磁性材料及应用

磁性材料及其应用天然磁石FE3O4吸铁性指南性人类认识和使用最早的磁性材料“山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上有铅者，其下有鉒银，上有丹沙者，其下有鉒金，上有慈石者，其下有铜金，此山之见荣者也。”《管子·地数篇》管仲春秋时期“西流注于泑泽，期中多慈石。”《山海经·北山经》战国时期“若慈石之取针。”“慈石召铁，或引之也。”《鬼谷子》鬼谷子战国中期《吕氏春秋·精通》吕不韦战国后期关于磁石的最早记载“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向……出指南车或指南鱼，以辨所向……鱼法，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。北宋曾公亮与丁度编撰的《武经总要》（1044年）关于指南针的应用和制作方法的记载“舟师识地理，夜者观星，昼者观日。阴晦观指南针。”北宋人朱或《萍洲可谈》司南指南车指南鱼各种指南针挂件永磁材料软磁材料磁记录材料特殊功能的磁性材料磁弹性材料磁电阻材料磁制冷材料磁流体新型磁性材料的分类：几种常见的永磁材料◆铝镍钴合金◆铁氧体永磁材料◆稀土永磁材料铝镍钴合金铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制造的铝镍钴合金的型号主要有LNG34,LNG52,LNGJ32,LNGJ56等。由于铝镍钴的主要特点是高Br、低Hc的永磁材料，其相对磁导率在3以上，所以在具体应用时，其磁极须做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。铝镍钴磁体本身矫顽力低，所以在使用过程中应严格禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化而发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加工困难。铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料是目前应用非常广泛的永磁材料之一，其主要成分是MoFe2O3。其具有的优点是：（1）矫顽力Hc大。铁氧体永磁材料的矫顽力Hc介于铝镍钴合金材料和稀土钴永磁材料之间。由于其剩磁较低，故一般适合设计成扁平形状；（2）重量轻，密度为(4.6～5.1)×103kg/m3；（3）原材料来源丰富，价格便宜，耐氧化，耐腐蚀；（4）磁晶体的各向异性常数大；（5）退磁曲线近似为直线。缺点是剩磁较低，温度系数大，易碎。稀土永磁材料稀土永磁材料的优点（1）矫顽力Hc高;（2）最大磁能积大;（3）可逆磁导率＝1。因此其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。稀土永磁材料的出现，使得重量轻、体积小的永磁同步电机相继问世，从而扩大了永磁同步电机的应用范围。常用的稀土永磁材料有SmPrCo、SmCoPeCo、SmPrNdCo、CeCoCuFe、Sm2Co17等。稀土钴永磁材料性能优异，但价格较高，因此在设计时必须精打细算，力求用最小的体积达到预期的效果。由于稀土钴永磁材料的矫顽力Hc很大，可作成薄片永磁材料，以减少体积，节省材料。由于成本低廉，铁氧体磁材有广阔的应用领域，从电机、扬声器到玩具、工艺品，因而是目前应用最广的永磁材料。铝镍钴的主要应用领域：电子点火系统、电度表、伏安表、医疗仪器、工业电机、磁力簧片开关、发电机、手动工具、自动售货机。铁铬钴变形永磁合金烧结NdFeB（钕铁硼）永磁材料表面处理分电镀（Zn、Ni）、喷涂、电泳、磷酸钝化等，产品具有强的耐腐蚀性。用于手机、BB机振动器的烧结NdFeB永磁材料用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦用于核磁共振成像仪及磁选机等的烧结NdFeB永磁材料各种规格的环形烧结NdFeB永磁材料外径Ф3mm~Ф160mm；内径：Ф1mm~Ф140mm各种规格的圆片形烧结NdFeB永磁材料尺寸范围：外径Ф2mm－Ф160mm；厚度：0.3mm－60mm各种未经表面保护处理的烧结NdFeB永磁材料喷涂处理的烧结NdFeB永磁体各种管状烧结NdFeB永磁材料尺寸范围：外径Ф3mm~Ф160mm；内径：Ф1mm~Ф140mm圆柱形的烧结NdFeB永磁体软磁材料按成分分类①纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。②铁硅系合金。含硅量0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。软磁材料按成分分类③铁铝系合金。含铝6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。④铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。软磁材料按成分分类⑤镍铁系合金。镍含量30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。⑥铁钴系合金。钴含量27％～50％。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。⑦软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-2～1010Ω·m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。软磁材料按成分分类⑧非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。⑨超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。共模电感铁芯磁放大器铁芯漏电保护开关互感器铁芯大功率开关变压器铁芯纳米晶开气隙恒电感电流\电压互感器用铁芯小型开关电源变压器用环形铁芯非晶恒电感磁记录的发展历史1898年，一位丹麦工程师伯尔森（Ponlsen）将声音用磁的方法记录在磁性钢丝上，由此发明了录音电话机1936年利用氧化铁作磁记录介质为一个乐队录音，其录音带一直保留到现在。20世纪50年代开发了存储电子计算机数据的硬磁盘技术和磁录像技术。60年代出现了体积小的盘式录音磁（记录）带。70年代初开发了存储电子计算机数据的软盘技术和家庭盒式录像磁带80年代磁带摄像机的开发和应用是磁记录技术的又一新的发展。1996年数字式Video磁盘的商品化。1998年，美国IBM开始采用GMR磁头量产3.5英寸台式电脑硬盘，东芝也开始供应配备该磁头的2.5英寸笔记本电脑硬盘样品。当时的面记录密度约为3Gbit/平方英寸2004年东芝垂直磁记录微硬盘（MK4007GAL，133GBit/in2)2005年希捷垂直磁记录硬盘商业化（130GBit/in2)磁带磁盘磁卡磁记录媒体的分类：磁带结构图示磁记录介质磁头磁盘结构4.4MbyteIBMRAMAC19552kbits/in250x24”diadisks80GbyteSeagateUseries200132.6Gbits/in22x3.5”glassdisks特殊功能的磁性材料磁弹性材料磁电阻材料磁制冷材料磁流体磁弹性材料磁性材料在磁场的作用下形状发生改变，具体表现可为长度上的伸长或缩短，体积上的膨胀和收缩磁弹性材料应用模型GMR磁头不仅在厚度上，而且在长度上都在100纳米以内磁电阻材料磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象Magnetoresistance(MR)磁制冷材料磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术，基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloriceffect）即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的环境友好：无环境污染和破坏高效节能:卡诺循环效率可达到60~70％稳定可靠磁流体磁流体又称磁性液体或铁流体。是一种对磁场敏感可流动的液体磁性材料。它是将掺入到载液中的铁磁性微粒（＜10nm）用分散剂均匀地分散，使成为某种具有流动性的悬浮状的胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下即不沉降和凝集又能使其本身承受磁性可以被磁铁所吸引的特性。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等领域。宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等这里有大量的课题需要研究，特别需要有物理和磁学背景的人员参与，有利于对问题的理解生物磁性蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G代表磁性颗粒。对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？石鳖齿舌中含有大量一维纳米磁性丝一维纳米丝的丝由许多磁性柱构成，柱内是单畴粒子的集合。其生物功能未必只是加强齿舌的耐磨性。