第六章-材料磁性能

材料物理性能教师：陈国钦联系电话：[phone]电子邮件：[e-mail]办公地址：哈尔滨工业大学科学园C3栋505第六章材料磁性能6.1磁学基本量及磁性分类6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性6.3磁性材料的自发磁化和技术磁化6.1磁性基本量及磁性分类1.磁学基本量：1）磁场强度H：一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度：2）磁偶极矩m：环形电流在其运动中心处产生一个磁矩（或称磁偶极矩)：3)磁感应强度B：材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的的磁通量密度，称其为磁感应强度B。单位：特斯拉（T），或韦伯/米2（Wb/m2)，或（VS/m2）式中：u为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。在真空中μ0为真空磁导率，μ0=4п×10-7（H/m)rIH2(A/m)ISmHB(A•m2)HB006.1磁性基本量及磁性分类1.磁学基本量：4）相对磁导率μr：5）磁化率X：6)磁化强度M：当M，B与H相互平行时，X和μr为标量，否则，它们为多阶张量。磁感应强度还可写成：材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的，产生磁矩的原因有两个(1)电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩；(2)电子绕自身的旋转轴运动，产生自旋磁矩，它比轨道磁矩要大得多。因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久轨道磁矩和自旋磁矩。0r1ruHMMHHHHHHBr000000)1(1）H(A/m)---E(V/m):导致极化的外部驱动力的量度；2）B(VS/m2）----P(C/m2)：材料对外部作用场的响应的量度；3)X（）-----------Xe无量纲，描述材料对外部作用场的响应；4）μ0---------------ε0建立材料的相应参数和尺度参比量2.磁性参数与介电参数的比较6.1磁性基本量及磁性分类例：将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同(6×10-5T)，Al的磁化率X=16.5×10-6），求施加的外部磁场强度。6.1磁性基本量及磁性分类3.物质的磁性分类：根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度，将材料分为5类：与外部无响应（基本）：抗磁性顺磁性X≤1反铁磁性与外部磁场有强烈的相互作用：铁磁性X≥1亚铁磁性6.1磁性基本量及磁性分类4.抗磁性/顺磁性1）抗磁体：内部磁场M与外部磁场H的方向相反（X0,10-6),它们在磁场中受微弱的斥力。可分为：“经典”抗磁体：X与T无关Cu,Ag,Au,Hg,Zn“反常”抗磁体：X与T有关Bi,Ga,In,Zr-Cu(其X是前者的10~100倍）注：电子绕原子核的轨道旋转对物质的抗磁性有贡献，电子的自旋可能对顺磁性有贡献。组成物质的原子具有完全填满的电子壳层，具有抗磁性。在填满的壳层中，正负电子自旋的电子数相等，来自自旋运动总的磁矩为0，例：大多数的离子键晶体和共价键晶体，几乎全部在机化合物，惰性气体。6.1磁性基本量及磁性分类4.抗磁性/顺磁性2）顺磁体：磁化率X为正值，约为10-3~10-6,它们在磁场中受微弱的引力。可分为：正常顺磁体：X∝1/TPt,钯，奥氏体不锈钢，稀土金属X与温度无关的顺磁体：Li,Na,K,Rb（1）源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩，绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。（2）具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性1.铁磁性X1,在较低的温度下，铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作用，其强度可以克服热起伏的影响，结果没有外部磁场的作用下，相邻的偶极子也彼此整齐的排列。例：纯铁---B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/mFeSO4(顺磁性），B0=10-6T时，其磁化强度M=0.001A/m具有铁磁性的物质满足以下条件：1）内层电子未填滿，2）未填满的电子层有较小的轨道半径3）未填满的电子层的电子能带很窄上述条件在Fe,Co,Ni的3d能带及稀土金属的4f得到满足：6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性1.铁磁性居里温度对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性2.磁化曲线特征：非线性的，Ms:饱和磁化强度；Bs:饱和磁感应强度(1)起始磁导率（ui):磁化曲线起始部分的斜率.(2)最大磁导率（um):磁化曲线拐点k处的斜率6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性3.磁滞回线当H下降时，B---C---D---EMr:剩余磁化强度Br:剩余磁感应强度Hc:矫顽力得封闭曲线：E—F—G--B(1)退磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象；(2)试样的磁化曲线形成一个封闭曲线---磁滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性4.磁晶各向异性和各向异性能1）磁性的各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的。磁化功：使铁磁体磁化消耗的能量。磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差。2）对于Fe,Ni,Co6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性4.磁晶各向异性和各向异性能3）对于立方晶系：设α，β，γ分别为磁化强度M与三个晶轴方向的余弦，即有：Ek:磁晶各向异性能K0：主晶轴方向磁化能量，与变化的磁化方向无关。K1，K2：磁晶各向异性常数，由原子结构决定。一般情况下，K2可以忽略。6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性5.铁磁体的形状各向异性及退磁能1）形状各向异性：对一定形状的材料，沿不同方向测得的磁化曲线是不同的。2）静磁能：铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。3）退磁场：形状各向异性是由退磁场引起的。退磁场强度：退磁场强度与磁化强度成正比，负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。D为退磁场因子，与形状有关。6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性5.磁致收缩与磁弹性能1）磁致收缩：铁磁体在磁场中磁化，形状与尺寸都会发生变化。特性：（1）与磁场强度有关（2）与磁化方向成角度时，有：（3）各向异性2）磁弹性能：磁化时材料变化尺寸受限制，产生应力，从而产生弹性能，物体内部的缺陷，杂质都可能增加其磁弹性能。6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发1.自发磁发理论1）铁磁性产生的原因：(a)自发磁化的根源是原子磁矩，而且起主导作用的是电子的自旋磁矩。在电子壳层存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。(b)原子之间的相互键合作用是否对形成铁磁有利。原子形成分子---电子云相互重叠，电子相互交换位置---交换能（Eex）---使相邻原子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列。A:交换积分常数，φ为相邻的两个电子自旋磁矩的夹角ACOSEex6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发1.自发磁发理论交换积分A：A0时，相邻原子磁矩同向排列，从而实现自发磁发，产生铁磁性本质：静电力迫使电子自旋磁矩平行排列与电子运动状态的波函数有关，还与原子核之间的距离有关Rab只有当Rab/r3时，A才为正。r为参加交换作用的电子距核的距离（电子壳层的半径）铁磁性产生的条件：（1）原子内部要有未填满的电子壳层（本征磁矩不为0）（2）Rab/r3，使交换积分A为正。（一定的晶体结构）6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发2）反铁磁性和亚铁磁性：所有偶极子指向相同的方向-----铁磁性但有其它特殊的情况：方向交替变化的偶极子具有相同的大小：反铁磁性如果相反方向交替排列的两种偶极子大小不同：亚铁磁性相邻磁偶极子之间的3种相对取向有关系a)反铁磁性的物质：纯金属：a-Mn,CrMXn的化合物，M：过渡金属原子；X：电负性原子（O，S，Fe,F)，n=1或2.例：MnO,CuO,NiO只有一种类型的金属原子----偶极子大小相同6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发2）反铁磁性和亚铁磁性：b)亚铁磁性的物质：晶体结构中不只有一种类型的金属原子，材料可能会出现亚铁磁性。典型的材料为氧化物陶瓷材料：立方铁氧体（MFe2O4M:二价过渡金属Ni,Co,Fe,Mn,Zn)稀土铁氧体（M3Fe5O12M:三价稀土金属Y，Cd)六方铁氧体（MFe12O19M：第ⅡA族2价金属Ba,Ca,Sr)用途：变压器的铁心，电感器，及存储器例：判断下属材料是反铁磁还是亚铁磁的；如果是亚铁磁材料，请预测它是一种立方铁氧体，稀土铁氧体还是六方铁氧体。CrF2,MnFe2O4,CaFe12O19,CuO,Cd3Fe5O126.3磁性材料的自发磁发和技术磁发3）磁畴：（1）概念：磁体由不同磁偶极矩取向的小区域组成的每一区域为磁畴磁偶极子：定向排列主畴：长而大，且自发磁化方向是晶体的易磁方向副畴：小而短的磁畴，副畴无上述固定关系（2）磁畴壁：相邻磁畴的界限，有180度和90度，实质上是具有一定厚度的过渡区，在其中过渡区中原子磁矩是逐步改变的。特例：在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面，这种壁叫做Bloch壁。铁中这种壁厚大约为300个点阵常数。6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发3）磁畴：（3）磁畴壁的能量：交换能Eex，磁晶各向异性Ek，二者是相互矛盾的。另：由于原子磁矩的逐渐转向，各个方向上伸缩的难易程度不同产生磁弹性能；6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发3）磁畴：（4）磁畴的形成a)单晶：交换能力----晶体自发磁发饱和，磁化方向沿晶体易磁化方向（Eex和Ek为最小值）---产生磁极---退磁场---破坏已形成的自发极化---分畴分畴：减小退磁能是分畴的基本动力6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发3）磁畴：（4）磁畴的形成b)多晶：晶界：磁畴壁一般不穿过晶界作用夹杂物，空洞：（1）出现楔形畴附加畴（2）吸收畴壁的作用不均匀应力：磁化不均匀，出现散磁场6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发2.技术磁发理论1）技术磁化的本质(a)基本概念：外加磁场对磁畴的作用过程，外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。形式：磁畴壁的迁移和磁畴的旋转。(b)技术磁化的过程Ⅰ区：磁畴壁可逆迁移区Ⅱ区：不可逆迁移区Ⅲ区：磁畴旋转区磁化曲线的斜率由小变大，达到最值，再变小的过程。6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发具体机制：（1）未加磁场时，形成两个磁畴，磁畴壁通过夹杂相（2）H增加，磁畴壁移动，形成几段圆弧（内部原子磁矩转向过程），取消磁场，可以回到原位（第一阶段，可迁移阶段）（3）H继续增加，磁畴壁脱离夹杂物，到达中线，再达到另一夹杂物，不会由于H取消回到原位，为不可逆迁移，磁导率较高）（4）H再增加，整个磁畴的磁矩方向转向外磁场，为畴的旋转过程。宏观磁性达到最大值。6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发影响磁畴壁迁移的因素：（1）材料中的夹杂物，第二相，空隙数量及分布；（2）内应力的大小（3）磁晶各向异性（4）磁致伸缩及磁弹性能3.影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素铁磁性与亚铁磁性：与自发磁化有关：与组织不敏感（Ms,入s,TC)，只与成分，原子结构，成分有关）与技术磁化有关：组织敏感（Hc,X,Br)，晶粒的形状，弥散度，取向点阵的畸变，内应力6.3磁性材料的自发磁发和技术磁发3.影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素1）温度：对于铁磁性材料：物质的铁磁性与具有交互作用的原子磁矩克服热起伏的影响的能力有关，温度升高会降低磁矩的取向排列的能力。所以饱和磁化强度是温度的减函数。居里温度：在某一温度，Ms降为0，这个温度为居里温度，即由铁磁