8磁功能材料

磁功能材料：具有强磁性的材料。（具有能量转换，存储或改变能量状态的功能）应用：磁流体、电磁炮、水雷、地雷、隐身屏蔽、微波器件、声呐等。（1）隐身飞机、隐身导弹/快艇（2）电磁炮：把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。初速7000km-8000km/h，最高可达9010km/h打击90km-180km外的目标。（3）磁性液体磁流体：在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好像整个液体具有磁性。基液→煤油（形成稳定的胶体体系）油酸（表面活性剂）磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处→形成磁性液体“O”型环，具有无泄漏、无磨损。（4）磁性水雷:采用非触发式磁性引信。基本磁性参量：磁矩、磁场强度、磁化强度、磁化率、磁导率（1）磁矩m：描述电流线圈的磁性质以及微观粒子物理性质的物理量。任何一个封闭的电流都具有磁矩m，其大小为电流与封闭环型的面积的乘积。在均匀磁场中，磁矩受到磁场作用的力矩J：J=mXBJ为矢量积，B为磁感应强度磁偶极矩（矢量）μ⃗m：用环形电流来描绘磁偶极子。载流平面线圈的电流强度I和线圈面积S的乘积。磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。环形电流磁矩μ⃗m=iS⃗螺线圈的磁矩μ⃗m=niS⃗在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩，电子因自旋具有自旋磁矩，这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。（2）磁场强度H：单位正点磁荷在磁场中所受的力。磁化强度（M）：单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和。单位A/m磁感应强度（B）：物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和。单位T（特斯拉）B=H+M在真空中，磁感应强度B与磁场强度H间的关系B=u0Hu0真空磁导率4πx10-7H/m在磁性材料中：B=u0（H+M）（3）磁导率μ：磁感应强度与磁场强度之比μ=B/H（表征磁介质磁化性质的物理量）μ0：真空磁导率μ：绝对磁导率μr:相对磁导率μr=μ/μ0磁化率χ：磁化强度与磁场强度之比χ=M/H磁性材料分类（按磁化率）：a.顺磁性b.铁磁性c.反铁磁性d亚铁磁性（1）强磁化（被磁化后，磁场方向与外磁场方向相同）铁磁性（磁性离子均指向它的磁性方向）χ＞0（10-1-105）如铁、钴、镍亚铁磁性（只有部分离子的磁场指向其磁性方向）χ＞0（10-1-104）如磁铁矿、铁氧体等（2）弱磁铁（被磁化后，磁场方向与外磁场方向相同）顺磁性χ＞0（10-3-10-6）（在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢）反磁铁性：χ为小正数，高于某一温度时其行为与顺磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关（3）抗磁性χ＜0（-10-6）M与H反向（在磁场中受微弱的斥力，如金、银）材料的磁化：（1）静态a.技术磁化（外磁场作用下，磁畴逐渐趋向于外磁场方向）b.自动/内禀磁化（无外加磁场条件下自发地取向一致）（2）动态（磁化过程中磁场变化）磁化曲线：磁性物质的滞回曲线（磁感应强度滞后于磁场强度的变化性质→磁滞性）a.饱和磁化强度Ms：磁场强度不再随外磁场加大而增加。（1）→表征铁磁物质在外磁场作用下所具有的磁化规律b.当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br→(2、5)c.要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。B=0时的H值为矫顽磁力HC→（3、6）矫顽力：表征材料在磁化后保持磁化状态的能力。（受晶体中点阵缺陷的影响，是结构敏感的参量）当磁场作周期性变化时，磁性材料中的M/B与H的关系是一条闭合的曲线→磁滞回线铁型晶体磁化过程O为初始状态（形成闭合的磁畴结构）↓（加上磁场后，弱磁场阶段）A可逆壁移↓（跳跃）B不可逆壁移，出现阶跃式的磁化↓C（拐点）单磁畴状态↓磁场再增大依次发生畴移，顺磁过程（1）可逆区域（磁场弱）（2）瑞利区域（磁场略强，不可逆）（3）最大磁导率区域（中等磁场）（4）趋近饱和区域（强磁场）（5）顺次区域（更强磁场）动态磁化曲线振幅磁导率μr=Bmμ0HmB与H非线性关系动态损耗：磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。磁滞损耗（热）与f/磁滞回曲线面积成正比；涡流损耗与f2/电导率成正比；剩余损耗与f成反比铁氧化→剩余损耗（原因有扩散、尺寸共振、磁力共振、畴壁共振、自然共振）铁磁化→电阻小（磁滞损耗、涡流损耗）静态损耗：磁滞损耗Ms、1/x随温度T的变化铁磁性：当超过距离温度Tc变成顺磁性，磁化率x服从居里-外斯定律；cT-TC0k-Tc，与外加磁场无关的自发磁性。亚铁磁性：同上，但Tc以下x的比磁体小。顺磁性：服从居里-外斯定律。反铁磁性：a.当T＞TN时，反铁磁性转变为顺磁性，磁化率服从居里-外斯定律，多数反铁磁性物质的顺磁奈尔温度为正值，也有负值。超过奈尔温度，自旋有序结构完全消失；b.当T＜TN时，表现为反铁磁性，最大特征是：磁化率随温度降低反而减小；c.在TN点附近，除磁化率的反常变化外，比热和热膨胀系数也将出现反常高峰，某些物质的杨氏模量也将发生反常变化，这表明TN是二类相变温度。d.存在磁晶各向异性。当样品为单晶时，沿不同晶轴方向测量的磁化率明显不同。磁各向异性（不同方向上具有不同磁性能的特性）包括：磁晶各向异性、形状各向异性、感生各向异性和应力各向异性等由磁化曲线和M坐标轴之间包围的面积确定磁化过程的磁化功。这部分与磁化方向有关的自由能称为磁晶各向异性能。自发磁化在磁畴中的取向不是任意的，而是在磁晶各向异性能最小的各个易磁化方向上。磁致收缩（磁致伸缩系数λ=Δι/ι）λs饱和磁致伸缩系数铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积发生变化。沿磁化方向→纵向磁致伸缩垂直磁化方向→横向磁致伸缩铁磁体被磁化时其体积大小相对变化→体积磁致伸缩磁致伸缩与外磁场大小有关：λ＞10-3的材料→超磁致伸缩材料（伺服机构应用）λs＞0：正磁致伸缩（铁）沿磁场方向伸长，，垂直磁场方向缩短λs＜0：负磁致伸缩（镍）沿磁场方向缩短，，垂直磁场方向伸长在单晶中明显存在，且各向异性较强。各种变形模式：体积不发生变化（仅形状发生变化）；体积发生变化磁畴理论：（磁畴结构:磁畴和畴壁）a.磁畴成因：原子磁矩平行排列，以使交换作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了体系的退磁能，因而使一定区域内的原子磁矩取反平行排列，出现了两个取向相反的自发磁化区域，降低退磁能，且至形成封闭畴。b.磁畴：磁性物质内部发生自发磁化方向相同的小区域。大小和方向基本一致的自发磁化区域。体积：10-1-10-6cm3磁壁：磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层。磁畴之间被畴壁隔开，畴壁实质是相邻磁畴之间的过渡层，在过渡层中，磁矩不是突然改变方向，问世逐渐改变。磁矩方向的角度：180°壁/90°壁（磁矩方向不为180°）根据磁矩过渡方式的不同将畴壁分类：布洛赫（Bloch）磁畴壁：畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180奈耳（Neel）磁畴壁：畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于界面c.磁畴结构：均匀铁磁体（内磁畴结构）：闭流型、片状（开放式）、表面磁畴（树枝状、圆锥形、匕首封闭）非均匀铁磁体：掺杂与空隙（空穴）对畴壁的影响、多晶体的畴壁结构磁性物质（1）抗磁性物质：相对磁导率ur＜1，抗磁质的磁导率u小于真空中的磁导率u0，χ＜0，M与H方向相反，磁化率χ很小，且不随温度变化。如Bi/Zn/Cu/Ag/Au/Mg（2）顺磁性物质：原子内部存在固有磁矩；自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性相对磁导率ur＞1，抗磁质的磁导率u大于真空中的磁导率u0，χ＞0，M与H方向相同如La/Pr/MnAl，除Be以外的碱金属和碱土金属（3）反铁磁性：存在一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值χ＞0，M与H方向相同（4）亚铁磁性物质（微观上，磁结构类似与反铁磁性；从宏观磁性上看又类似与铁磁性物质）晶系：六方晶系（六角晶型→磁铅石型）；立方晶系（尖晶石型、石榴石型、钙钛矿型）a.χ＞0，并且数值较大；b.χ是H和T的函数，并与磁化历史有关；c.存在着临界温度——居里温度（Tc），当T＜Tc时为亚铁磁性；当T＜Tc时为顺磁性。铁磁性和亚铁磁性宏观上的区别：磁化率倒数和温度；饱和磁化强度温度下降。（5）铁磁性物质：即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整体排列。原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性室温以上，只有4种元素是铁磁性物质：Fe、Co、Ni、Gd低温度，一些过渡族元素和稀土元素金属a.χ＞＞0，磁化率数值很大；b.χ是温度和磁场的函数；d.在距离温度附近出现比热等性质的反常；c.存在磁性转变的特征温度——居里温度Tc，T＜Tc呈铁磁性；T＞Tc为顺磁性，其磁化率温度关系服从居里-外斯定律；e.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞回效应。f.磁晶各向异性和磁致伸缩现象。影响磁性的因素物质的结构和成分（形变、晶粒度组织及相结构）第一类磁性物质（自发磁性）：a.饱和磁化强度Ms→决定于铁磁性物质的原子结构和邻近原子间的相互作用，且随温度而变化；b.居里温度Tc→居里温度以下形成一定程度的自发磁化，以上则呈顺磁性；c.磁各向异性参数K1→表征某铁磁性物质在外磁场下磁化时的难易程度；d.饱和磁致伸缩系数λs→表示某一物质在外磁场作用下沿磁场方向测量到最大长度或形状的变化。【结构不敏感性】第二类磁性物质（技术磁化）：磁导率u，磁化率χ，矫顽力，剩磁感应强度Br【结构敏感磁性】（1）温度（铁磁性物质随温度升高表现为顺磁性）温度升高，原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增强，从而是Ms减小，到达居里温度点时，Ms降为0。（2）形变和晶粒度冷塑性变形会使金属中点缺陷和位错密度增高，造成点阵畴变加大和内应力升高，因而使组织敏感的铁磁性发生变化。随变形度增大，磁导率um减小，矫顽力Hc增大，剩余磁感应强度Br在临界变形度以前随变形度增大而急剧减小；而在临界变形度以上则随变形度的增大而增大。晶粒越细，磁导率越低，矫顽力越高。改善铁磁材料u的方法：a.消除杂质；b.晶粒育到足够大并呈等轴状；c.形成再结晶结构；d.采用磁场中退火。（3）成分、组织及相结构的影响形成固溶体；形成化合物；形成多相合金。