功能材料-第五章--磁性材料

第四章磁性材料具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。1.磁矩磁矩m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。电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩。这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。2.磁化强度磁化强度M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度，与磁感应强度B和磁场强度H的关系为：HMHB0其中：μr=μ/μ0为介质的相对磁导率；χ=μr-1定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。HHMr13.磁滞回线磁致回线是磁性材料的主要特性。Br称为剩余磁感应强度，Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度），Hc为矫顽力。反向磁场使残余磁感应强度变为零时的磁场强度称为矫顽力Hc。磁导率μ是表征磁介质磁化性能的一个物理量。对铁磁体来说，磁导率很大，且随外加磁性的强度而变化。磁导率μ越大越好，已成为鉴别磁性材料性能是否优良的主要指标。4.磁导率μ利用磁性材料制作线圈或变压器磁芯时，希望磁芯内的能量损耗小到尽可能忽略的程度。损耗系数tgδ=R/2ΠfL品质因数为tgδ/µ，这是表征铁氧体损耗大小的一个重要参数。5.最大磁能积（BH）max6.损耗系数和品质因数磁性材料的分类：按化学组成分类金属磁性材料、非金属（铁氧体）磁性材料按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料4.1软磁材料4.2硬磁材料4.3磁记录材料4.4其他磁性材料4.1软磁材料定义：指矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料特点：磁滞回线细而长高磁导率低矫顽力容易磁化，也容易去磁常见软磁材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率μm分类：金属软磁材料、软磁铁氧体常用的金属软磁材料电工用纯铁电工用硅钢片铁镍合金与铁铝合金非晶态合金：铁基、钴基、铁镍基软磁材料的用途：主要用于导磁，可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。变压器磁性传感器含碳量极低、纯度99.95%以上用途：铁芯、磁极、磁路等性能：机械、磁性能影响性能的因素：结晶轴对磁化方向的取向、杂质、晶粒大小、金属的塑性变形、内应力改善性能措施工作环境及减少涡流损耗方法电工用纯铁电工用硅钢片分类：热轧非织构(无取向)硅钢片、冷轧非织构(无取向)硅钢片、冷轧高斯织构(单取向)硅钢片、冷轧立方织构(双取向)硅钢片用途：电机、发电机、变压器、扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表机械性能、磁性能的影响因素：硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(硝，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关高斯织构、立方织构硅钢片性能软磁材料的磁滞回线常见软磁材料的Bs和μm几种电工用纯铁的磁性能Fe-Si3.8%合金单晶体磁化方向高斯织构、立方织构硅钢片性能比较铁镍合金成分：主要成分是铁、镍、铬、钼、铜等元素特性：在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗。用途：广泛用于电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域。铁镍合金相图与不同成分合金的性能铁镍合金的分类及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85铁铝合金铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16％以下时，便可以热轧成板材或带材；含铝量在5％~6％以上时，合金冷轧较困难。铁铝合金特点：电阻率高高的硬度和耐磨性比重小，可减轻铁芯自重对应力不敏感时效：材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化温度稳定性非晶态合金铁基非晶态软磁合金：特点：饱和磁感应强度高、损耗低缺点：磁致伸缩系数大钴基非晶态软磁合金：饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小，磁致伸缩系数趋近于零铁镍基非晶态软磁合金：性能基本上介于两者之间非晶态合金与晶态软磁材料的比较：磁导率高，电阻大，损耗小非晶态合金与晶态合金的磁滞回线铁镍合金相图与不同成分合金的性能热处理工艺对铁镍合金磁导率的影响4.2硬磁材料(永磁材料)定义：指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料评价永磁材料性能好坏的指标剩余磁感应强度Br矫顽力Hc最大磁能积(BH)max凸起系数η:η＝(BH)max/BrHc退磁曲线:永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分永磁材料种类铝镍钴系硬磁合金永磁铁氧体材料稀土永磁材料可加工的永磁合金永磁材料用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用永磁材料的退磁曲线和磁能曲线铝镍钴系硬磁合金特点：铝镍钴系永磁合金具有高的BH及高的Br，适中的Hc。(BH)max=40～70kJ/m3，Br=0.7～1.35T，Hc＝40～60kA/m。这类合金属沉淀硬化型磁体。成型方法：有铸造法和粉末烧结法两种。成分：以Fe，Ni，A1为主要成分，通过加入Cu，Co，Ti等元素进一步提高合金性能铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动机继电器和磁电机；电子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等稀土永磁材料成分：稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B、C、N等组成的金属间化合物研究与发展的4阶段：第一代是稀土钴永磁材料RCo5型合金(1：5)型。第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2：17型，TM代表过渡族金属)。第三代为Nd-Fe-B合金第四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系。稀土永磁材料分类钴基稀土永磁体SmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5结构：CaCu5型六方结构矫顽力：来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎性能：饱和磁化强度适中，磁晶各向异性极高。降低成本：成分取代、制备方法Sm2Co17结构：六方晶体结构矫顽力：沉淀粒子在畴壁的钉扎性能：矫顽力低,剩余磁感应强度及饱和磁化强度高铁基稀土永磁体Nd-Fe-B系永磁合金特点：磁能积最大的永磁体分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料性能：价格便宜，加工性能好，有利于实现磁性器件的轻量化、薄型化。缺点：耐蚀性差，居里温度低(312℃)，磁感应强度温度系数大，材料使用温度低不超过(150℃)改进措施调整合金成分——取代元素和掺杂元素制备工艺——控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度R-Fe-N系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常为Sm或Nd，Er，Y。特点：Sm2Fe17Nx的居里温度可达746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。N以间隙原子形式溶入Sm2Fe17晶格，产生晶格畸变，磁化方向改变，具有单轴磁各向异性；磁晶各向异性场约为Nd2Fe14B的两倍，理论磁能积与Nd2Fe14B相近。可加工的永磁合金在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的四个主要系列α-铁基合金Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金铜基合金Fe-Cr-Co永磁合金磁记录材料磁记录原理3种记录模式：水平(纵向)、垂直、杂化磁记录系统基本单元：换能器、存贮介质、传送介质装置以及相匹配的电子线路磁记录原理3种信号类型：音频信号、数字信号、调频信号两种记录方式：模拟、数字磁记录介质：磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片磁记录材料磁头材料磁头的基本结构基本功能：写入、读出磁头材料的基本性能要求：高的μ、高的Bs、低的Br和Hc、高的电阻率和耐磨性磁头材料种类：合金、铁氧体、非晶态合金、薄膜材料磁记录介质材料磁记录介质的基本性能要求Br高Hc适当磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团磁记录介质材料的种类颗粒(磁粉)涂布型介质：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。连续薄膜型磁记录介质：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种湿法，如电镀和化学镀干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法磁记录原理水平和垂直记录方式磁头的基本结构三种最基本的磁记录信号其他磁性材料超磁致伸缩材料巨磁电阻材料巨磁化强度材料磁光效应材料磁制冷材料