引力。在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体正常顺磁体：其：其 随温度变化符合反比关系，如金属铂、随温度变化符合反比关系，如金属铂、钯、奥氏体不锈钢、

9、稀土金属等。钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。与温度无关的顺磁体与温度无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。，如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）如铁、钴、镍等。如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此此临界温度临界温度称为称为居里温度居里温度或或居里点居里点，用，用Tc表示。表示。所以，所以，居里温度居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。063101015（4）亚铁磁体）亚铁磁体（值没有铁磁体那样大）值没有铁磁体那样大）磁铁

10、矿、铁氧体都属于亚铁磁体。磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。亚铁磁性材料：亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。余磁矩。（5）反铁磁体）反铁磁体（是小的正数。）是小的正数。）温度低于某温度时，它的磁化率同磁温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。为像顺磁体。如如 、铬、氧化镍、氧化锰等。、铬、氧化镍、氧化锰等。-MnMnO163.3 铁磁性和反铁磁性铁磁性和反铁磁性3.3.1 铁磁性铁磁性 1.分子场与自发磁化分子场与自发磁化 2.量子直接交换作用量子直接交换作用 3.居

11、里温度居里温度3.3.2 反铁磁性反铁磁性 1.量子间接交换作用量子间接交换作用 2.反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性m17分子场与自发磁化分子场与自发磁化铁磁性特点：铁磁性特点：1）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显示磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；示磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；2）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充磁，这种磁性会消失。磁，这种磁性会消失。为什么？为什么？1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：年，外斯提出铁磁性的分子场理论：

12、（1）分子场假说）分子场假说 铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下自发产生的磁化自发产生的磁化，称为称为自发磁化自发磁化。自发磁化，用矢量。自发磁化，用矢量自发磁自发磁化强度化强度 表示，其大小等于饱和磁化强度表示，其大小等于饱和磁化强度 。1907,WeissSMSMM18（2）磁畴假说）磁畴假说 由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化自发磁化矢矢量量 必然必然分区存在、相互抵消分区存

13、在、相互抵消，这些区域即所谓的这些区域即所谓的“磁畴磁畴”。所谓所谓磁化磁化，是，是借助外加磁场作用，借助外加磁场作用，将自发磁化调整到外将自发磁化调整到外场方向（显示出来）而已场方向（显示出来）而已，并非向其提供额外磁性，并非向其提供额外磁性。HVmMmiim磁化磁化H0 VmMiMsM19smwMH w根据根据Boltzmann统计，统计，Weiss导出导出)()0(yBMMJ 其中，布里渊函数其中，布里渊函数JyJyJJJJyBJ2coth2112coth12)(kTHHJgymBJ/)(0 BJnJgM)0(n原子体积浓度原子体积浓度（3）外斯（）外斯（Weiss)理论理论202.量子

14、直接交换作用量子直接交换作用)(222rUmH贡献于电子贡献于电子云重叠部分云重叠部分Fe Fe 21201222()2eAEEKA ssR 2212*12212121212d d1221 d d11111 d22 daabbababababbaababKVAVVerrr K 是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能库仑能。A 是两个氢原子中电子交换所产生的是两个氢原子中电子交换所产生的交换能交换能，与电子云重叠的，与电子云重叠的程度有关。程度有关。a(1)-a原子中的电子原子中的电子1的波函数。的波函数。b(2)-b原子中的电子原子中的电子2的波

15、函数。的波函数。a(2)-b原子中的电子原子中的电子2在在a原子的波函数。原子的波函数。b(1)-a原子中的电子原子中的电子1在在b原子的波函数。原子的波函数。电子自旋角动量矢量电子自旋角动量矢量22当 A 0 时，自旋反平行为基态，这是氢分子情形 A 0 时，自旋平行为基态，这是可能出现铁磁性的条件海森伯的讨论就从交换能开始。海森伯的讨论就从交换能开始。其中，后面一项我们称作交换能交换能122exEAss 虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用，但从氢分子虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用，但从氢分子的例子中可以看出：它起源于原子之间的库仑相互作用的例子中可以看出：它起源于原子之间的库仑相互

16、作用Vab，交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果。由于泡利原。由于泡利原理，自旋取向的不同决定了电子空间分布的不同（对称或反理，自旋取向的不同决定了电子空间分布的不同（对称或反对称），从而影响了库仑相互作用。所以分子场当作一个磁对称），从而影响了库仑相互作用。所以分子场当作一个磁场作用来看虽具有难以理解的巨大强度（场作用来看虽具有难以理解的巨大强度（103T)，但从量子力，但从量子力学效应来看，这是很自然的。学效应来看，这是很自然的。23 假设：N个原子组成的系统中，每个原子个原子组成的系统中，每个原子只有一个电子对铁磁性有贡献，只有一个电子对铁磁性

17、有贡献，只考虑不同只考虑不同原子中电子的交换。原子中电子的交换。N个电子系统的交换能：个电子系统的交换能：2()NexjijijEAss 由于交换作用是近程作用由于交换作用是近程作用，只对近邻求和只对近邻求和:2exijijEAs s 证明，证明，Weiss的分子场可表达为：的分子场可表达为：z是最近邻原子数目是最近邻原子数目二二.Heisenberg 铁磁理论铁磁理论量子力学奠基人之一，1932年获诺贝尔物理学奖，师从索末菲、波恩、波尔，弟子有诺贝尔奖获得者布洛赫等Heisenberg (1901-1976)19282)(2BmgNzAwMH 24物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有物质具有

18、铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子未充满的电子壳壳 层层，即有原子磁距。（，即有原子磁距。（Si0）物质具有铁磁性的充分条件是物质具有铁磁性的充分条件是 A0，这里，这里A 可以理解为可以理解为广义的或等效的交换积分，且交换能可以表示为：广义的或等效的交换积分，且交换能可以表示为：2exijEASS 近邻 交换积分及铁磁性条件交换积分及铁磁性条件:25263.居里温度居里温度MsTTc铁磁性物质铁磁性物质Ms与温度的关系与温度的关系物物质质Ms(A/m)Tc(K)Fe1.741061043Co1.431061403Ni5.1106631 铁电性物质的饱和极化强度饱和极化强度有类似规律27

19、3.3.2 反铁磁性反铁磁性1.量子间接交换作用量子间接交换作用MnOMn2+O2-Mn2+Mn2+O2-Mn2+3d52p63d5Mn+O-Mn2+(a)基态基态 (b)激发态激发态间接交换作用示意图间接交换作用示意图A0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；即磁距自发磁化（铁磁性）；当当A0，要求反向排列（反铁磁性）要求反向排列（反铁磁性）2exijEASS 近邻（畴壁尺度）（畴壁尺度）40（3）磁晶各向异性能磁晶各向异性能 E k 在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不

20、同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的磁化功磁化功不同。不同。HdMQ0（单晶尺度）（单晶尺度）41222222222210)(KKKEk 、为为M与三个晶轴的方向余弦，与三个晶轴的方向余弦，K0、K1、K2代表晶代表晶体各向异性常数。体各向异性常数。磁晶各向异性起源磁晶各向异性起源，可按自旋轨道相互作用模型解释：，可按自旋轨道相互作用模型解释：一、电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道一、电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向和自旋间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向于在晶体的某些

21、方向上能量最低，而在另一些方向能量高。于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排磁化方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排列在易磁化方向上。列在易磁化方向上。42（4）退磁能退磁能 E d 形状各向异性能形状各向异性能 铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在内部内部产生一个产生一个退磁退磁场场Hd，其方向与磁化强度，其方向与磁化强度M、外加磁场、外加磁场H相反，起抵消作用。相反，起抵消作用。2/

22、20NMdMHEMddNMHdSSNNHdHM（宏观、单晶尺度）（宏观、单晶尺度）在退磁场在退磁场Hd中，中，物质具有退磁能物质具有退磁能Ed:退磁因子退磁因子2/02sNM43球形样品：球形样品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品：棒状样品：ab=c,b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄片样品：薄片样品：abb,c,Nx=1,Ny=Nz=0 退磁因子退磁因子N有有方向性方向性，故与材料，故与材料形状有关形状有关：xx 解释解释Bloch壁，壁，Neel壁壁 退磁场退磁场Hd的存在抵消了磁化强度的存在抵消了磁化强度M，故对磁化起阻碍作用。，故对磁化起阻碍作用。退磁因子退磁因子N越大

23、，材料越难磁化。越大，材料越难磁化。x44（5）磁弹性能磁弹性能 E 材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长/收缩收缩，这一，这一过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。磁化时磁化时,微元遭受微元遭受磁力磁力(体积力体积力)应力应力(面积力面积力)应变应变（磁）弹性能，（磁）弹性能，由下式计算：，由下式计算：2sin23sdE 磁化方向和应力方向的夹角

24、；磁化方向和应力方向的夹角；饱和磁致伸缩系数；饱和磁致伸缩系数；s（磁畴尺度）（磁畴尺度）mF,E45 交换能交换能（界面能）（界面能）产生自发磁化，产生自发磁化，其磁化强度方向沿晶其磁化强度方向沿晶体的易磁化轴排列，产生体的易磁化轴排列，产生磁晶各向异性能磁晶各向异性能（体积能），（体积能），都达都达到极小值。但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，到极小值。但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，增加体系的增加体系的退磁能退磁能（体积能）（体积能），要破坏自发磁化的形成，要破坏自发磁化的形成。矛矛 盾：盾：磁畴增大，交换能减小，退磁能增大。为了满足磁畴增大，交换能减小，退磁能增大。为了

25、满足总自由能最小，铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸。所以，总自由能最小，铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸。所以，过大的磁畴要分裂，而过小磁畴要合并过大的磁畴要分裂，而过小磁畴要合并。因此，出现磁畴。因此，出现磁畴。ETdVEdSEex.EEEEEEdkexHT假设不考虑假设不考虑E Ek kd046 (a)整个晶体磁化，整个晶体磁化，Ed大大 (b)磁畴二分，产生磁畴二分，产生1个畴壁个畴壁 (c)磁畴四分，产生磁畴四分，产生2个畴壁个畴壁 Ed,Eex 当当二者相当时，不再分畴二者相当时，不再分畴 (d)封闭畴封闭畴(b)的精细的精细 (e)封闭畴封闭畴(c)的精细的精细 钴单晶磁畴的形成过程钴

26、单晶磁畴的形成过程假设不考虑假设不考虑E Ek k47 技术磁化技术磁化：在磁畴及以上尺度，研究铁磁材料磁畴结构、：在磁畴及以上尺度，研究铁磁材料磁畴结构、运动及其控制手段的磁化，区别于运动及其控制手段的磁化，区别于理论磁化理论磁化而言。而言。技术磁化，一般用技术磁化，一般用磁化曲线磁化曲线和和磁滞回线磁滞回线来表征。来表征。)(cos.cos iisiismVMVMU磁势能：磁势能：微小变化微小变化畴壁位移畴壁位移磁畴转动磁畴转动磁化矢量转动磁化矢量转动能量低能量低,小磁场小磁场能量高，大磁场能量高，大磁场 HM M=f(H)cos00 iisiimVHMHmU48 在磁场作用下，两种过程均

27、可发生，由于不同材料中发生在磁场作用下，两种过程均可发生，由于不同材料中发生两种过程的难易程度不同，也可能在不同磁场范围内以一种两种过程的难易程度不同，也可能在不同磁场范围内以一种过程为主、另一种过程为辅。过程为主、另一种过程为辅。491.畴壁位移畴壁位移可逆畴壁位移可逆畴壁位移 结构均匀、内应力小、杂质和缺陷少结构均匀、内应力小、杂质和缺陷少的铁磁材料，畴的铁磁材料，畴壁位移阻力小，在起始磁化（小磁场）时，发生可逆畴壁壁位移阻力小，在起始磁化（小磁场）时，发生可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移可恢复，无能量损耗。位移。如果撤掉磁场，畴壁位移可恢复，无能量损耗。M-H线性变化线性变化，斜率，

28、斜率 。如如金属软磁材料，高金属软磁材料，高 铁氧体材料铁氧体材料等。等。2）不可逆畴壁位移）不可逆畴壁位移 在可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，发生不可逆畴在可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，发生不可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移不可恢复，伴随量损耗。壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移不可恢复，伴随量损耗。由于应力起伏或杂质起伏，使畴壁越过后无以恢复。由于应力起伏或杂质起伏，使畴壁越过后无以恢复。M-H非线性变化，在非线性变化，在巴克豪生区对应最大斜率巴克豪生区对应最大斜率 。HH晶界不移动！晶界不移动！但会有应变但会有应变HM/inimax502.磁畴转动磁畴转动 在在不可逆畴壁位移之后，可逆

29、畴壁位移之后，继续增大磁场继续增大磁场，某些情况下，某些情况下，可发生可逆磁畴转动。可发生可逆磁畴转动。源于磁晶各向异性或应力各向异性等。源于磁晶各向异性或应力各向异性等。M-H非线性变化，斜率逐渐减小。非线性变化，斜率逐渐减小。可逆磁畴转动可逆磁畴转动2）不可逆磁畴转动）不可逆磁畴转动 在可逆磁畴转动之后，继续增大磁场，磁化趋于饱和，在可逆磁畴转动之后，继续增大磁场，磁化趋于饱和，发生不可逆磁畴转动。发生不可逆磁畴转动。M-H接近线性变化，斜率趋于最小。接近线性变化，斜率趋于最小。HH晶粒不转动！晶粒不转动！自发磁化矢量自发磁化矢量转动转动513.磁化曲线磁化曲线(1)起始或可逆磁化区起始或

30、可逆磁化区 oa：线性：线性(2)瑞利区瑞利区 ab：偏离线性，不可逆：偏离线性，不可逆(3)最大磁化率区最大磁化率区 bc：M 剧增，剧增，达到达到 m，剧烈不可逆剧烈不可逆 （巴克豪生跳跃）。（巴克豪生跳跃）。(4)趋近饱和区趋近饱和区 cd：M缓慢升高，最后趋近缓慢升高，最后趋近 一水平线一水平线(技术饱和技术饱和)。(5)顺磁磁化区顺磁磁化区 d后后：外场对自发磁化的微弱增强。：外场对自发磁化的微弱增强。inimax521.磁滞概念磁滞概念 磁化后，退磁过程中，磁化强度磁化后，退磁过程中，磁化强度M的变化的变化 落后于落后于外加外加磁场磁场H变化的现象，导致变化的现象，导致M-H曲线不

31、能返回起点曲线不能返回起点，叫磁滞。，叫磁滞。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。引起磁滞的根源：引起磁滞的根源：1)不可逆畴壁位移；不可逆畴壁位移；2)不可逆磁畴转动；不可逆磁畴转动；3)反磁化形核；反磁化形核；4)畴壁钉扎畴壁钉扎;残余内应力残余内应力杂质、缺陷杂质、缺陷吸收磁化功HMo53铁磁体铁磁体H-M磁滞回线磁滞回线铁电体铁电体P-E电滞回线电滞回线退极化曲线退极化曲线HVmMi /VPi/HMHB)(0EPED )(02.磁滞回线磁滞回线磁化磁化反磁化反磁化退磁退磁例如，例如，Fe,Co例如，例如，BiTiO3,PZT54u 分线段：分线段：OAB 磁

32、化曲线磁化曲线，BCDE 反磁化反磁化(CD 正退磁正退磁)EFGB 正磁化正磁化(FG 反退磁反退磁)u 磁滞回线磁滞回线（封闭）：（封闭）：BCDEFGBu 磁化功磁化功：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，内因：克服交换能、磁弹性能。的功，内因：克服交换能、磁弹性能。u 最大磁能积最大磁能积(BH)max 第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。u 硬磁、软磁材料：硬磁、软磁材料：硬磁：高硬磁：高Br、高高Hc，软磁：低软磁：低HC、高磁导率高磁导率 Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯

33、铁硅钢，纯铁 概概 括：括：553.技术参数技术参数u 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms 或或Bsu 矫顽力矫顽力Hc：u 剩余磁化剩余磁化Br：u 起始磁化率起始磁化率：u 最大磁能积最大磁能积(BH)max0 HinidHdBini567.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用7.5.1 7.5.1 基本属性基本属性1.1.本征属性本征属性 内禀属性内禀属性 (内因内因)-微观微观 晶胞尺度晶胞尺度-组织无关组织无关/不敏感不敏感-基本参数：基本参数：2.2.统计属性统计属性 平均属性平均属性（外因）外因）-介观、宏观介观、宏观 组织及以上尺度组织及以上尺度-组织相关组织相关/敏感敏感-基本参数

34、：基本参数：sMiniini1kcHrBmax)(BHN材料配方材料配方材料制备及材料制备及磁化工艺磁化工艺2k57 7.5.2 7.5.2 铁磁材料分类铁磁材料分类1.软磁材料软磁材料 能够迅速响应外磁场变化能够迅速响应外磁场变化（快速磁化），且能低损耗地（快速磁化），且能低损耗地 获得高磁感应强度的材料。获得高磁感应强度的材料。磁极磁极磁路磁路 软磁材料软磁材料Hc40 KA/m.58 用途：用途：w磁路磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、感应圈铁芯。（利用高导磁率、低损耗）w磁极磁极：电磁极头、电子计算机开关元件和存储元件等。（利用饱和磁化强度高）w电

35、磁屏蔽电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用导磁率高、导电性）磁滞损耗原因磁滞损耗原因：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用 降低磁滞损耗的措施降低磁滞损耗的措施：1）增加纯度，减小不均匀性，）增加纯度，减小不均匀性，2）减小各向异性，减小各向异性，3）减小电阻率。）减小电阻率。59 剩磁剩磁电阻电阻磁极磁极导磁导磁磁极磁极导磁导磁中频中频高频高频602.2.硬磁材料硬磁材料 被外加磁场磁化后，撤掉磁场，被外加磁场磁化后，撤掉磁场，仍能保留较强磁性的一类材料。仍能保留较强磁性的一类材料。用用 途：途：制造各种永磁体（磁极），以便提供磁场空间；制造各种永磁体（磁极），以便提供磁场

36、空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机，磁扣、磁珠；可用于各类电表和电话、录音机、电视机，磁扣、磁珠；可用于举重器、分料器和选矿器中。可用于举重器、分料器和选矿器中。硬磁材料磁滞回线示意图硬磁材料磁滞回线示意图61FeCrCo6263 一、铁镍钴基合金一、铁镍钴基合金 不含稀土不含稀土：Fe-Cr-Co合金合金，Tc高 Al-Ni-Co合金合金，Tc高 含稀土含稀土：NdFeB系，系，SmCo系 -SmCo系：SmCo5烧结永磁体、Sm2Co17多相沉淀硬化永磁体。Br、Hc较大，脆、加工性稍差、造价高。-NdFeB系合金系合金，Nd2Fe14B磁铁王。Br、Hc大，温度稳定性，抗腐蚀性稍

37、差。二、铁氧体二、铁氧体 硬磁铁氧体硬磁铁氧体，Tc中永磁材料分类永磁材料分类64 65 一一Al-Ni-Al-Ni-CoCo合金合金 (1960)(1960)它们是含有它们是含有Al、Ni、Co加上加上3%Cu的铁基系合金的铁基系合金,以以磁性能高稳定性好磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造著称。脆性，铸造/粉末冶金。粉末冶金。广泛应用的合金永磁体。用于仪表、电机器件上，例如，发电机、电动机、继电器和磁电机；电子行业中的应用如扬声器、电话耳机和受话器。Al-Ni-Co具有高(BH)max=4070kJ/3，高剩磁Br=0.71.35，适中的矫顽力Hc40160kA/m。66二二 Fe-Cr-Fe

38、-Cr-CoCo合金合金 (1980(1980)它是它是19711971年年KanekoKaneko等研制的永磁材料，等研制的永磁材料，它具有良好的延它具有良好的延展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材，由于，由于Fe-Fe-Cr-CoCr-Co的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是别的合金不能做到的。它别的合金不能做到的。它是在是在Fe-Cr合金基础上发展的，合金基础上发展的，Fe-Cr合金在合金在475 oC发生发生SpinodalSpinodal分解。分解。+，产生富铁的铁磁相产生富铁的铁磁相

39、和富铬的、低磁和富铬的、低磁性相性相 ，具有永磁性能具有永磁性能 。但铬使但铬使BrBr、TcTc降低，在降低，在Fe-CrFe-Cr合金基础上加入合金基础上加入Co,Co,形成形成Fe-Cr-CoFe-Cr-Co合金。合金。CoCo使使BrBr、TcTc提高提高,SpinodalSpinodal分解温度提高。分解温度提高。67 成分，成分，W/%Bs,THc,kA.m-1(B H)max,kJ.m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.059.215Co-22Cr-1.5Ti1.5650.966.115Co-24Cr-3M

40、o-1.0Ti1.5466.975.34Co-30Cr-1.5Ti1.2545.439.823Co-33Cr-2Cu1.386.078.068 三、硬磁铁氧体三、硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体中金属离子处于四面体为在铁氧体中金属离子处于四面体为A A位、八面体为位、八面体为B B位位。从配位情况看，金属离子最近邻都是阴离子，金属离子间电子壳层几乎不能交叠，直接交换作用不适用了，磁性被认为来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。磁铅石型铁氧体磁铅石型铁氧体：一般式是MO.6Fe2O3,这里M代表二价金属Ba、Sr

41、、Pb；常用的为钡铁氧体(BaO6Fe2O3)、锶铁氧体(SrO6Fe2O3)和铅铁氧体(PbO6Fe2O3)。烧结成型。69 成分成分Bs,TBs,THc,Hc,kA.mkA.m-1-1(BH)max,BH)max,kJ.m kJ.m-3-3Y30Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5Y25BHY

42、25BH0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1Y30BHY30BH0.380.380.400.4022422424024027.127.130.330.370 四、稀土永磁体四、稀土永磁体 稀土永磁材料的发展的三个阶段：（1）SmCo5型（2）Sm2Co17型（3）Nd2Fe14B型 Br（T）iHc (kA/m)(BH)max(kJ/m3)居里温度(K)铸造AlNiCo1.15127.487.61073SrBa铁氧体0.44230.836.6723SmCo5型0.901194.0143.31013Sm2Co17型1.12549.2246.71

43、093Nd15Fe77B8型1.37825.6418.058571 Nd2Fe14B晶体结构晶体结构 四方点阵,空间群P42/mnm。a=0.882,c=1.219 nm 对Fe a=b=c=0.286nmNd 4f 46s2原子占4f、4g晶位B 2s22p1原子占据4g晶位，Fe 3d64s2 原子占据4c、4e、8j、16k等六个晶位。左图为左图为1个单胞由个单胞由4个个Nd2Fe14B化合物分子组成化合物分子组成,箭头表示原子磁矩箭头表示原子磁矩。72 整个晶体可以看作是由富整个晶体可以看作是由富Nd、富、富B与富与富Fe共共6个原个原子层交替组成的。子层交替组成的。Nd和和B仅分布一

44、、四两个层中仅分布一、四两个层中,Fe分分布在二、三、五、六层中。布在二、三、五、六层中。铁在不同晶位上，由于原子之间的间距、近邻同类铁在不同晶位上，由于原子之间的间距、近邻同类或异类原子数的差异，或异类原子数的差异，Fe-Fe、R-Fe和和 R-R原子间交原子间交换作用强弱不同，其原子磁矩不同换作用强弱不同，其原子磁矩不同。B的添加对的添加对Nd2Fe14B 相形成起重要作用相形成起重要作用,当无当无B时合时合金由金由Nd2Fe17加加a-Fe组成组成,当当B为为4at%时时Nd2Fe17 消失消失,形成形成Nd2Fe14B 相相.73 铸态组织铸态组织NdNd2 2FeFe1414B B：

45、晶粒内是晶粒内是Nd2Fe14 B B相相,晶界是晶界是富富NdNd相相（吸吸引畴壁，阻止畴壁运动引畴壁，阻止畴壁运动）,晶内小颗粒是晶内小颗粒是富富B B相相。研究认为。研究认为,晶界、空位、位错晶界、空位、位错等金属的缺陷是畴壁很强的等金属的缺陷是畴壁很强的钉扎钉扎中心中心,将将限制畴壁的位移限制畴壁的位移,从而提高磁体的矫顽力。从而提高磁体的矫顽力。成核理论成核理论：晶粒边界软磁晶粒边界软磁性缺陷区域反性缺陷区域反磁化成核场磁化成核场74 以Nd2Fe14B四方相化合物为基体的Nd-Fe-B永磁材料，其磁体性能不仅限决于Nd2Fe14B化合物的内禀磁性K1、Ms、Tc，而且还和显微组织及致密度有关，取决于加工工艺。Nd-Fe-B材料的成分若按Nd2Fe14B配比，可获得单相的Nd2Fe14B化合物，但其永磁性能不一定高，因为烧结后的致密度不高,还需要含有富Nd相。富Nd相熔点低,使烧结时发生液相烧结,提高致密度。铸态的Nd15Fe77B8存在Nd2Fe14B基体、富Nd相、富B相及树枝状晶a-Fe。a-Fe为软磁性相,对提高烧结钕铁硼永磁体性能不利，合金铸锭应通过急冷的办法或均匀化来消除a-Fe。新的甩带法可基本消除a-Fe。75Thanks 7.5.3 7.5.3 铁磁材料的应用铁磁材料的应用