磁性材料基础知识培训讲座

磁性材料基礎知識培訓講座AICMagneticsCo.Ltd.馮潼江&郑胡平目录——本教材适用于永磁材料磁现象的本质磁性材料的分类磁性材料术语和定义磁滞回线退磁曲线永磁材料的磁性能永磁材料的其他性能附录：四大参数换算关系和稀土元素表AICMAGNETICSLTD.一、磁現象的本質：磁鐵的磁場和電流的磁場一樣，都是由電荷的運動產生的。（奧斯特通電導線現象及安培通電線管產生磁場和分子電流假說。）AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和航空航天等工业领域和家用电器、儿童玩具等日常生活用品，随着世界经济和科学技术的迅猛发展，磁性材料的需求将空前广阔。当前我国磁性材料的发展居世界之首，已经成为世界上永磁材料生产量最大的国家。磁性材料：可用于制造磁功能器件的材料称之为磁性材料。其分类有：硬磁材料（也称永磁材料）、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性液体等，将它们统称磁功能材料。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類A、按磁材特性分類(依jHc值介定)：1.軟磁材料iHc20Oe軟磁材料主要有錳、鋅系鐵氧體，其主要用于各種變壓器，電源濾波器，電感等。软磁材料是当磁化场存在时，具有很高的磁感应强度，当磁化场去掉之后，失去磁性的材料。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類2.半硬磁材料20OeiHc200Oe3.硬磁材料iHc200Oe硬磁材料主要有鐵氧體和稀土永磁材料，其主要用于永磁電機，吸附，醫療，測量控制設備，傳感器等。硬磁材料，又称永磁材料，是当磁化场去掉之后，仍能具有磁性的材料；AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類B:按磁性材料成份分類：1.永磁材料：A.鐵氧體永磁Ba--FerriteSr—FerriteB.稀土永磁：SmCo,NdFeB,等C.其他永磁：AlNiCo,FeCrCo,CuNiFe,等AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類2.軟磁材料：A.金属软磁材料：铁粉芯(ironpower)，铁硅铝(sendust)，铁镍（坡莫合金）(permalloy)B.铁氧体软磁材料：镍锌(Ni-Zn)-Ferrite，锰锌(Mn-Zn)-Ferrite，热敏Ferrite(Negativetemperatureferrite)C.非晶纳米晶软磁材料；铁基Fe-M-B(M=Si,Zr,Nb)如：Fe91Zr7B2，Fe88.7Zr7B3Co1.3，AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類非晶纳米晶:是对一种新型材料原子排列结构状态的描述，该状态的金属及合金的原子处于高能量的极限状态，其原子能够逸出表面，产生具有杀菌活性的高能量原子及原子团（这些原子团大小仅为普通细菌的十几万分之一）。非晶纳米晶软磁材料特性：高饱和磁感应强度Bs，极低矫顽力，高的磁导率，高频损耗低；非晶纳米晶软磁材料应用：精密电流互感器(代替坡莫合金），大功率开关电源变压器，开关电源，电抗器，滤波器，高灵敏度磁性器件。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料，原子在三维空间做规则排列，形成周期性的点阵结构，存在着晶粒、晶界、位错、间隙原子、磁晶各向异性等缺陷，对软磁性能不利。从磁性物理学上来说，原子不规则排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对获得优异软磁性能是十分理想的。非晶态金属与合金是70年代问世的一个新型材料领域。它的制备技术完全不同于传统的方法，而是采用了冷却速度大约为每秒一百万度的超急冷凝固技术，由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。这种非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。目前美、日、德国已具有完善的生产规模，并且大量的非晶合金产品逐渐取代硅钢和坡莫合金及铁氧体涌向市场。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類非晶态合金:自然界的各种物质的微观结构可以按其组成原子的排列状态分为两大类：有序结构和无序结构。晶体是典型的有序结构，而气体、液体和非晶态固体属于无序结构。非晶态固体材料又包括非晶态无机材料(如玻璃)、非晶态聚合物和非晶态合金(又称金属玻璃)等。非晶态合金的结构特点:“长程无序，短程有序”,原子在三维空间呈无序状排列，不存在长程周期性，但在几个原子间距的范围内，原子的排列仍然有着一定的规律，因此可以认为非晶态合金的原子结构为“长程无序，短程有序”。通常定义非晶态合金的短程有序区小于1．5nm（纳米），即不超过4-5个原子间距，从而与纳米晶或微晶相区别.AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類晶体原子排列示意图AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類C、按磁石的制造工藝和成型方法分類：按粘結劑分橡膠磁體塑膠磁體1.粘結按成型方法分注射成型模壓成型壓延成型擠壓成型2.燒結3.鑄造AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類D、按充磁的特點分類：1.等方性：也叫各向同性，磁体任何方向磁性能都相同的磁体。(可任意方向多極充磁)2.異方性：也叫各向异性，磁体不同方向上磁性能会有不同；且存在一个方向，在该方向取向时所得磁性能最高的磁体。烧结钕铁硼永磁体是各向异性磁体。(只可在取向方向上兩極或多極充磁)。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類E、按磁材的發展史分類：第一代磁材為鋁鎳鈷（1930‘）第二代磁材為鐵氧體（1950‘）第三代磁材為釤鈷（1960‘）第四代磁材為釹鐵硼（1980‘）未来发展磁材為钐铁氮&钕铁氮AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類-发展史随着社会的发展，磁铁的应用也越来越广泛，从高科技产品到最简单的包装磁，目前应用最为广泛的还是钕铁硼强磁和铁氧体磁铁。从永磁材料的发展历史来看，十九世纪末使用的碳钢，磁能积（BH）max(衡量永磁体储存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奥)，而目前国外批量生产的Nd-Fe-B永磁材料，磁能积已达50MGOe以上。这一个世纪以来，材料的剩磁Br提高甚小，磁能积的提高要归功于矫顽力Hc的提高。而矫顽力的提高，主要得益于对其本质的认识和高磁晶各向异性化合物的发现，以及制备技术的进步。二十世纪初，人们主要使用碳钢、钨钢、铬钢和钴钢作永磁材料。二十世纪三十年代末，AlNiCo永磁材料开发成功，才使永磁材料的大规模应用成为可能。五十年代，钡铁氧体的出现，既降低了永磁体成本，又将永磁材料的应用范围拓宽到高频领域。到六十年代，稀土钴永磁的出现，则为永磁体的应用开辟了一个新时代。1967年，美国Dayton大学的Strnat等，用粉末粘结法成功地制成SmCo5永磁体，标志着稀土永磁时代到来。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類-发展史迄今为止，稀土永磁已经历第一代SmCo5，第二代沉淀硬化型Sm2Co17，发展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。此外，在历史上被用作永磁材料的还有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、A1MnC合金等。这些合金由于性能不高、成本不低，在大多数场合已很少采用。而AlNiCo、FeCrCo、PtCo等合金在一些特殊场合还得到应用。目前Ba、Sr铁氧体仍然是用量最大的永磁材料，但其许多应用正在逐渐被Nd-Fe-B类材料取代。并且，当前稀土类永磁材料的产值已大大超过铁氧体永磁材料，稀土永磁材料的生产已发展成一大产业。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類五、按自然界物質的磁性性質分類：磁性是物質最基本的屬性之一。自然界中在的物質按其磁性可分為：順磁性，抗磁性，鐵磁性，反鐵磁性和亞鐵磁性等。其中鐵磁性和亞鐵磁性物質屬于強磁性物質，一般所說的磁性材料都指這兩類。1.順磁性：K=B/H磁化率為微小正數2.抗磁性：K=B/H磁化率為負3.鐵磁性：K=B/H磁化率為很大正數4.反鐵磁性：K=B/H磁化率為較大正數5.亞鐵磁性：K=B/H磁化率為很大正數AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類對以上名詞的定義：順磁性：有些物質內各原子的固有磁矩是無規則的，因而整個物質不呈磁性。當加有外磁場時，原子的固有磁矩就沿著外磁場方向排列得整齊一些，從而整個物質就呈現出與外磁場方向一致的微弱磁矩，這種物質具有的磁性叫順磁性。抗磁性：有些物質的原子不具有固有磁矩，在外加磁場作用下，由于電磁感應，使電子的運轉發生變化，抵消一部分外磁場，這種性質叫抗磁性，或叫反磁性，逆磁性。抗磁性是普遍存在的，所的物質都有，只是強弱不同而已。鐵磁性：在居里溫度以下，具有自發磁化的原子(或離子)磁矩在一定區域內按同一方向平行排列，這種性質稱為鐵磁性。AICMAGNETICSLTD.二：磁性材料分類反鐵磁性：在一定溫度(奈耳溫度)下，具有自發磁化的原子(或離子)磁矩，在一定區域內，按反方向平行排列，合成磁矩為0，這種性質稱為反鐵磁性。亞鐵磁性：在一定溫度(奈耳溫度)下，具有自發磁化的原子(或離子)磁矩，在一定區域內有秩序的排列，磁矩分抵消，但仍有合成磁矩，這種性質稱為亞鐵磁性。AICMAGNETICSLTD.三、磁性材料术语和定义：磁極：磁體上磁性最強的部分叫做磁極N極、S極,N極和S極總是成對存在的。磁偶極子：一個磁體的兩端有極性相反而強度相等的兩個磁極，表現為磁體外部磁力線的出發點和匯集點，當磁體無限小時，就成為一個磁偶極子。它所產生的外磁場與在同一位置上的一個無限小的面積的電流回路(電流元)產生的外磁場相等效。磁矩：它是表征磁偶極子的磁性強弱和方向的一個物理量。磁偶極子的磁矩為：m=i‧A；m表示磁矩(安*米2)，i表示電流(安)，A表示電流回路的面積(米2)，磁矩的方向按右手螺旋法則決定。AICMAGNETICSLTD.三、磁性材料术语和定义：为了便于理解，现将磁矩的物理意义简述如下：磁性来源：电子轨道磁矩和电子自旋磁矩，例地球公转和自转分子电流：分子中各个电子对外界所产生的磁效应的总和可用一个等效圆形电流表示，例一条螺线管磁矩：分子电流具有的力矩，单位分子电流具有的磁矩称为分子磁矩，用Pm表示；AICMAGNETICSLTD.三、磁性材料术语和定义：磁性来源示意图AICMAGNETICSLTD.磁場強度：表示磁場中各點磁力大小和方向的矢量，與產生該磁場的電流大小和導線形狀有關，等于磁感應強度和磁導率的比值，用H表示，單位為安培/米或奧斯特。磁場：磁極間的相互作用，不是直接作用，而是借助一種物質間接作用，這種物質就是磁場，磁體周圍空間存在磁場。三、磁性材料术语和定义：AICMAGNETICSLTD.磁力線：磁鐵外部的磁力線是從磁鐵的北極N極進入南極S極，內部由S極通向N極形成一條閉合曲線，其疏密反映了磁場的強弱。磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=μ0(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，而μ0是真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，即单位面积内的磁通量。单位是特斯拉（T）。CGS单位制中的单位为高斯（Gauss）。练习：螺线管原理阐述B=μ0(H+M)的关系三、磁性材料术语和定义：AICMAGNETICSLTD.三、磁性材料术语和定义：螺线管原理阐述B=μ0(H+M)AICMAGNETICSLTD.磁導率：感應磁場強度B與磁場強度H之比值，稱為磁導率或磁導系數，是衡量物質導磁性能的一個參數，單位亨利/米。物質的絕對導磁率與真空絕對導磁率的比值稱為相對磁導率，相對磁導率无单位，为一常数。居里溫度：鐵磁材料高于某一溫度Tc時，自