磁性材料・第二章(陈宝军)1

磁性材料磁性材料MagneticMaterialsMagneticMaterials四川大学材料学院四川大学材料学院陈宝军陈宝军2课程提纲课程提纲绪论第一章磁学基本理论与物质的磁性第二章软磁材料第三章永磁材料第四章信息记录材料第五章新型磁功能材料3一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系三、各类软磁材料三、各类软磁材料四、软磁材料性能的改善四、软磁材料性能的改善五、软磁材料应用举例五、软磁材料应用举例第二章第二章软磁材料软磁材料4一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念定义磁性材料中矫顽力很低，因而既容易受外加磁场磁化，又容易退磁的材料称为软磁材料。5z从应用角度考虑，对软磁材料有下面的基本要求：(1)初始磁导率()、最大磁导率等都要高，目的在于提高功能效率；(2)剩余磁通密度()要低，饱和磁感应强度()要高，目的在于节省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场极性(N-S极)的反转；(3)矫顽力(Hc)要小，目的在于提高高频性能。μimaxμrBSB一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念6此外，为了节省能源，降低噪声等，高磁导率材料还应具备下列特征：(4)铁损(ironloss)W要低，目的在于提高功能效率；(5)电阻率要高，目的在于提高高频性能，减少涡流损失；(6)磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声；(7)磁各向异性系数K要低(无论在哪个结晶方向都容易磁化)。sλρ7z从工业产量看，高磁导率材料在磁性材料中所占比例最大。主要的高磁导率材料已在表1-4中给出了，其中Fe及Fe系合金用量最大。软磁材料的地位与作用z应用广泛，一直处于磁性技术的中心地位。软磁材料——高磁导率材料——磁芯材料8z软磁性材料最典型最典型的特性——初始磁导率初始磁导率可表示为：μi式中Ms为饱和磁化强度，K为晶体的磁各向异性常数，为磁致伸缩常数，为内应力。显然，大要求Ms大、小。sλσμiσ初始磁导率9z高磁导率材料的磁滞回线二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系磁滞回线所围的面积小，损耗低，磁导率高，材料品质好，坡莫合金优于纯铁。10z纯铁晶体结构纯铁（Fe）：室温下为体心立方，高温高压下会发生相变（transformation）,磁学特性也会随之而发生变化。2.2.1纯金属软磁性与晶体组织结构的关系112.2.1纯金属软磁性与晶体组织结构的关系杂质形变晶界析出沉淀相钉扎点阻碍畴壁移动弹性应变场阻碍畴壁移动阻碍畴壁移动各向异性弹性应变场能量损失12(1)(1)晶粒要尽可能大晶粒要尽可能大这仅是针对块状晶体材料的一般原则，对于高新技术材料之一的薄膜磁性材料来说，采用超微细晶粒可以提高其软磁特性。(2)(2)杂质要尽可能少杂质要尽可能少一般说来，杂质的存在会阻碍晶核生长、晶粒长大，而且会析出杂相物，阻碍磁畴壁的移动。2.2.2软磁性材料的原子模型13(3)(3)内应力要尽可能低内应力要尽可能低这里所说的内应力是指存在于晶胞范围内或晶粒范围内的微观内应力。广义地讲，晶体缺陷(包括点缺陷、位错、层错、析出物等)周围都会或多或少地存在内应力。当材料在外力作用下发生塑性变形时，由于上述应力场的存在，还会使内应力增加，影响磁性。142.2.2.1晶格缺陷1.晶体结构缺陷从几何角度讲，周期有序排列中往往会出现局部的紊乱紊乱；从尺寸范围讲，紊乱大致涉及1个到几个原子间距(1nm左右)。这种晶体中原子紊乱排列现象，称为晶格缺陷晶格缺陷(Lattice(Latticedefectdefect))。152.晶体形变过程中的位错增殖机制无论是哪种位错，在晶体塑性变形中都起着重要作用。除低速、高温变形之外，塑性变形都是位错移动引起的。位错在变形过程个会发生增殖，这是造成内应力增加的原因之一。162.2.2.2畴壁移动、磁化旋转与位错的关系•技术磁化过程的主要机制是：磁畴壁移动和磁化旋转。•阻碍畴壁运动的因素有位错及其他晶格缺陷、析出物以及其他夹杂物等。172.2.2.3交流磁场的能量损失软磁材料多用于交流磁场，动态磁化会造成各种模式的能量损失能量损失（铁损，ironloss），必须设法降低。能量损失通常用W表示：W=Wh+We+Wr(2-3)式中，Wh为磁滞损耗(hysteresisloss)；We为涡流损耗，Wr为残留损耗。z总能量损失W18z磁滞损耗Wh按图1-14所示的磁滞回线，当磁化强度沿回线变化时，Wh为磁场所做的功。若频率为f，则Wh可表示为：DEFGJD→→→→→19z涡流损耗We当对导电性磁性材料施加交流磁场时，对应磁通量变化，材料中会产生感应涡流，由涡流产生的并以焦耳热的形式损耗的该部分能量即为We。若材料板厚为t，最大磁感应强度为Bmax，电阻率为ρ，引入常数a，则We可表示为：可以看出We与电阻率电阻率ρ成反比。20z残留损耗Wr相对于磁场变化，当磁化旋转、畴壁移动以及杂质等引起的非各向同性弹性应变场的变化产生滞后时，会产生磁余（弛豫）效应以及共振等。由此引起的损耗即为残留损耗Wr。由磁余效引起的能量损耗称为弛豫型能量损耗，其涉及的因素较多，直接解析表达式难于建立，只有通过求弛豫应变的方法逐步推算。可以看出，随频率增加，金属系的涡流损耗、铁氧体系的残留损耗明显增加。212.2.2.4磁各向异性1.磁各向异性的概念铁磁性体的一个非常重要的特性是磁各向异性。以Fe为例，其[100]方向的磁化比[110]、[111]两个方向更容易，这种性质为磁各向异性磁各向异性。Ni中的[111]、MnFeO4中的[111]就属于易磁化方向。若实际的磁化方向与易磁化方向的夹角为θ，设各向异性常数为，则各向异性能可近似表示为：uKaE2412sinsinauuEKKθθ=+（2-8）22在不同的晶体学方向上，存在易磁化方向和难磁化方向的特性称为磁各向异性磁各向异性。上述磁各向异性决定于晶体结构的各向异性，它是物质“先天的”固有性质。但也还有“后天的”磁各向异性，其中包括：形状磁各向异性；诱导磁各向异性；应力磁各向异性(应变磁各向异性)。这些磁各向异性在磁性材料的实际应用中是非常重要的。232.磁各向异性的成因zz形状磁各向异性：形状磁各向异性：取决于材料是线材还是板材等，是由形状决定的各向异性。zz诱导磁各向异性：诱导磁各向异性：是通过外部磁场及加工、热处理、晶体生长方式等，使材料产生的磁各向异性，它贯穿在实际磁性材料的整个制造过程中，是必须考虑的极为重要的性质。24zz应力磁各向异性应力磁各向异性，源于磁致伸缩现象(magnetostrictionPhenomena)。一般说来，铁磁体经磁化其尺寸、形状往往会发生一些变化，这种现象即为磁致伸缩磁致伸缩。磁致伸缩也会显示出各向异性。长度为的棒料沿轴向磁化时，若长度变化为，则称A为磁致伸缩率。ΔA25如图2-20所示，其与磁场强度的大小相关。上述磁致伸缩率在强磁场下达到饱和的值称为磁磁致伸缩常数致伸缩常数，作为铁磁体的特性参数经常使用。对于高磁导率材料来说，磁各向异性常数K及磁致伸缩常数，作为基本参数必须加以考虑，通常要求越小越好。sλsλ2627三、各类软磁材料三、各类软磁材料2.3.1.2.3.1.合金系合金系软磁材料软磁材料2.3.2.2.3.2.软磁软磁铁氧体铁氧体2.3.3.2.3.3.非晶态非晶态软磁材料软磁材料2.3.4.2.3.4.磁性磁性薄膜薄膜282.3.1合金系软磁材料1.1.纯铁、低碳钢纯铁、低碳钢2.2.硅钢硅钢3.3.坡莫合金坡莫合金4.4.仙台斯特合金仙台斯特合金5.5.其他合金其他合金291.1.纯铁和低碳钢纯铁和低碳钢纯铁纯度在99.8%以上的铁人类最早使用的一种金属软磁材料1886年，世界上第一台变压器。30纯铁矫顽力低、磁导率高、导热性和加工性好、易焊接、有一定的耐腐蚀性、价格便宜广泛用于直流应用：电器、仪表中的磁性元件电子管零件、合金原材料直流电机及小型异步电机的导磁材料直流磁屏蔽材料31低碳钢含碳量低于0.1%的铁碳合金实际使用，低碳钢带，含碳量0.05～0.08%厚度0.50mm和0.65mm32低碳钢交流应用：铁损大但在较强磁场下，磁感应强度高制成电机后，有利于降低激磁电流和电机绕组的铜损。33低碳钢直流应用：巨型电磁铁的铁芯材料每台重量可达几千吨，低碳钢价格低廉，可降低成本同步加速器、直线加速器（产生恒定磁场）34z合金化可以改善材料的磁学特性，主要结果如下：(1)电阻升高，铁损得到改善；(2)可降低晶体磁各向异性常数和磁致伸缩常数直至为零。2.2.硅钢硅钢z合金化也可能带来不利的结果，如可使饱和磁通密度降低。35•硅钢是碳的质量分数在0.02％以下，硅的质量分数为1.5％～4.5％的Fe合金，常温下Si在Fe中的固溶度大约为15％，但Fe-Si系合金随Si量的增加而加工性变差，因此硅约为5％是一般硅钢制品的上限。36•硅钢的磁学特性是，随Si添加量的增加，晶体磁各向异数常数K下降、磁致伸缩常数下降，在保证磁畴内的均匀性、各向同性的前提下，可以达到矫顽力低、磁导率高等特性。因此，硅钢是非常优秀非常优秀的软磁性材料之一。•而且，添加Si可显著地提高电阻率，减少铁损。因此硅钢也是交流电器用的较理想材料，直到现在人们仍在投入相当大的力量对其进行进一步改良研究。37•另外从实用方面考虑，为符合使用条件，常选用某一方向为易磁化方向，这样更容易磁化。例如，大量生产的硅钢片就是通过对变形再结晶组织轧板，使其产生板织构，大多数晶粒的｛110｝面平行于轧面，[100]方向平行于轧向。而[100]方向正是铁的易磁化方向。38坡莫合金坡莫合金(Permalloy：该名称的意思为具有高导磁率的合金)是指成分为Fe(35Fe(35％～％～8080％％))--NiNi的合金的合金，面心立方点阵。具有很高的磁导率，但随NiNi含量含量及冷却条件等的不同，其磁性能有很大的变化。3.3.坡莫合金坡莫合金39Fe-Ni系合金，在为70％～80％的范围内，具有最佳综合软磁特性。当在81％附近时，磁致伸缩常数＝0当在76％附近时，磁各向异性常数K＝0Fe(50％～85％)-Ni二元合金在490℃发生有序—无序转变，缓慢冷时会形成NiFe有序结构相，致使晶体磁各向异性常数K增大，磁导率μ下降。NiwNiwNiwSλ40因此，必须从600℃急冷以抑制有序相的出现，增加无序结构相，急冷急冷的坡莫合金的磁导率在为80％附近出现极大值。此外，通过添加第三元素可以有效地抑制有序相的出现，例如，通过添加Mo，Cr，Cu等开发多元系坡莫合金，出现了以超坡莫合金超坡莫合金为代表的坡莫合金。总之，75％～83％的坡莫合金具有极高的磁导率等优良磁学特性，制造工艺又不太复杂，可以满足变压器、磁屏蔽、磁头等多方面的需要。NiwNiw41•金属系高磁导率材料中，还应该提到的是仙台斯特合金(Sendustalloy)，1932年日本东北大学（位于仙台市）的曾本、山本两位博士发现的。•成分为Fe-9.5Si-5.5Al附近，磁致伸缩常数λ≈0，磁各向异性常数K≈0同时成立，且能得到高磁导率和低矫顽力的一种合金材料。从价格上看，不需要高价的高价的CoCo和和NiNi，而且电阻率高、耐磨性好，是作为磁头磁芯材料比较理想。4.4.仙台斯特合金仙台斯特合金422.3.2软磁铁氧体z结构：结构：其构成为2价金属氧化物•Fe2O3（MO•Fe2O3）。z化学键：化学键：氧化物的化学键合是共价键还是离子键对于物性来说很关键。共价键依靠共有电子轨道实现键合，共价键具有方向性和饱和性；离子键依靠正、负离子的库仑力键合，正离子、负离子相互配位。43zz实用的铁氧体实用的铁氧体若按晶体结构进行分类，如图2-24所示。其中属于六方晶系的磁铅石型铁氧体，除了图中所示最常用的M型(BaO•6Fe2O3，Ba可用Sr，Pb，Ca等代换，缩写为BaM)外，还有W，X，Y，Z，U型。六角晶型铁氧体的晶体结构对称性较低，具有较高的晶体磁各向异性；根据不同的配方，可呈现单轴型各向异性和平面型各