磁性材料-第一章

第一章磁学基础知识1.1磁化率和磁导率对置于外磁场中的磁体有：M=χHχ称为磁体的磁化率B=μ0(H+M)=μ0(H+χH)=μ0(1+χ)H定义：μ=1+χ相对磁导率μ=B/μ0H*表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易程度的一个磁学量。在不同的磁化条件下，磁导率有不同的表达形式(1)起始磁导率μiHBHi00lim1磁中性状态下磁导率的极限值，实验上等于B-H曲线在原点O处切线的斜率除以μ0(2)最大磁导率μmaxmax0max)(1HB(3)复数磁导率磁体在交变磁场中磁化时，B和H之间存在相位差，只能用复数表示。它们在复数表示法中的商也同样是一个复数。(4)增量磁导率μHB01~i~磁体在稳恒磁场H0作用下，叠一个较小的交变磁场，表现出来的磁导率为增量磁导率。B、H分别为交变磁感应强度和交变磁场强度的峰值。(5)可逆磁导率rev(6)微分磁导率μdiffdHdB0diff10revlimH起始磁化曲线上任一点的斜率被称为微分磁化率。(7)不可逆磁导率μirrrevdiffirr不可逆磁导率是由不可逆磁化而引起的。(8)总磁导率tot连接原点O与起始磁化曲线上任一点的直线的斜率被称为总磁导率。*不管哪种磁导率，其值都不是常数，而是H的函数。1.2磁性和磁性材料的分类所有的物质都具有磁性，但并不是所有的物质都能作为磁性材料来应用。有些物质具有很强的磁性，而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少一部分物质能够作为磁性材料来应用。1.2.1物质的磁性分类按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将物质的磁性分为五个种类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。1.2.2磁性材料分类从实用的观点出发，磁性材料可以分为以下几类：软磁材料、永磁材料、信磁材料、特磁材料1.3磁性材料中的基本现象1.3.1磁晶各向异性定义：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。*磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。Ni单晶的磁化曲线*易磁化方向（易轴）111；难磁化方向（难轴）100一、磁晶各向异性能铁磁体从退磁状态磁化到饱和，需要付出的磁化功为：)0()(000FMFdFdMHMM沿铁磁晶体不同晶轴方向磁化时所增加的自由能不同，称这种与磁化方向有关的自由能为磁晶各向异性能。*说明：铁磁体中的自发磁化强度和磁畴的分布取向不会是任意的，而是取向于磁晶各向异性能最小的各个易磁化轴的方向上。Why?(1)立方晶系K1、K2为立方晶体磁晶各向异性常数，可通过实验来测定。i为MS对于x、y、z轴的方向余弦。0]100[KF4/1]110[KFK27/3/21]111[KKFKFe：易轴为[100]，故K10Ni：易轴为[111]，故K10(2)六角晶系若自发磁化方向与c轴所成的角度为Co晶体：易轴为[0001]，故KU1、KU20二、磁晶各向异性等效场*无外场时磁畴内的磁矩倾向于沿易轴方向取向，就好像在易磁化方向存在一个磁场，把磁矩拉了过去。它并不是真实存在的磁场，而是把磁晶各向异性能的作用等效为一个磁场作用。求法：磁体在磁晶各向异性等效场中的磁场能＝磁晶各向异性能等效场*六角晶体（易轴为[0001]）*立方晶体：易轴[100]易轴[111]三、磁晶各向异性起源*晶体场电子轨道角动量淬灭电子的轨道运动失去了自由状态下的各向同性，变成了与晶格相关的各向异性电子云分布各向异性*电子的自旋运动与轨道运动之间存在耦合作用电子轨道运动随自旋取向发生变化磁晶各向异性来源模型（a）磁体水平磁化时，电子云交叠少，交换作用弱（b）磁体垂直磁化时，由于L-S耦合作用，电子云随自旋取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用强1.3.2磁致伸缩定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化。一、磁致伸缩效应线磁致伸缩：纵向磁致伸缩、横向磁致伸缩体积磁致伸缩很小，可忽略磁致伸缩系数：ll/的大小与H的大小有关S：饱和磁致伸缩系数S0正磁致伸缩；S0负磁致伸缩*同种单晶体在不同晶轴方向磁化时的磁致伸缩系数是不相同的，即单晶体的磁致伸缩具有各向异性。*对立方晶体*1、2、3分别为磁化方向相对于单晶晶轴的方向余弦；*1、2、3分别为磁致伸缩方向相对于单晶晶轴的方向余弦。)(3)31(23131332322121111232322222121100S*通过对材料施加拉应力或压应力，能引起材料的磁性能变化，即所谓的压磁效应，这是磁致伸缩的逆效应。*研究磁致伸缩的意义：（1）了解磁体内部各种相互作用的本质以及磁化过程与物体形变的关系；（2）根据材料的压磁效应原理制成许多有用的器件。二、磁致伸缩机理*同磁晶各向异性的来源一样，由于原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生。1.4磁畴结构*退磁场能最小是形成磁畴的主要原因。*实际情况中，还必须考虑其他一些因素比如交换能、磁晶各向异性能、磁致伸缩导致的磁弹性能等的影响。真实的磁畴结构由总能量的极小值来确定。1.4.1磁畴的成因1.4.2畴壁结构*根据畴壁中磁矩的过渡方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁两种类型。*布洛赫壁：大块铁磁晶体内的畴壁属于此类。*奈尔壁：在极薄的磁性薄膜中存在。布洛赫壁结构奈尔壁结构*另一种分类方法：根据畴壁两侧磁畴的自发磁化方向间的关系，将畴壁分为180o畴壁和90o畴壁。夹角是180o时，称为前者；其他的称为后者。1.4.3特殊磁畴结构一、单畴*铁磁晶体材料的尺寸变小时，内部包含的磁畴会减少。到一定程度时，成为多畴时的畴壁能比单畴的退磁场能还要高，这时材料将不再分畴，形成单畴结构。*单畴颗粒不会有畴壁位移磁化过程，只有磁畴转动磁化过程，因此磁化和退磁都比较困难。*若磁晶各向异性能较强矫顽力高永磁材料*永磁材料制备工艺中，常采用粉末法来提高矫顽力；*软磁材料制备中应避免颗粒太小，以免成为单畴降低磁导率。二、磁泡定义：在一些薄膜磁性材料中出现的一种圆柱形磁畴*形成磁泡的首要条件：磁性薄膜具有单轴各向异性，其易磁化轴垂直膜面，且等效磁晶各向异性场大于垂直膜面的退磁场。*H=0时，自发磁化条状磁畴*加小H时，与外磁场方向一致的磁畴体积增大，与外场反向的磁畴体积缩小。*当外场增大到一定大小时，与外场同向的磁畴占据了大部分体积，而与外场反向的磁畴收缩为孤立的圆柱形磁畴，即磁泡。*H继续增大，磁泡直径会减小，当H达到某一数值时，磁泡会消失。*磁泡产生的退磁场Hd与薄片的磁化方向相同，其作用是使磁泡退磁。为克服退磁作用，须有一数值较大、方向与Hd相反的磁场，才能保证磁泡稳定的存在。该磁场便是材料的单轴各向异性等效场HK。SdMHSUKMKH01220121SUMK*磁泡的动态特性－迁移率为使磁泡迁移率较高，KU1不能太大。*磁泡体积小，并能高速转移，用它作为计算机中的存储器或传输和逻辑器件，将会在很大程度上增加存储量，提高计算速度。*原理：控制磁泡的产生和消失，分别作为写“1”和“0”，并能检测磁泡的有无，从而读出写入的“1”和“0”。1.5技术磁化1.5.1磁化机制*磁化过程：磁性材料由磁中性状态变到磁饱和状态的过程*反磁化过程：从磁饱和状态回到退磁状态的过程*技术磁化：铁磁体在外场作用下通过磁畴转动和畴壁位移实现宏观磁化的过程*磁化本质：内部的磁畴结构发生变化*Vi为第i个磁畴的体积；i为第i个磁畴的自发磁化强度与H间的夹角；V0为块体材料的体积。*沿外场H方向上的磁化强度MH*当H改变H时，MH的改变为*磁化机制有三种：*技术磁化只包括前两项，可分为四个阶段：(1)弱磁场范围内的可逆畴壁位移；(2)中等磁场范围内的不可逆畴壁位移；(3)较强磁场范围内的可逆磁畴转动；(4)强磁场下的不可逆磁畴转动。*对一种磁性材料，磁化过程以一种或几种机制为主，不一定包括全部的四种机制。软磁材料：畴壁位移磁化为主单畴颗粒材料：仅存在单纯畴转磁化过程1.5.2可逆畴壁位移磁化过程*在H作用下，i畴能量最低，k畴能量最高，根据能量最小原理的要求，i畴体积增大，k畴体积减小，相当于畴壁移动了一段距离。*实际上，在一定的外场下，畴壁位移的距离是有限的。原因：材料内部存在着阻碍畴壁运动的阻力，阻力主要来源于铁磁体内部的不均匀性，主要是铁磁体内部存在有内应力的起伏分布和组分的不均匀分布，如杂质、气孔和非磁性相等。*单位体积铁磁体内的总能量为：*畴壁位移磁化过程中，必须满足自由能最小原理：*畴壁位移磁化过程中的一般磁化方程式：*物理意义：畴壁位移磁化过程中磁位能的降低与铁磁体内能的增加相等。*磁化过程中的平衡条件：动力(磁场作用力)＝阻力(铁磁体内部的不均匀性)*根据阻力的不同来源，分为两种理论模型：内应力模型和含杂模型一、内应力模型*主要考虑内应力的起伏分布对铁磁体内部能量变化的影响，忽略杂质的影响。一般的金属软磁材料和高磁导率软磁铁氧体适合采用这种模型。•180o畴壁的起始磁化率:•90o畴壁的起始磁化率:SSilM220o32)180(l磁畴的宽度；充实系数，晶体中实际存在的180o畴壁占据自由能极小位置的分数；畴壁的厚度；S饱和磁致伸缩系数；应力的变化020o32)90(SSiM二、含杂模型*忽略内应力的影响，主要考虑由于存在的杂质而引起的铁磁体内能量的变化。如果铁磁晶体内包含许多非磁性或弱磁性的杂质、气孔等，而内应力的变化不大，则可以采用含杂模型。•180o畴壁为例:3/11203/23/1o)180(KMdSid杂质直径；杂质的体积浓度*小结：畴壁位移磁化过程中影响起始磁导率的因素有(1)材料的MS，MS越大，i越高；(2)材料的K1和S，K1和S越小，i越高；(3)材料的内应力，材料内部的晶体结构越完整均匀，产生的内应力越小，i越高；(4)材料内的杂质浓度，越低，畴壁位移磁化过程决定的i越高。1.5.3不可逆畴壁位移磁化过程*同可逆畴壁位移磁化过程一样，铁磁体内存在应力和杂质以及晶界等结构起伏变化是产生不可逆畴壁位移的根本原因。180o畴壁的不可逆畴壁位移模型180o畴壁位移磁化方程w：畴壁能密度H=0时，停留在O点，畴壁处于平衡状态，因H0时，畴壁开始移动，磁场能下降，畴壁能增加，二者平衡oa一段：为可逆畴壁位移磁化阶段ae一段：为不可逆畴壁位移磁化阶段*以存在应力起伏分布的180o畴壁为例:lMSSir3420*ir比i大很多，提高ir的途径类似i1.5.4可逆磁畴转动磁化过程*磁畴转动过程中总的自由能*畴转磁化过程中的平衡方程式*物理意义：畴转过程中，当铁磁体内磁位能降低的数值与磁晶各向异性能、磁应力能和退磁场能增加的数值相等时，畴转磁化处于平衡状态。一、由磁晶各向异性控制的可逆畴转磁化*畴转磁化方程*以单轴六角晶系为例得1202USiKM二、由应力控制的可逆畴转磁化*畴转磁化方程*求得SSiM320*实际中材料内部往往同时存在磁晶各向异性能和磁弹性能，这些因素都会对磁畴转动构成阻力。*可逆磁畴转动磁化过程中影响起始磁导率的因素有：(1)材料的MS，MS越大，i越高；(2)材料的K1和S，K1和S越小，i越高；(3)材料的内应力，材料内部的晶体结构越完整均匀，产生的内应力越小，i越高；1.5.5不可逆磁畴转动磁化过程*实现不可逆畴转一般需要较强的磁场，因此通常铁磁体内的不可逆磁化主要是由畴壁位移引起的。对于单畴颗粒来说，只能是不可逆畴转。*导致可逆畴转和不可逆畴转的原因是铁磁体内存在着广义的各向异性能的起伏变化。*下图为具有单轴各向异性的铁磁体的可逆与不可逆畴转磁化过程。*从能量角度HKFFF*以单轴各向异性晶体为例，畴转磁化方程为*如果畴转磁化过程处于稳定平衡状态，则必须满足条件*如果处