3.3-3.7-铁磁学性能(材料物理性能)

ChengduUniversityofTechnology铁磁质是顺磁质的一种特殊情况，它们的晶体内电子的自旋磁矩之间存在着一种特殊的相互作用，使它们具有很强的磁性。在没有外磁场作用时，分子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和为零，固有磁矩为零。由这些分子组成的磁介质就是抗磁质。在没有外磁场作用时，分子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量具有一定的值，这个值就称为分子的固有磁矩。由具有固有磁矩的分子组成的磁介质就是顺磁质。弱磁性介质强磁性介质3.3磁化理论顺磁质分子的固有磁矩不为零。因附加磁矩远小于轨道磁矩和自旋磁矩，所以顺磁质分子在磁场作用下的附加磁矩可以忽略。因分子热运动的原因使顺磁质内所有分子固有磁矩在空间的取向杂乱无章，使所有分子固有磁矩的矢量和为零，磁介质对外不呈现磁性。顺磁性起源于分子固有磁矩的取向磁化下面讨论顺磁质和抗磁质的磁化机制。1、顺磁介质磁化机制A.无外磁场时磁介质分子的固有磁矩Pm在外磁场中受力矩M=Pm×B的作用而转向外磁场方向，使各分子的固有磁矩在一定程度上沿外磁场方向排列。结果磁介质被磁化，使介质表面出现宏观的磁化电流I´，并产生附加磁场。这便是产生顺磁效应的机理。B.有外磁场时mBmB0B0m0BBBB因附加磁场与外磁场方向相同，所以磁介质内总磁感强度：I-激起外磁场的电流I分-分子电流I´-由转向排列引起的束缚电流总之，顺磁质分子的固有磁矩Pm不为零。在外磁场中，除外磁场引起的分子附加磁矩外，还有分子磁矩的转向排列效应。由于分子附加磁矩只及分子磁矩的10-5，转向排列效应将起主要作用。由转向排列引起的束缚电流I´所激起的附加磁场因与外磁场同向而产生了顺磁效应。抗磁质分子的固有磁矩为零。但在外磁场作用下，每一分子沿外磁场的反方向感应出附加磁矩，使磁介质被磁化，在磁介质表面产生磁化电流。由于附加磁矩的方向始终与外磁场方向相反，所以抗磁质表面的磁化电流方向与顺磁质磁化电流方向相反，产生的附加磁场方向与外磁场方向相反，所以抗磁质内的总磁感强度为：0m0BBBB2、抗磁介质磁化机制抗磁性起源于分子附加磁矩的感应磁化例如，铁原子共有26个电子，电子层分布为：1s22s22p63s23p63d64s2。根据洪特法则，电子在3d子层中应尽可能填充到不同的轨道，并且它们的自旋尽量在同一个方向上(平行自旋)。因此5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子(自旋反平行)外，其余4个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为4μB。1.永久磁矩铁、镍、钴和它们的一些合金、稀土族金属以及一些氧化物等都具有特殊的磁性。首先是它们的磁导率μr比较大，而且随磁场的强弱发生变化；其次是它们都有明显的磁滞效应。铁磁材料的磁化理论a/D＞3时交换能为正值；a/D＜3时交换能为负值，为反铁磁性当距离很大时，J接近于零。随着距离的减小，相互作用有所增加，J为正值，就呈现铁磁性，如图所示。当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比大于3时，交换能为正值；小于3时，交换能为负值，为反铁磁性。“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。称“交换”作用。交换能与铁磁性的关系“交换”作用产生的“交换能”J与晶格的原子间距的关系：铁磁性物质很强的磁性来源于其很强的内部交换场2.铁磁性的来源-原子间“交换”作用自发磁化：铁磁物质为正值的较大交换能使得相邻原子的磁矩平行取向，在物质内部形成许多小区域—磁畴。自发磁化强度：磁畴内磁矩沿同一方向排列，外斯假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场，“分子场“足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态。cTTCC为居里常数居里点：铁磁体的铁磁性在居里温度以下才表现出来，超过居里温度，自发磁化强度变为0，铁磁性消失。在居里点Tc以上，材料表现为强顺磁性。磁化率与温度的关系服从居里-外斯定律：3.铁磁性的分类亚铁磁性(Paramagnetism)大小不同的原子磁矩反平行排列,二者不能完全抵消，相对于外磁场表现出一定的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性。反铁磁性(Antiferromagnetism)“交换”作用力负值,电子自旋反向平行排列，整个晶体M＝0。宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率χ为正值。居里点:在居里点，反铁磁性物质的χ达最大值χn。在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率χ几乎接近于0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱，χ增加。Tχ铁磁性主要起源于电子的自旋磁矩。由量子力学：铁磁质分子的自旋磁矩间存在“强交换耦合作用”，使自旋磁矩在小范围（10−12~10−8m3、1017~1021个原子）内整齐排列，形成自发饱和磁化区，称为“磁畴”。1．铁磁质的自发磁化机制①无外磁场时，各磁畴无序排列，宏观上使铁磁质不呈现磁性；②有外磁场时，随着外磁场不断增大，原来取向外磁场方向的磁畴体积增大，同时更趋向外磁场方向，使铁磁质内磁场不断增大，直至饱和。但当铁磁质温度升高到某一数值时，铁磁质内分子热运动加剧使磁畴被破坏。铁磁性消失，转为顺磁质。由铁磁性转为顺磁性的转变温度称为“居里点”。3.4磁晶各向异性立方晶系各向异性K1,K210K1219KK12409KK1214,09KKK1214,09KKK(110):易磁化方向100110111各向异性能0114K1211327KK各向异性场HA12SKI(100):-2K1/Is121/2sKKI1241/33sKKI磁晶各向异性能磁晶各向异性常数0[111]0[100]1(dd)ssMMKHMHMV来源于电子自旋与轨道的相互耦合作用及晶体电场效应。磁晶各向异性是磁性材料的内能随磁化强度方向的变化而发生的变化。当自发磁化强度从一个方向转向另一个方向。相邻自旋保持平行，这是因为自旋间存在强的交换作用，自旋Si和Sj间的交换作用为cos222JSSJSWjiij其中，为S自旋的大小，而是Si和Sj间的夹角。右图自旋从a旋转到b所有自旋保持平行，因而=0,交换能没有改变。自旋对模型磁晶各向异性机理自旋对模型对金属和合金是适用的。对氧化物和化合物不适用。3.4.2磁致伸缩磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，形状和尺寸都发生变化的现象。原因：当原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整引起的。LL磁致伸缩系数：2sin23sE磁弹性能：磁致伸缩效应将使材料内部产生拉（或压）应力，因而产生磁弹性能。磁弹性能铁磁性物质的形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变l/l一般比较小，其范围在10-510-6之间。虽然磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制磁畴结构和技术磁化过程中，仍是一个很重要的因素。应变l/l随外磁场增加而变化，最终达到饱和。产生这种行为的原因是材料中磁畴在外场作用下的变化过程。每个磁畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发的形变e。且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致样品整体上的形变。2cosell式中：e为磁化饱和时的形变，覌察方向(测试方向)与磁化强度方向之间的夹角。H饱和磁致伸缩系数s：随着外磁场强度的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时∣∣也随之增大，当磁化强度达到饱和值Ms时，=s，称为饱和磁致伸缩系数。对于一定的材料，s是一个常数。实验表明，对s0的材料进行磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，则有利于磁化，而加压应力则阻碍其磁化；对s0的材料，则情况相反。也是一个具有各向异性的物理量，如单晶铁和单晶镍沿不同晶向磁化时，其值不同。磁致伸缩系数用100和111给出磁致伸缩公式2222221001122333123ll1111212232331313对于各向同性的磁致伸缩，100=111=。对于多晶材料的磁致伸缩是各向同性的，因为总的磁致伸缩是每个晶粒形变的平均值，即使100111。假定i=i(i=1,2,3),对不同晶粒取向求平均，得平均纵向磁致伸缩为221122333131cos2323ll1001112355对于立方晶体磁化强度方向(1,2,3),观测方向(1,2,3)磁滞伸缩的内在机理•自发形变（自发磁滞伸缩）•场致形变（磁致伸缩）•形状效应由于交换作用所引起的，当温度低于居里点时，由于交换相互作用产生自发磁化，同时将产生自发的磁滞伸缩。它是各向同性的，表现为体积的变化。在居里点以下，磁矩的有序排列所表现出来的各向异性能。为了降低退磁能，样品的体积要缩小，并且在磁化方向上要伸长以减小退磁因子的一种现象。磁弹性能指在磁滞伸缩过程中，磁性与弹性之间的耦合作用能。分析表明，计入磁致伸缩后，在对形变张量只取线性项近似的情况下，磁晶各向异性能的形式并未发生变化，所变化的仅是各向异性常数的数值稍有改变。5）应力能当铁磁晶体受到外应力作用或者内部存在应力时，还将产生由应力引起的形变，从而出现应变能。3.4.3退磁场退磁场材料的磁化状态，不仅依赖于它的磁化率，也依赖于样品的形状。有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。其中N为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。dHNMHHHd退磁场能退磁场能200021NMdMHEMdd铁磁体在自身退磁场中的能量；静磁能=铁磁体与外磁场的相互作用能+退磁能对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称为形状各向异性能。退磁场能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。3.5磁畴磁畴：未加磁场时铁磁体内部已经到饱和状态的小区域。特征：磁矩同方向。晶粒磁畴壁：相邻磁畴的界限。晶界主畴、副畴180°畴、90°畴180°90°90°（a）（b）（c）3.5.1磁畴壁的种类布洛赫壁磁偶极子的磁矩在畴壁法线方向的分量不变，磁偶极子是在畴壁面内旋转。尼耳畴壁磁矩垂直于膜面将会产生很大的退磁场，因此在畴壁中磁矩的过渡在膜面内进行，磁矩没有垂直于膜面的分量。磁畴壁的厚度W0N0NECrEK磁畴壁越厚，则壁的交换能ECr越低；但磁畴壁厚度的增加也将会导致磁晶能EK增加，使壁倾向变薄。畴壁能的最小值所对应的壁厚N0为平衡状态时壁的厚度。畴壁能=磁交换能+磁晶能当铁磁晶体形成磁畴时，虽然降低了退磁场能，但增加了畴壁能。对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。3.5.2磁畴的起因与结构磁畴结构类型的不同是铁磁质磁性千差万别的原因之一。以铁磁单晶体为例：磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，即形成磁畴是为了降低系统的能量。磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。单晶体的磁畴结构示意图降低退磁能减小畴壁能减小磁弹性能3.5.3不均匀物质中的磁畴多晶体中的磁畴示意图多晶体中的每一个晶粒都可能包含许多磁畴，整个材料内部磁通保持连续，形成闭合回路。就整体上来说，材料对外显示各向同性。若晶粒尺寸逐渐减小，体系的自由能中畴壁能的比重增长，以至当其与因分畴而减小的退磁场能相比拟或超过它时，整个晶粒不分畴在能量上将更有利，这就是单畴颗粒。单畴颗粒的临界尺寸由晶粒自由能的极小值确定。通过计算得到的铁、钴、镍单畴颗粒的临界尺寸的数量级为10－2埃。3.5.4磁单畴颗粒研究意义：制备低磁导率、高矫顽力的永磁材料。例如，采用粉末冶金法提高材料的矫顽力。磁泡3.6.1技术磁化与反磁化技术磁化与反磁化过程是以畴壁位移和磁矩转动这两种方式进行。技术磁化的本质：外加磁场对磁畴的作用过