第二类磁性的影响因素(精华版)

第二类磁性的影响因素第二类磁性定义第二类磁性是在磁场作用下，与铁磁体磁性相关的性能参数。包括起始磁化率，起始磁导率，矫顽力，剩磁等。第二类磁性参数又称为结构敏感性参数，因为它们灵敏地依赖于磁性材料的结构及微观结构，如晶粒大小、晶粒排列取向、内应力、成分起伏以及机械加工及热处理条件等。背景知识磁畴结构在外磁场的作用下，从磁中性状态到饱和状态的过程，称为磁化过程。磁畴结构在外磁场的作用下，从饱和状态返回到退磁状态的过程，称为反磁化过程。磁化过程大致分为如下四个阶段：第一阶段是畴壁的可逆位移第二阶段是不可逆的磁化第三阶段是磁畴磁矩的转动第四阶段是趋近饱和的阶段磁化和反磁化过程的各个阶段0102030405060708090第一季度第二季度第三季度第四季度东部西部北部磁化曲线磁化曲线和磁滞回线表征了铁磁物质在磁场中行为的基本特征。磁化率、磁导率、矫顽力、剩余磁感强度等都是对结构敏感的性质磁化曲线磁化曲线图中的1区起始或者可逆区域（弱磁场下）M＝xH磁化曲线图中的2区瑞利（Rayleigh）区域（弱磁场下）上述两个阶段是畴壁随磁场的可逆位移，若移去磁场则整个样品将恢复至退磁状态。磁化曲线图中的3区最大磁导率的区域（中等磁场下)这个阶段是不可逆的磁化过程。磁畴的结构发生突变。磁化曲线图中的4区趋近饱和区域（强磁场下）这个阶段是磁畴磁矩的转动。随着外磁场的进一步增加，样品内的畸壁位移已基本上进行完毕，只有靠磁畴内磁矩的转动才能使磁化强度增加。磁化曲线图中的5区技术饱和以上的顺磁区域（更强磁场下，真磁化过程）磁化曲线在弱磁场范围内（上图的1、2、3区），位移过程起着主要作用；在强磁场区域（图中区域4），转动过程起着主要作用——需要的能量较高的缘故磁滞回线磁滞现象：若磁性材料在强度为Hl的磁场磁化至a’点时(图见下页)，再减小磁场,磁感应强度B不是沿着oa’曲线下降，而是沿另一曲线a’b’下降，如下图所示。显然B的变化滞后于H，这个现象称为磁滞。磁滞回线磁滞回线磁滞回线：若Hl由O－H1OH1缓慢地变化一周时，由于磁滞的原因，B随及的变化为一闭合曲线a’b’c’d’e’f’a’，称为磁滞回线。磁滞回线极限磁滞回线：在磁化曲线oa上任意点所对应的磁场强度变化一周，都可以得到相应的磁滞回线。随着磁场强度增加，磁滞回线的面积也随着增大。当磁化到饱和时，再增大磁场，磁滞回线的面积基本上不变，这时的磁滞回线称为极限磁滞回线磁滞回线如下图中的abcdefa回线：磁滞回线剩磁：由极限磁滞回线可以看出，当Hs降为零时，磁感应强度并不回到零，而下降到b点，Br称为剩余磁感应强度，简称剩磁。磁滞回线矫顽力（Hc）：当H＝0，Br＝0Mr。若要将Br降为零，必须加一反向磁场，这个反向磁场强度的绝对值称为磁感应矫顽力，BHc，通常简称矫顽力Hc。同样，要将剩余磁感应强度Br点所对应的0Mr降为零，所需要磁场强度的绝对值称为内禀矫顽力HMC。磁滞回线剩磁比：剩磁Br与饱和磁感应强度Bs之比称为剩磁比(或称开关矩形比)，即Br／Bs。它是表征矩磁材料磁滞回线接近矩形的程度。磁滞回线磁滞回线的形状和面积直接表征磁性材料的主要磁特性。软磁材料的磁滞回线窄，故其矫顽力低，损耗也低。用软磁材料制成的器件，工作稳定，效率高。若磁滞回线面积窄而接近矩形这种软磁材料不仅矫顽力Hc低而且Br／Bs值也高，适宜作记亿元件和开关元件，这种材料也称为矩磁材料。永磁材料的磁滞回线的面积宽，Br和H值也高，因此磁滞回线的面积大。所以永磁材料经饱和磁化后，储存磁能量大。磁化过程的四个阶段又可归纳为两个基本的方式：（1）畴壁的移动（2）磁畴磁矩的转动磁化过程各个阶段的磁畴结构示意任何磁性材料的磁化和反磁化，都是通过畴壁的移动和磁畴磁矩的转动来实现的。(1)畴壁的位移(2)磁畴结构的突变(3)磁畴磁矩的转动起始磁化率定义起始磁化率——外磁场趋近于零时的磁化率0000()(/)iHHHHdMdMdHdHdxdx起始磁化率的决定因素一、可逆壁移过程决定得起始磁化率1、参杂阻碍畴壁运动得壁移磁化（参杂理论）2、应力阻碍畴壁运动的壁移磁化（应力理论）二、可逆畴转过程决定的起始磁化率掺杂理论（1）MS要大；（2）畴壁能要小；（3）杂质要少并聚集成团。这些结论在软磁材料的制备中起着指导作用。sM（1）材料的MS要大；（2）应力和磁致伸缩要小；（3）畴宽与畴壁厚度的比要大。这些定性结论在实验上都已经得到证实。应力理论可逆畴壁位移决定的起始磁化率与下述因素有关：（1）材料的磁晶各向异性常数K、磁致伸缩常数和应力σ愈小，则起始磁化率愈高；（2）材料的饱和磁化强度愈大，愈高；（3）杂质愈少或杂质聚集成团也使愈高；（4）晶粒粗大使畴宽与壁厚的比例增大，亦能提高。（二）可逆畴转过程决定的起始磁化率目前认为有三类材料，开始阶段没有磁壁的：（1）根本没有畴壁的单畴颗粒的集合体（或脱溶硬化的单畴尺寸的合金）；（2）静磁能对各类磁畴都是一样的材料，即在外磁场的作用下，各类磁畴与外场的作用能都一样，无所谓谁占优势，无所谓谁的体积扩大，谁的体积缩小，因此磁化只能通过磁矩的转向；（3）磁畴磁矩转向比畴壁移动容易的材料。坡莫合金的恒导磁材料属于第二类，高频铁氧体属于第三类。影响因素（1）材料的饱和磁化强度要高；（2）材料的磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩常数要低；（3）材料结构要均匀，以免发生大的应力σ。这些原则性结论对如何采取措施来提高磁导率具有重要的意义。起始磁导率定义起始磁导率μI——在换向磁化曲线上，磁场接近于零时的斜率。影响因素影响起始磁导率的因素，主要可以归结为提高材料饱和磁化强度，降低材料的各向异性和增大晶粒、减小气孔等几个方面.改善方法1.提高材料的饱和磁化强度2.降低材料的磁晶各项异性常数K13.降低材料的磁致伸缩常数4.降低材料的各项异性因此，除了化学成分以外，还必须从工艺上才去措施来降低材料底形状各项异性。如：选用纯度高，活性好，颗粒细的原料;掺进微量杂质；成型致密均匀；烧结温度、气氛、时间和升降温度速度控制适当等矫顽力定义矫顽力Hc——饱和磁滞回线上B＝0时相应的磁场。内秉矫顽力HCM——饱和磁滞回线上M＝0相应的磁场。影响因素就一般而论，磁滞来源于壁移和畴转的不可逆变化，磁滞使能量的转换发生耗损，磁滞与磁能的储存成正比。磁滞的大小决定于磁滞回线面积的大小，而回线的面积又主要取决于矫顽力。从磁畴结构运动变化的角度来看，反磁化过程中的壁移和畴转，也有可逆与不可逆之分，但矫顽力是只与不可逆过程联系的，因此这里只讨论不可逆过程。矫顽力应力和参杂阻碍畴壁不可逆移动决定的矫顽力磁矩不可逆转动决定的矫顽力由反磁化核形成和长大决定的矫顽力应力和参杂阻碍畴壁不可逆决定的矫顽力1、应力阻碍畴壁不可逆移动决定的矫顽力：矫顽力HCM与λS成正比，与MS成反比2、参杂阻碍畴壁不可逆移动决定的矫顽力：矫顽力HCM与参杂浓度、磁晶各向性常数成正比，与饱和磁化强度成反比。许多实验事实表明，纯铁、纯镍和坡莫合金等软磁材料的矫顽力都与理论的预期大体一致。但在理论与实验作定量进行比较时，还需适当选择模型中的系数。磁矩不可逆转动决定的矫顽力在通常情况下，磁矩不可逆转动决定的矫顽力要比不可逆壁移决定的矫顽力大。因此，要获得高矫顽力的材料，需要制造由单畴颗粒或准单畴颗粒组成的样品。（减小磁性颗粒尺寸）理论应用本世纪五、六十年代出现的超细铁粉或铁钴微粉（ESD磁体），就是这种类型的磁体。目前，钡、锶铁氧体永磁，锰铋合金微粉磁体，铝镍钴型永磁的生产或性能的提高，亦可用单畴颗粒的磁矩转动理论来说明。阻碍因素单畴颗粒内，阻碍磁矩转动的是各种各向异性：1、磁晶各向异性2、形状各向异性3、感生各向异性由反磁化核的形成和长大决定的矫顽力所谓反磁化形核是指其中的磁矩方向与周围环境的磁矩方向相反的一个小区域。反磁化过程决定的矫顽力的数值，往往在壁移矫顽力和畴转矫顽力之间。磁滞回线为矩形的一类磁性材料（矩磁材料）的反磁化过程，通常可用反磁化核的形成和长大来说明。●剩磁铁磁物质磁化至饱和后，再将外磁场减退到零便达到剩余磁化状态。下图表示出铁磁体磁化饱和后随磁场下降到零的剩余磁化过程。★剩磁状态的物理概念剩磁状态是H＝o，而M≠0的磁化状态。剩磁状态一般可以理解为材料磁化至饱和后，在反磁化过程中保留了大量不可逆的磁化部分，而退掉了在H＞o区域中的可逆磁化部分。图2表示出单抽各向异性晶粒组成的多晶体剩余磁化的磁畴结构变化示意图。●剩磁剩余磁化强度的大小，决定于材料从饱和磁化降到H＝0的反磁化过程中磁畴结构的变化。剩磁是反磁化过程中不可逆磁化的标志，也是决定磁滞回线形状大小的一个重要物理量。引起剩磁的物理机理单轴各向异性体只有两个正反方向是易磁化轴方向。在多晶体中，假设晶粒的单易磁化轴是均匀分布的。当多晶体在某个方向磁化饱和后，再将外磁场退降到零，这时由于不可逆磁化的存在，各个晶粒内的磁矩不是从饱和磁化方向回到自己原来的易磁化轴方向，而是只回到各自最靠近外磁场方向上的那些易磁化铀方向。所以磁矩均匀分布在半球内，在原来外磁场方向上，仍保留有剩余磁矩。★影响剩磁的因素（一）应力作用对剩磁的影响（二）杂质和气孔分布对剩磁的影响（三）材料织构化对剩磁的影响应力作用对剩磁的影响在多晶体中，如果磁各向异性很小，而存在着强应力，则材料中的Ms取向将完全受应力力作用的控制。在应力作用下，由应力各向异性所决定的易磁化轴届于单轴各向异性。如果应力分布均匀，则可以得到很高的剩磁Mr＝Ms或很低的剩磁Mr＝0。如应力分布完全混乱，则会使剩磁降低到Mr＝0.5Ms，如同单轴各向异性的多晶体一样。材料中的应力作用，往往通过λsσ起作用，因此控制材料的磁致伸缩系数λs的大小，对于剩磁Mr的影响也是很明显的．杂质和气孔的分布对剩磁的影响杂质和气孔的影响包括两个方面：一方面是在杂质和气孔周围产生一定的退磁场，使材料内部磁化不均匀，导致剩磁的降低；另一方面，由于杂质、气孔等不均匀性，为反磁化过程提供了反磁化核生长的条件，使其反磁化过程在磁滞回线第一象限内，就有反磁化核长大，因而降低了磁滞回线的矩形度，剩磁也减小。材料织构化对剩磁的影响多晶体无织构，宏观上为各向同性。如采用一定的工艺手段把晶粒定向，使它们的易磁化方向排列一致，并沿这个方向磁化至饱和，这时剩磁可以提高，甚至达到趋近于Ms，下表列出了在不同处理条件下，材料的剩磁状态分布情况以及剩磁的大小★控制材料剩磁的途径材料剩磁Mr的大小，随应用不同而对其Mr的要求也不相同。例如永磁材料要求高Mr，使其获得高的（BH）max；对矩磁材料需要高Mr，使其矩形比Mr/Ms趋近于1；对磁记录介质材料也要求高Mr，使其矩形比Mr/Ms高，以减小自退磁效应，从而可以提高信息记录效率；对于磁头材料则要求低Mr。磁记录介质和磁头材料都是属于磁记录应用中的磁性材料。就其功能而言，磁记录介质材料是作为记录和存储信息的材料，属于永磁材料；而磁头材料是作为输入和输出信息的换能材料，属于软磁材料。从以上可见，在实际应用材料中，如何控制材料磁性剩磁大小是一个很重要的问题。控制材料剩磁的途径从材料的磁滞回线可知，要想提高永磁材科的剩磁，必须设法提高其饱和磁化强度Ms。然而，Ms主要是由合金的成分所决定的，要想通过改变成分来大幅度地提高材料的Ms是不可能的。因此，对于成分基本给定的永磁材料，如何提高Mr/Ms的比值是提高Ms的关键。根据目前永磁材料生产的实践来看，提高永磁合金Mr/Ms的基本途径有以下几条：控制材料剩磁的途径（一）定向结晶（二）磁场处理或塑性变形（三）磁场处理定向结晶在永磁合金经熔炼进行铸造时，设法控制铸件的冷却条件，使大多数晶粒沿着同一方向结晶长大，最后形成柱状晶结构。它的磁性能往往介于单晶材料和普通等轴晶材料之间。这是由于柱状晶晶拉长大方向往住就是它的易磁化方向。例如，铝镍钻永磁台金可以通过采用这种方法使合金剩磁提高。磁场处理或塑性变形将