55物质的磁性磁导率和磁化率

功能材料FunctionalMaterials第三章磁性功能材料磁性功能材料——磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，本章主要内容•磁学理论——物质的磁性、磁性的基本物理量•磁性材料分类——软磁材料、永磁材料、半硬磁材料•磁性材料的基本性能与应用第三章磁性功能材料3.1磁学基础－物质的磁性(一)物质的磁性将一个面积为（A)、通有电流（Is)的环型导体放入磁场中，该环型导体将会在磁场（H)的作用下发生偏转，即环型导体受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由下式表示：MIsxAxH定义Pm=IsxA为通过电流为Is、面积为A的环型导体的磁矩。IsI原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。电子的循轨磁矩Pl=电子的自旋磁矩Ps=e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨道量子数；s:自旋量子数。原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。)1(4llmeh)1(2ssmeh3.1磁学基础－物质的磁性物质磁性具有普遍性3.1磁学基础－物质的磁性电子的循轨磁矩电子的自旋磁矩原子磁矩物质磁性原子磁矩＝Σ物质表现何种磁性原子磁矩间相互作用外加磁场的作用3.1磁学基础－物质的磁性细菌细胞中的磁力线200nm的Co粒子中的磁力线3.1磁学基础－物质的磁性磁场强度：电流强度为I的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度H为：H=NxIA/m（安/米）距离永磁体r处的磁场强度H为：H=km1r0/r2H/m（亨利/米）m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单位；磁化强度(M):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为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,单位为T（特斯拉）。（二）基本磁性参量B=H+M3.1磁学基础－物质的磁性磁导率和磁化率在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=μ0H在磁性材料中：B=μ0（H+M）在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：B=μ0（H+M）磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：μ=B/Hμ0:真空磁导率;μ:绝对磁导率，单位为H/m，μr:相对磁导率μr=μ/μ0磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ=M/H(三）物质磁性的分类3.1磁学基础－物质的磁性物质磁性分类顺磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：1–104铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ：10-3-10-6被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，χ：－（10-5–10-6）抗磁性与外加磁场的关系顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。3.1磁学基础－物质的磁性抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。3.1磁学基础－物质的磁性HmmDmkkDkDkDm产生抗磁性的原理m：磁矩Dm：附加磁矩Dk：附加向心力k：向心力抗磁性具有普遍性物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性b:铁磁性c:反铁磁性d:亚铁磁性3.1磁学基础－物质的磁性由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时)3.1磁学基础－物质的磁性铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。Tc是材料的M-T曲线上MS2→0对应的温度。顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：磁化率服从居里(Curie)定律，即：χ=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：χ=C/(T-Tc)。（四）温度对物质磁性的影响Tcχ3.1磁学基础－物质的磁性(四）磁各向异性磁性材料在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。单晶体的易磁化和难磁化方向3.1磁学基础－物质的磁性（五）磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数λ表示，即：λ=Δl/l式中，Δl和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而λ也为负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数λ称为饱和磁致伸缩系数，用λs表示。对于3d金属及合金:λs约为10-5—10-6。3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量(一)磁畴结构在铁磁性材料中，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，直至形成封闭畴。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。立方结构单晶铁磁材料的磁畴结构示意图3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量Co中的磁畴结构磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-1～10-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量畴壁布洛赫(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3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量布洛赫奈尔壁3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。（二）磁畴移动与磁化过程受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。运动方式转动移动各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量畴壁的移动3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量（三）磁化曲线磁化过程四阶段：（1）M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2）M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程，的巴克豪森（Barkhausen）跳跃。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量(四）磁性材料的技术磁参量技术磁参量内禀磁参量:MS、Tc外禀磁参量:Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积MS:饱和磁化强度Hc：矫顽力Mr或Br：剩磁主要取决于材料的化学成分对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变损耗：软磁材料磁化一周总的能量损耗W，由涡流损耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公斤材料损耗的功率表示，即:W=We+Wh+WrWe：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下:We∝D2Bm2/ρWh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，它也以热的形式表现出来，其大小与磁滞回线的面积呈正比。Wr：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量磁能积（BH）：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH）。最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。对通常的永磁体的应用而言，Hg越大越好。因此、在设计磁铁时，应使其工作点在图中的D点附近。同时、(BH)max越大，Hg也越大。(BH)max越高，所需要的磁体体积就越小(BH)max的大小取决于磁感矫顽力Hc、剩磁Br和隆起系数γ，即:(BH)max=γ·Br·HCB3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量永磁材料的退磁曲线与磁能积(密度)曲线3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量磁滞回线族3.1磁学基础－磁化过程与技术磁参量（五）磁性材料的稳定性衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑Br和Hc。（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工作过程中磁性随时间的变化。（3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时间的变化。显微组织变化引起的组织时效性能不稳定的原因磁畴结构变化引起的磁时效可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性不可逆3.1磁学基础－磁性材料分类按矫顽力分类软磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc100A/m(1.25Oe)Hc:100～1000A/m(1.25～12.5Oe)Hc1000A/m(12.5Oe)按用途分类铁芯材料磁记录材料磁头材料磁致伸缩材料磁屏蔽材料变压器、继电器录音机通讯仪器、电器磁带、磁盘传感器3.1磁学基础－磁性材料分类主要磁性材料分类3.2软磁材料用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。3.2软磁材料－铁芯材料用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料：高磁饱和材料(Bs为2T左右)，如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；中磁饱和中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等（一）工业纯铁资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。3.2软磁材料－非晶态、微晶与纳米晶软磁合金最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。去应力退火：消除加工应力。保护条件下860～930℃，保温4小时后随炉冷却。去除杂质处理：纯铁中的杂质（C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于1200～1300℃温度保温5～10小时。3.2软磁材料－铁芯材料工业纯铁的热处理：纯铁材