《材料的磁学》PPT课件.ppt

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1、1 第 三 章 材 料 的 磁 学3.1 原 子 磁 性 及 材 料 磁 性3.2 磁 学 量 及 材 料 磁 性 分 类3.3 铁 磁 性 和 反 铁 磁 性3.4 技 术 磁 化 与 磁 滞 现 象3.5 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 原子 及 物 质 均 具 有 “ 磁 性 ” ， 本 质 上 来 源 于 电 子 磁 矩 。 材 料 的 磁 学 ： 研 究 和 阐 明 固 体 材 料 磁 性 起 源 、 磁 性 结 构及 其 联 系 的 学 科 ， 促 进 对 材 料 磁 性 的 利 用 和

2、 开 发 。 基 于 材 料 磁 学 原 理 ， 开 发 的 一 类 基 础 性 功 能 材 料 。 磁 性材 料 已 经 形 成 了 一 个 庞 大 的 家 族 ， 按 材 料 的 磁 特 性 来 划 分 ，有 软 磁 、 永 磁 、 旋 磁 、 记 忆 磁 、 压 磁 等 ； 按 材 料 构 成 来 划 分 ， 有 合 金 磁 性 材 料 ， 铁 氧 体 磁 性 材 料 。 3 4 3.1 原 子 磁 性 及 材 料 磁 性3.1.1 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

3、森 堡 、 泡 利 、 狄 拉 克 、 朗 道等 诺 贝 尔 奖 获 得 者 Bohr (1885-1962) 5)1(2 )1()1()1(1 JJ LLSSJJgJ JJ耦 合 : 各 电 子 的 L、 S相 互 作 用 强 ，先 耦 合 为 该 电 子 的 总 磁 矩 ， 再 叠 加为 原 子 总 磁 矩 ； （ Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦 合 :各 电 子 的 L、 S相 互 作 用 弱 ，先 各 自 耦 合 为 总 L、 总 S， 再 叠 加为 原 子 总 磁 矩 ； （ Z33)LS耦 合 : BJJ JJg )1( 原 子 总 磁 矩 : 朗 德 因 子 :原 子

4、 总 角 动 量 ： SLJ 6 7 3.1.2 材 料 (固 体 )的 磁 性 Jim VmM i i 原 子 磁 矩 磁 化 强 度铁 磁 性 顺 磁 性 材 料 器 件磁 畴 单 晶 多 晶 微观宏观原 子晶 胞 8 (2) 磁 矩 （ m） 环 形 电 流 周 围 的 磁 场 定 价 于 磁 偶 极 子 周 围 的 磁 场 :3.2 磁 学 量 及 材 料 磁 性 分 类NS NSSIm lqm m 3.2.1 磁 学 量 LnIH dUE 电 场 强 度 E lqm e 电 偶 极 距磁 偶 极 矩 (1) 磁 场 强 度 H OH H二 者 均 与介 质 无 关NS 9 静 磁 能

5、 ： 磁 矩 在 外 磁 场 作 用 下 具 有 的 势 能 （ 磁 势 能 ） ：HmUm 0 cos0mH 0 0mU 0U maxU 磁 力 矩 : 磁 矩 m在 外 磁 场 H中 受 到 一 个 转 动 力 距 ， 以 降 低 磁 势 能 ， 直 至 U最 小HmTm 0 sin0mH Hmz mT 0T 0 10 (3) 磁 化 强 度 M = 0 MS 磁 化 ： 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 被 诱 导 出 宏观 磁 矩 M， 从 而 显 示 宏 观 磁 性

6、 的 过 程 。 磁 化 强 度 ： HVmM i i / H S S NN 磁 化 率 /系 数M=MS mVMM s 0HN S M=0 11 外 加 磁 场 H在 介 质 中 感 应 的 磁 场 大 小 （ 磁 力 线 密 度 ） B，是 外 磁 场 与 内 部 磁 化 强 度 综 合 作 用 的 结 果 ， 与 介 质 有 关 。 对 于 真 空 ： 对 于 磁 介 质 ：（ 4） 磁 感 应 强 度 B HB 0 )( 0 MHB H)1(0 Hr 0 真 空 磁 导 率相 对 磁 导 率 12 物 质 磁 学 和 电 学 基 本 量 的 比 较磁 学 量 电 学 量磁 化 ： 磁

7、介 质 在 磁 场 中 感 生 磁 极磁 场 强 度 ： （ 真 空 ）磁 化 强 度 ： 磁 感 应 强 度 ： 磁 通 密 度 绝 对 磁 导 率 ： 相 对 磁 导 率 ：磁 化 率 ： 极 化 ： 电 介 质 在 电 场 中 感 生 电 荷电 场 强 度 ： （ 真 空 ）极 化 强 度 ： 电 感 应 强 度 ： 电 通 密 度 /电 位 移 矢 量绝 对 电 容 率 ： 相 对 电 容 率 ：极 化 率 ：m e1r m 1r e 0 r 0 r HMHB )(0 HVmM mi EPED )(0 EVP ei LnIH / dUE /mH /104 70 mF /10854.8

8、120 相 对 介 电 常 数介 电 常 数 13 3.2.2 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 的 关 系 ， 作 出 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 体在 磁 场 中 受 微 弱 斥 力 。金 属 中 一 般 简 单 金 属 为 抗 磁 体 。经 典 抗 磁 体 ： 不 随 温 度 变 化 ， 如 铜 、 银 、 金 、 汞 、 锌 等 。反 常 抗 磁 体 ： 随 温 度 变 化 ，

9、如 铋 、 镓 、 锑 等 。 （ 10-6）0HM 14 （ 2） 顺 磁 体 （ 10-6 10-3 ）在 磁 场 中 受 微 弱 吸 引 力 。正 常 顺 磁 体 ： 其 随 温 度 变 化 符 合 反 比 关 系 ， 如 金 属 铂 、钯 、 奥 氏 体 不 锈 钢 、 稀 土 金 属 等 。 与 温 度 无 关 的 顺 磁 体 ， 如 锂 、 钠 、 钾 、 铷 等 金 属 。（ 3） 铁 磁 体 （ 值 很 大 ， 且 与 外 磁 场 呈 非 线 性 关 系 变 化 ）如 铁 、 钴 、 镍 等 。 铁 磁 体 在 温 度 高 于 某 临 界 温 度 后 变 成 顺 磁 体 。此

10、临 界 温 度 称 为 居 里 温 度 或 居 里 点 ， 用 Tc表 示 。 所 以 ， 居 里 温 度 是 铁 磁 体 或 亚 铁 磁 体 的 相 变 转 变 点 。0 63 1010 15 （ 4） 亚 铁 磁 体 （ 值 没 有 铁 磁 体 那 样 大 ）磁 铁 矿 、 铁 氧 体 都 属 于 亚 铁 磁 体 。亚 铁 磁 性 材 料 ： 不 同 原 子 的 磁 矩 反 向 平 行 排 列 ， 抵 消 后 的剩 余 磁 矩 。（ 5） 反 铁 磁 体 （ 是 小 的 正 数 。 ）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

11、温 度 ， 其 行为 像 顺 磁 体 。 如 、 铬 、 氧 化 镍 、 氧 化 锰 等 。-Mn MnO 16 3.3 铁 磁 性 和 反 铁 磁 性3.3.1 铁 磁 性 1. 分 子 场 与 自 发 磁 化 2. 量 子 直 接 交 换 作 用 3. 居 里 温 度3.3.2 反 铁 磁 性 1. 量 子 间 接 交 换 作 用 2. 反 铁 磁 性 和 亚 铁 磁 性 m 17 1. 分 子 场 与 自 发 磁 化铁 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 显示 磁 性 ， 必 须 要 经 磁 化 以 后 ， 才

12、 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 充磁 ， 这 种 磁 性 会 消 失 。 为 什 么 ？ 1907年 ， 外 斯 提 出 铁 磁 性 的 分 子 场 理 论 ：（ 1） 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 ， 称 为 自 发 磁 化 。 自 发 磁 化 ， 用 矢 量 自 发 磁 化 强 度

13、 表 示 ， 其 大 小 等 于 饱 和 磁 化 强 度 。 1907, Weiss SMSM 18 （ 2） 磁 畴 假 说 由 于 自 然 铁 磁 性 材 料 宏 观 不 显 示 磁 性 ， 这 些 自 发 磁 化 矢量 必 然 分 区 存 在 、 相 互 抵 消 ， 这 些 区 域 即 所 谓 的 “ 磁 畴 ” 。 所 谓 磁 化 ， 是 借 助 外 加 磁 场 作 用 ， 将 自 发 磁 化 调 整 到 外场 方 向 （ 显 示 出 来 ） 而 已 ， 并 非 向 其 提 供 额 外 磁 性 。 HVmM mi im 磁 化 H0 VmM i M sM 19 sm wMH w根 据

14、Boltzmann统 计 ， Weiss导 出)()0( yBMM J其 中 ， 布 里 渊 函 数 JyJyJJJJyB J 2coth2112coth12)( kTHHJgy mBJ /)(0 BJnJgM )0( n原 子 体 积 浓 度 （ 3） 外 斯 （ Weiss)理 论 20 2. 量 子 直 接 交 换 作 用 )(2 22 rUmH 贡 献 于 电 子云 重 叠 部 分Fe Fe 21 20 1 22 2 ( )2e AE E K A s sR 2 2 1 2* * 1 2 2 12 1 21 21 2 d d1 2 2 1 d d1 1 11 1 d 2 2 da ab

15、ba b ab a bab b aa b a bK VA VV e r r r K 是 两 个 氢 原 子 的 电 子 间 及 电 子 与 原 子 核 之 间 的 库 仑 能 。A 是 两 个 氢 原 子 中 电 子 交 换 所 产 生 的 交 换 能 ， 与 电 子 云 重 叠 的程 度 有 关 。a(1)-a原 子 中 的 电 子 1的 波 函 数 。b(2)-b原 子 中 的 电 子 2的 波 函 数 。a(2)-b原 子 中 的 电 子 2在 a原 子 的 波 函 数 。b(1)-a原 子 中 的 电 子 1在 b原 子 的 波 函 数 。电 子 自 旋 角 动 量 矢 量 22 当

16、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 。其 中 ， 后 面 一 项 我 们 称 作 交 换 能1 22exE As s 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 Vab，交 换 能 与 磁 矩 间 的 联 系 完 全 是 泡 利 原 理 的 结 果 。 由 于 泡

17、 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 （ 10 3T)， 但 从 量 子 力学 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 只 有 一 个 电 子 对 铁 磁 性 有 贡 献 ， 只 考 虑 不同 原 子 中 电 子 的 交 换 。 N个 电 子 系 统 的 交 换 能 ： 2

18、( )Nex j i ji jE A s s 由 于 交 换 作 用 是 近 程 作 用 ， 只 对 近 邻 求 和 :2ex i ji jE A s s 证 明 ， Weiss的 分 子 场 可 表 达 为 ： z是 最 近 邻 原 子 数 目 二 . Heisenberg 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) 1928 2)(2 Bm gN zAwMH 24 I. 物 质 具 有 铁

19、磁 性 的 必 要 条 件 是 原 子 中 具 有 未 充 满 的 电 子壳 层 ， 即 有 原 子 磁 距 。 （ Si0）II. 物 质 具 有 铁 磁 性 的 充 分 条 件 是 A 0， 这 里 A 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 ：2 ex i jE A S S 近 邻 交 换 积 分 及 铁 磁 性 条 件 : 25 26 3. 居 里 温 度Ms TTc铁 磁 性 物 质 M s与 温 度 的 关 系 物 质 Ms (A/m) Tc (K)Fe 1.74 106 1043Co 1.43 106 1403Ni 5

20、.1 106 631 铁 电 性 物 质 的 饱 和 极 化 强 度 有 类 似 规 律 27 3.3.2 反 铁 磁 性1. 量 子 间 接 交 换 作 用 MnOMn2+O2- Mn2+Mn2+ O2- Mn2+3d5 2p6 3d5 Mn+ O- Mn2+(a) 基 态 (b) 激 发 态间 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 ，即 磁 距 自 发 磁 化 （ 铁 磁 性 ） ； 当 A0， 要 求 反 向 排 列 （ 反 铁 磁 性 ）2 ex i jE A S S 近 邻 （ 畴 壁 尺 度 ） 40 （

21、 3） 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 不同 的 ， 称 为 磁 晶 各 向 异 性 ， 因 此 消 耗 的 磁 化 功 不 同 。 HdMQ 0（ 单 晶 尺 度 ） 41 222222222210 )( KKKEk 、 、 为 M与 三 个 晶 轴 的 方 向 余 弦 ， K0、 K1、 K2代 表 晶体 各 向 异 性 常 数 。 磁 晶 各 向 异 性 起 源 ， 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

22、 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 。 42 （ 4） 退 磁 能 E d 形 状 各 向 异 性 能 铁 磁 材 料 磁 化 后 ， 在 端 面 形 成 磁 极 ， 在 内

23、 部 产 生 一 个 退 磁场 Hd， 其 方 向 与 磁 化 强 度 M、 外 加 磁 场 H相 反 ， 起 抵 消 作 用 。2/ 20 NMdMHE M dd NMHd SS NNHd HM （ 宏 观 、 单 晶 尺 度 ） 在 退 磁 场 Hd中 ， 物 质 具 有 退 磁 能 Ed : 退 磁 因 子 2/0 2sNM 43 球 形 样 品 ： a=b=c , Nx=Ny=Nz= 1/3棒 状 样 品 ： ab=c, Nx=0, Ny=Nz=1/2薄 片 样 品 ： ab,c, Nx=1, Ny=Nz=0 退 磁 因 子 N有 方 向 性 ， 故 与 材 料 形 状 有 关 ： x

24、x 解 释 Bloch壁 ， Neel壁 退 磁 场 Hd的 存 在 抵 消 了 磁 化 强 度 M， 故 对 磁 化 起 阻 碍 作 用 。退 磁 因 子 N越 大 ， 材 料 越 难 磁 化 。 x 44 （ 5） 磁 弹 性 能 E 材 料 在 磁 化 时 受 磁 力 ， 导 致 微 小 的 伸 长 /收 缩 ， 这 一过 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 缺陷 、 杂 质 等 都 可 能 增 加 其 磁 弹 性 能 。 磁 化 时 , 微

25、元 遭 受 磁 力 (体 积 力 ) 应 力 (面 积 力 ) 应 变 （ 磁 ） 弹 性 能 ， ， 由 下 式 计 算 ： 2sin23 sdE 磁 化 方 向 和 应 力 方 向 的 夹 角 ； 饱 和 磁 致 伸 缩 系 数 ；s （ 磁 畴 尺 度 ） mF ,E 45 交 换 能 （ 界 面 能 ） 产 生 自 发 磁 化 ， 其 磁 化 强 度 方 向 沿 晶体 的 易 磁 化 轴 排 列 ， 产 生 磁 晶 各 向 异 性 能 （ 体 积 能 ） ， 都 达到 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

26、退 磁 能 （ 体 积 能 ） ， 要 破 坏 自 发 磁 化 的 形 成 。 矛 盾 ： 磁 畴 增 大 ， 交 换 能 减 小 ， 退 磁 能 增 大 。 为 了 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 ，过 大 的 磁 畴 要 分 裂 ， 而 过 小 磁 畴 要 合 并 。 因 此 ， 出 现 磁 畴 。E T dVEdSEex . EEEEEE dkexHT 假 设 不 考 虑 E kd0 46 (a) 整 个 晶 体 磁 化 ， Ed大 (b) 磁 畴 二 分 ， 产 生 1个 畴 壁 (c) 磁 畴 四 分 ， 产

27、生 2个 畴 壁 Ed , Eex 当 二 者 相 当 时 ， 不 再 分 畴 (d) 封 闭 畴 (b)的 精 细 (e) 封 闭 畴 (c)的 精 细 钴 单 晶 磁 畴 的 形 成 过 程 假 设 不 考 虑 Ek 47 技 术 磁 化 ： 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 理 论 磁 化 而 言 。 技 术 磁 化 ， 一 般 用 磁 化 曲 线 和 磁 滞 回 线 来 表 征 。 )(cos.cos i isiism VMVMU磁 势 能 ：微 小 变 化 畴 壁 位 移 磁 畴

28、转 动 磁 化 矢 量 转 动 能 量 低 ,小 磁 场 能 量 高 ， 大 磁 场 HM M=f(H) cos00 i isi im VHMHmU 48 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 过 程 为 主 、 另 一 种 过 程 为 辅 。 49 1. 畴 壁 位 移1)可 逆 畴 壁 位 移 结 构 均 匀 、 内 应 力 小 、 杂 质 和 缺 陷 少 的 铁 磁 材 料 ， 畴壁 位 移 阻 力 小 ， 在 起 始 磁 化

29、（ 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 。 M-H线 性 变 化 ， 斜 率 。 如 金 属 软 磁 材 料 ， 高 铁 氧 体 材 料 等 。2） 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 。 M-H非 线 性 变 化 ， 在

30、巴 克 豪 生 区 对 应 最 大 斜 率 。 H H晶 界 不 移 动 ！但 会 有 应 变HM / ini max 50 2. 磁 畴 转 动 在 不 可 逆 畴 壁 位 移 之 后 ， 继 续 增 大 磁 场 ， 某 些 情 况 下 ，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 。 M-H非 线 性 变 化 ， 斜 率 逐 渐 减 小 。1)可 逆 磁 畴 转 动2） 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 ，发 生 不 可 逆 磁 畴 转 动 。

31、M-H接 近 线 性 变 化 ， 斜 率 趋 于 最 小 。H H晶 粒 不 转 动 ！自 发 磁 化 矢 量转 动 51 3. 磁 化 曲 线(1) 起 始 或 可 逆 磁 化 区 oa： 线 性(2) 瑞 利 区 ab： 偏 离 线 性 ， 不 可 逆(3) 最 大 磁 化 率 区 bc： M 剧 增 ， 达 到 m， 剧 烈 不 可 逆 （ 巴 克 豪 生 跳 跃 ） 。(4) 趋 近 饱 和 区 cd： M缓 慢 升 高 ， 最 后 趋 近 一 水 平 线 (技 术 饱 和 )。 (5) 顺 磁 磁 化 区 d后 ： 外 场 对 自 发 磁 化 的 微 弱 增 强 。 inimax 5

32、2 1. 磁 滞 概 念 磁 化 后 ， 退 磁 过 程 中 ， 磁 化 强 度 M的 变 化 落 后 于 外 加磁 场 H变 化 的 现 象 ， 导 致 M-H曲 线 不 能 返 回 起 点 ， 叫 磁 滞 。 磁 滞 必 然 磁 化 做 功 ， 造 成 能 量 损 耗 。 引 起 磁 滞 的 根 源 ： 1) 不 可 逆 畴 壁 位 移 ； 2) 不 可 逆 磁 畴 转 动 ； 3) 反 磁 化 形 核 ； 4) 畴 壁 钉 扎 ; 残 余 内 应 力杂 质 、 缺 陷吸 收 磁 化 功 HMo 53铁 磁 体 H-M磁 滞 回 线 铁 电 体 P-E电 滞 回 线 退 极 化 曲 线HV

33、mM i / VP i / HMHB )(0 EPED )(02. 磁 滞 回 线磁 化反 磁 化退 磁 例 如 ， Fe,Co 例 如 ， BiTiO3, PZT 54 u 分 线 段 ： OAB 磁 化 曲 线 ， BCDE 反 磁 化 (CD 正 退 磁 ) EFGB 正 磁 化 (FG 反 退 磁 )u 磁 滞 回 线 （ 封 闭 ） ： BCDEFGBu 磁 化 功 ： 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 。u 最 大 磁 能 积 (BH)max 第 二 象 限 内 磁 感 应

34、强 度 和 磁 场 强 度 乘 积 的 最 大 值 。u 硬 磁 、 软 磁 材 料 ： 硬 磁 ： 高 B r、 高 Hc， 软 磁 ： 低 HC、 高 磁 导 率 Fe, Co , Ni, NbFeB， 硅 钢 ， 纯 铁 概 括 ： 55 3. 技 术 参 数u 饱 和 磁 化 强 度 Ms 或 Bsu 矫 顽 力 Hc：u 剩 余 磁 化 Br：u 起 始 磁 化 率 ：u 最 大 磁 能 积 (BH) max 0 Hini dHdB ini 56 7.5 磁 性 材 料 及 其 应 用7.5.1 基 本 属 性1.本 征 属 性 内 禀 属 性 (内 因 )-微 观 晶 胞 尺 度

35、-组 织 无 关 /不 敏 感-基 本 参 数 ：2.统 计 属 性 平 均 属 性 （ 外 因 ）-介 观 、 宏 观 组 织 及 以 上 尺 度 -组 织 相 关 /敏 感-基 本 参 数 ： sM ini ini 1kcH rB max)(BH N 材 料 配 方材 料 制 备 及磁 化 工 艺2k 57 7.5.2 铁 磁 材 料 分 类1. 软 磁 材 料 能 够 迅 速 响 应 外 磁 场 变 化 （ 快 速 磁 化 ） ， 且 能 低 损 耗 地 获 得 高 磁 感 应 强 度 的 材 料 。 磁 极磁 路 软 磁 材 料 Hc40 KA/m. 58 用 途 ：w 磁 路 ： 变

36、 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 ： 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 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 ： 沉 淀 相 和 杂 质 对 畴 壁 的 钉 扎 作 用 降 低 磁 滞 损 耗 的 措 施 ： 1） 增 加 纯 度 ， 减 小 不

37、 均 匀 性 ， 2）减 小 各 向 异 性 ， 3） 减 小 电 阻 率 。 59 剩 磁 电 阻 磁 极导 磁磁 极导 磁中 频高 频 60 2. 硬 磁 材 料 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 。用 途 ： ： 制 造 各 种 永 磁 体 （ 磁 极 ） ， 以 便 提 供 磁 场 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 举 重 器 、 分 料 器 和 选 矿 器 中 。 硬 磁 材 料 磁 滞 回 线 示 意 图 61FeCrCo

38、 62 63 一 、 铁 镍 钴 基 合 金 不 含 稀 土 ： Fe-Cr-Co合 金 ， Tc高 Al-Ni-Co合 金 ， Tc高 含 稀 土 ： NdFeB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 ， Nd2Fe14B磁 铁 王 。 Br、 Hc大 ， 温度 稳 定 性 ， 抗 腐 蚀 性 稍 差 。二 、 铁 氧 体 硬 磁 铁 氧 体 ， T c中 永 磁 材 料 分 类 64 65 一 Al-Ni-Co合

39、 金 (1960) 它 们 是 含 有 Al、 Ni、 Co加 上 3%Cu的 铁 基 系 合 金 , 以磁 性 能 高 稳 定 性 好 著 称 。 脆 性 ， 铸 造 /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 Hc 40160kA/m。

40、66 二 Fe-Cr-Co合 金 (1980) 它 是 1971年 Kaneko等 研 制 的 永 磁 材 料 ， 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 ， 由 于 Fe-Cr-Co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 是 在 Fe-Cr合 金 基 础 上 发 展 的 ，Fe-Cr合 金 在 475 oC发 生 Spinodal分 解 。 + ， 产 生 富 铁 的 铁 磁 相 和 富 铬 的 、 低 磁性 相 ， 具 有 永 磁

41、性 能 。 但 铬 使 Br、 Tc降 低 ， 在 Fe-Cr合 金 基 础 上 加 入 Co,形 成Fe-Cr-Co合 金 。 Co使 Br、 Tc提 高 , Spinodal分 解 温 度 提 高 。 67 成 分 ， W/% Bs, T H c, kA. m-1 (B H )max, kJ. m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni 1.0 86.4 36.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti 1.4 56.0 59.215Co-22Cr-1.5Ti 1.56 50.9 66.115Co-24Cr-3Mo-1.0Ti 1.54 66.9 75.34Co-30Cr-1.5Ti 1.25

42、 45.4 39.823Co-33Cr-2Cu 1.3 86.0 78.0 68 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 。在 铁 氧 体 中 金 属 离 子 处 于 四 面 体 为 A位 、 八 面 体 为 B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

43、 体 ： 一 般 式 是 MO.6Fe2O3, 这 里 M代 表 二 价金 属 Ba、 Sr、 Pb； 常 用 的 为 钡 铁 氧 体 (BaO 6Fe 2O3) 、 锶 铁氧 体 (SrO 6Fe2O3)和 铅 铁 氧 体 (PbO 6Fe2O3)。 烧 结 成 型 。 69 成 分 Bs, T Hc,kA. m-1 (BH)max, kJ. m-3Y30 0.38 0.42 160 216 26.3 29.5Y35 0.40 0.44 176 224 30.3 33.4Y15H 0.31 232 248 17.5Y20H 0.34 248 264 21.5Y25BH 0.36 0.39 1

44、76 216 23.9 27.1 Y30BH 0.38 0.40 224 240 27.1 30.3 70 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 AlNiCo 1.15 127.4 87.6 1073SrBa铁 氧 体 0.44 230.8 36.6 723SmCo 5型 0.90 1194.0 143.3 1013Sm2Co17型 1.12 549.2 246.7 1

45、093Nd15Fe77B8型 1.37 825.6 418.0 585 71 Nd2Fe14B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 3d 64s2 原 子 占 据 4c、 4e、 8j、 16k等 六 个 晶 位 。 左 图 为 1个 单 胞 由 4个Nd2Fe14B化 合 物 分 子 组 成 , 箭 头 表 示 原 子 磁 矩 。 72 整 个 晶 体 可 以 看 作 是 由 富 Nd、 富

46、 B与 富 Fe共 6个 原子 层 交 替 组 成 的 。 Nd和 B仅 分 布 一 、 四 两 个 层 中 , Fe分布 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 类或 异 类 原 子 数 的 差 异 ， Fe-Fe、 R-Fe和 R-R原 子 间 交换 作 用 强 弱 不 同 ， 其 原 子 磁 矩 不 同 。 B的 添 加 对 Nd 2Fe14B 相 形 成 起 重 要 作 用 , 当 无 B时 合金 由 Nd2Fe17加 a-Fe组 成 , 当 B为 4at%时 Nd2Fe17 消 失 ,形 成 Nd

47、2Fe14B 相 . 73 铸 态 组 织 Nd2Fe14B： 晶 粒 内 是 Nd2Fe14 B相 ,晶 界 是 富 Nd相 （ 吸引 畴 壁 ， 阻 止 畴 壁 运 动 ） , 晶 内 小 颗 粒 是 富 B相 。 研 究 认 为 ,晶 界 、 空 位 、 位 错 等 金 属 的 缺 陷 是 畴 壁 很 强 的 钉 扎 中 心 , 将限 制 畴 壁 的 位 移 ,从 而 提 高 磁 体 的 矫 顽 力 。 成 核 理 论 ：晶 粒 边 界 软 磁性 缺 陷 区 域 反磁 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

48、 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 Nd 15Fe77B8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。 75 Thanks 7.5.3 铁 磁 材 料 的 应 用