《磁性功能材料》课件.ppt

功能材料Functional Materials,朱 敏华南理工大学机械工程学院87113924,华南理工大学 朱敏,第三章 磁性功能材料,磁性功能材料 磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，,华南理工大学 朱敏,本章主要内容 磁学理论 物质的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料分类 软磁材料、永磁材料、半硬磁 材料 磁性材料的基本性能与应用,第三章 磁性功能材料,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,(一)物质的磁性将一个面积为（A)、通有电流（Is)的环型导体放入磁场中，该环型导体将会在磁场（H)的作用下发生偏转，即环型导体受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由下式表示：M Is x A x H 定义Pm=Is x A为通过电流为Is、面积为A的环型导体的磁矩。,Is,I,华南理工大学 朱敏,原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。电子的循轨磁矩 Pl=电子的自旋磁矩 Ps=e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨道量子数；s:自旋量子数。原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。,3.1 磁学基础物质的磁性,华南理工大学 朱敏,物质磁性具有普遍性,3.1 磁学基础物质的磁性,电子的循轨磁矩,电子的循轨磁矩,原子磁矩,物质磁性,原子磁矩,物质表现何种磁性,原子磁矩间相互作用,外加磁场的作用,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,细菌细胞中的磁力线,200nm的Co粒子中的磁力线,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：H=N x I A/m（安/米）距离永磁体r处的磁场强度 H 为：H=km1r0/r2 H/m（亨利/米）m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单位；磁化强度(M):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m。磁感应强度(B):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。,（二）基本磁性参量,B=H+M,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,磁导率和磁化率在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=0H 在磁性材料中：B=0（H+M）在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：B=0（H+M）磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：=B/H 0:真空磁导率;:绝对磁导率，单位为 H/m，r:相对磁导率 r=/0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：=M/H,华南理工大学 朱敏,(三）物质磁性的分类,3.1 磁学基础物质的磁性,物质磁性分类,顺磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：1 104,铁磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：10-3-10-6,被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，：（10-5 10-6）,抗磁性,与外加磁场的关系,华南理工大学 朱敏,顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。,3.1 磁学基础物质的磁性,抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,H,m,m,Dm,k,k,Dk,Dk,Dm,产生抗磁性的原理,m：磁矩,Dm：附加磁矩,Dk：附加向心力,k：向心力,抗磁性具有普遍性,物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场,华南理工大学 朱敏,物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性,3.1 磁学基础物质的磁性,由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时),华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。Tc是材料的M-T曲线上MS20对应的温度。顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：磁化率服从居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。,（四）温度对物质磁性的影响,Tc,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,(四）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。,单晶体的易磁化和难磁化方向,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础物质的磁性,（五）磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数表示，即：=l/l 式中，l和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而也为负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，用s表示。对于3d金属及合金:s约为 10-510-6。,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,(一)磁畴结构在铁磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交换作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了体系的退磁能，因而使一定区域内的原子磁矩取反平行排列，出现了两个取向相反的自发磁化区域，降低退磁能，直至形成封闭畴。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。,立方结构单晶铁磁材料的磁畴结构示意图,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,Co中的磁畴结构,华南理工大学 朱敏,磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-110-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,畴壁,布洛赫(Bloch)磁畴壁,畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180,奈耳（Neel）磁畴壁,畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于界面,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,布洛赫,奈尔壁,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。,（二）磁畴移动与磁化过程,受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。,运动方式,转动,移动,各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,畴壁的移动,磁畴的转动,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,（三）磁化曲线,磁化过程四阶段：,（1）M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2）M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程，的巴克豪森（Barkhausen）跳跃。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,(四）磁性材料的技术磁参量,技术磁参量,内禀磁参量:MS、Tc,外禀磁参量:Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积,MS:饱和磁化强度Hc：矫顽力Mr或Br：剩磁,主要取决于材料的化学成分,对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变,华南理工大学 朱敏,损耗：软磁材料磁化一周总的能量损耗W，由涡流损耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公斤材料损耗的功率表示，即:W=We+Wh+Wr We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下:WeD2Bm2/Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，它也以热的形式表现出来，其大小与磁滞回线的面积呈正比。Wr：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,磁能积（BH）：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。Hg=(BmHmVm/0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH）。最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。,华南理工大学 朱敏,对通常的永磁体的应用而言，Hg越大越好。因此、在设计磁铁时，应使其工作点在图中的D点附近。同时、(BH)max越大，Hg也越大。(BH)max越高，所需要的磁体体积就越小(BH)max的大小取决于磁感矫顽力Hc、剩磁Br和隆起系数，即:(BH)max=BrHCB,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,永磁材料的退磁曲线与磁能积(密度)曲线,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,磁滞回线族,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁化过程与技术 磁参量,（五）磁性材料的稳定性,衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑Br和Hc。（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。（3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。,显微组织变化引起的组织时效,性能不稳定的原因,磁畴结构变化引起的磁时效,可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性,不可逆,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁性材料分类,按矫顽力分类,软磁材料,半硬磁材料,硬（永）磁材料,Hc100A/m(1.25 Oe),Hc:1001000A/m(1.2512.5Oe),Hc1000A/m(12.5Oe),按用途分类,铁芯材料,磁记录材料,磁头材料,磁致伸缩材料,磁屏蔽材料,变压器、继电器,录音机,通讯仪器、电器,磁带、磁盘,传感器,华南理工大学 朱敏,3.1 磁学基础磁性材料分类,主要磁性材料分类,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料,用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料：高磁饱和材料(Bs为2T左右)，如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；中磁饱和中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等,（一）工业纯铁资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,华南理工大学 朱敏,最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。,去应力退火：消除加工应力。保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。去除杂质处理：纯铁中的杂质（C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。,3.2 软磁材料铁芯材料,工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。,纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N，逐渐形成铁的氮化物所致。,纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,（二）电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）,铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。,电工硅钢片中Si的含量在0.54.8%Si。1903年开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电流、频率50400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等；,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。,电工硅钢片,热轧硅钢片（DR）,冷轧无取向硅钢片（DW）,冷轧单取向硅钢片（DQ）,电讯用冷轧单取向硅钢片（DG）,中国2002年底停止生产,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,在冷轧单取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成高斯(GOSS)织构，如图3-16示意，晶体的(110)面与轧制平面平行，易磁化的001轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的110轴。最难磁化的111轴与轧制方向成54.79角。,冷轧单取向硅钢的晶粒取向,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。,织构取向度的影响：取向度7o加微量Al等、形成AlN,可使范围减小，取向度3o,去应力退火处理：用硅钢片制成的电磁元件成型之后，应消除应力（800850，保温515min），恢复材料磁性,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,纯铁中加入钴后，Bs明显提高，含钴35%的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。国外牌号为Permendur。在合金中加入少量的V和Cr可显著提高其电阻率。实际应用的铁钴合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的国内牌号为1J22，国外牌号为V-Permendur。,铁钴合金具有高的磁导和的Bs，适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备，制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等。但电阻率偏低，不适于高频场合的应用。但价格昂贵。,（三）铁钴合金,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的m增加、Bs下降。当Ni量接近80%时，Fe-Ni合金的K1和同时变为零，能获得高的磁导率。含w(Ni)3580%的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据Ni含量对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。,（四）Fe-Ni合金(坡莫合金，Permalloy),华南理工大学 朱敏,使用过程中应避免冲击、振动及其它力的作用。,3.2 软磁材料铁芯材料,坡莫合金的热处理,避免超结构相Ni3Fe形成,NiFe在600以下的冷却过程中发生有序化转变形成Ni3Fe；不利于磁性能。,解决办法：600后急冷,易变形对应力敏感,加工后须退火12001300，保温3h并缓冷至600,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,主要是高镍含量的铁镍合金。我国的高镍高导磁合金有六个牌号:1J76、1J77、1J79、1J80、1J85和1J86，镍含量76%86%。其基本性能：m 125-187mH/m,Hc 1.4-3.2A/m,Bs 0.6-0.75T,55-6210-8m,高导磁合金,在弱场下具有很高的初始磁导率和最大磁导率，有较高的电阻率，因而适合在交流弱磁场中使用，如各种音频变压器、互感器、磁放大器、音频磁头、精密电表中的动片与静片等。主要用于收音机、电视机和通讯器材等。,华南理工大学 朱敏,恒导磁率的获得：冷轧后于1000下进行再结晶退火，可以得到(001)100织构。再将其以50%的轧制率进行冷轧，可以生成单轴轧制型磁各向异性。对合金进行横向磁场热处理(外加磁场方向垂直于使用中的磁化方向)，可使其磁化率在很大范围内保持恒定不变。,恒导磁率合金,3.2 软磁材料铁芯材料,成分范围：含Ni5575%的铁镍合金，国产恒导磁率合金牌号为1J66(Fe-w(Ni)65%)，,主要用途：恒电感器，也可用于单极脉冲变压器。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,Bs（约1T）、磁导率和矫顽力介于高磁饱和材料和高导磁材料之间，电阻率较高。适用于较高的频率，中、弱磁场范围。1J46和1J50合金主要用于制作小功率变压器、微电机、继电器、扼流圈和电磁离合器的铁心，以及磁屏蔽罩、话筒震动膜等。1J54合金具有更高的电阻率与低的矫顽力，主要用于脉冲变压器、音频和高频通讯仪器等。低镍的Fe-Ni36%合金的Bs和电阻率介于1J50和1J54合金之间，合金价格便宜，主要用于要求高Bs，而对磁导率要求不高的条件下制备高频滤波器、脉冲变压器及灵敏断电器等。,中磁饱和中磁导率合金,成分：低镍和中镍的铁镍合金，1J46、1J50和1J54,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料铁芯材料,（五）粉心材料,减少高频下的损耗,涡流损耗还与材料厚度的平方成正比,高频下的损耗,磁致损耗与频率成正比,涡流损耗与频率的平方成正比,主要问题,解决办法,减小铁芯材料（Si钢片）的厚度,有一定限度100KHz。,将磁性材料制成粉末，在粉末颗粒之间加上绝缘物质，用压缩成型的办法制成磁心，使用频率可以提高到几百MHz。,粉心型材料,华南理工大学 朱敏,铁粉心材料包括羰基铁粉、MoNiFe合金粉、FeAlSi粉等。在高温高压下，使Fe和CO发生反应，可以制成羰基铁Fe2(CO)5，然后在350使其分解，可以得到尺寸均匀的球状纯铁颗粒；混以适当的绝缘剂并压制成型，可作相对初始磁导率为520的高频低磁导率的铁心使用。在含钼坡莫合金的基础上加入百分之几的硫，使之脆化，然后用机械粉碎法制成MoNiFe合金粉末，与绝缘剂混合后压制成铁心。氧化物粉心材料主要有Mn-Zn、Ni-Zn系复合铁氧体。Mn-Zn系使用频率。粉末尺寸：10 mm量级,3.2 软磁材料铁芯材料,华南理工大学 朱敏,粉芯产品示例,3.2 软磁材料铁芯材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,（一）磁记录介质材料,要求:材料具有高的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。,用途：磁带，磁盘等,记录方式：纵向记录；垂直记录,记录介质材料：磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,-Fe2O3粉末制备方法：在400的氢气流中将-FeOOH的针状结晶脱水还原成Fe3O4，然后在250300的空气中慢慢氧化得到保持初始-FeOOH针状结晶特征的颗粒；形态特征：0.60.8微米，长短轴比为6的针状颗粒，颗粒小记录性能好基本性能：矫顽力1900028000 A/m，居里点675。Co的加入提高了材料的矫顽力(78000A/m)，但居里温度有所下降(520)。,主要采用的磁记录介质,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,主要磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。,（二）磁头材料,用途：从磁记录介质中读出信号,用途：高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性和低应力敏感性。,A,华南理工大学 朱敏,铁镍基耐磨高导磁合金:在高镍型铁镍二元合金基础上加入Nb、Mo、Al和Ti等合金元素而形成。通过调节成分和适当的最终热处理，使合金元素在基体内形成有限固溶体和对畴壁运动无阻碍作用的极微细的(小于畴壁宽度)均匀沉淀相，从而使合金在保持高导磁率的同时得到固溶强化和沉淀强化，制备出高硬度低应力敏感性的高导磁合金。铁镍基耐磨高导磁合金主要用于低频磁头如录音机、数字磁带机和磁卡机磁头以及微电机、变压器、传感器和磁放大器等各种电感元件铁心。,3.2 软磁材料磁记录材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,铁硅铝合金:(Fe-w(Si)9.6%-w(Al)5.4%)的导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T，电阻率11010-8m。该合金制备的磁头具有高的耐磨性和优良的高频特性。是四磁头录像技术中普遍应用的磁头材料。缺点是对合金成分的变化非常敏感，又硬又脆，难加工，使磁头价格昂贵。Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体：硬度Hv达600700，耐磨性高，主要用于制作录像机、数字磁带机、磁盘机和磁鼓的磁头铁心。其中应用最多最普遍的是多晶热压铁氧体，其最大缺点是磁头缝隙附近容易产生剥落，从而导致磁记录质量的下降。采用单晶和取向铁氧体抗剥落性得到显著改善，但增加了磁头制造工艺的难度。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料磁记录材料,巨磁阻硬盘磁头,华南理工大学 朱敏,（一）磁致伸缩材料利用磁致伸缩现象，可将电震荡转变成超声波振动；因此磁致伸缩材料主要用于超声波发生器的振子(铁心)。此类材料主要包括纯镍(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金(1J13)、Fe49Co49V2(1J22)、Fe-w(Ni)50%(1J50)。(二)磁屏蔽材料在一些场合，如小型通讯机和电子仪器中，各种线圈或变压器装配位置紧密，必须进行电磁屏蔽。常用的磁屏蔽材料有纯铁、坡莫合金或铁硅铝合金，非晶态合金。,3.2 软磁材料其它软磁材料,华南理工大学 朱敏,（三）磁流体在连动系统机械中，为了控制机械部件的相互连接，通常使用磁性离合器。磁流体是将羰基铁或四氧化三铁磁性粉末分散在矿物油或硅油中的一种材料。当加上磁场时，使磁性粉末磁力线方向上连续排列起来，使表观粘度增高，从而实现百分之百的连接。不加磁场时磁流体材料的粘度应很小，加上磁场时其粘度应明显提高；取消磁场时其剩磁要低、恢复到低粘性的初始状态。磁流体中磁粉与机油的比例一般为4:1，与硅油的比例为8:1。,3.2 软磁材料其它软磁材料,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,非晶态金属（金属玻璃）：当液态金属凝固的冷却速率高于一临界值时，晶体的形核与生长被抑制，形成原子排列为短程有序而长程无序的固态结构。,（一）非晶态合金,非晶态软磁合金分类:(1)过渡金属-类金属系(TM-M)，其中Fe，Ni，Co等磁性元素一般占7084%，类金属元素B，Si，C，P占1630%；(2)稀土-过渡金属系(RE-TM)；(3)过渡金属-金属系(TM-MT)，其中Fe，Ni，Co等过渡元素含量约90%，金属元素Zr，Hf等约10%。也可按主要成分将其分为铁基、钴基和铁镍基合金等。还可按磁性分为高饱和磁感和高磁导率两类。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,铁基非晶合金的种类：主要有Fe-B、Fe-B-C、Fe-B-Si、Fe-B-Si-C和Fe-Co-B-Si五个系列，以及添加Mn、Mo、Cr、Al、Nb元素合金化发展的新合金系列。用途：对应于硅钢和中镍含量的铁镍合金，主要用于功率器件如配电变压器、电力变压器、电动机等。从使用的角度出发，性能特点：矫顽力低、磁导率高，电阻率是硅钢的三倍左右，铁损仅为取向硅钢的四分之一，为无取向硅钢的十分之一，激磁功率一般仅为取向硅钢的十分之一，对于节约能源具有相当重要的意义。不足之处在于饱和磁感应强度低于硅钢，带材较薄因而填充系数较低，存在退火脆化问题及成本偏高等。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,钴基非晶态合金：主要包括Co-Fe、Co-Mn和Co-Fe-Ni。具有很高的磁导率、很低的矫顽力和损耗、良好的高频性能，适于制作电子变压器、磁记录头、磁放大器等电子元件；主要性能特点和应用范围同高镍坡莫合金相对应。铁镍基合金：性能介于铁基和钴基合金之间的一个系列。此类材料的饱和磁感、动态磁导率、矫顽力、损耗等性能高于铁基而低于钴基非晶态合金。在价格方面也介于铁基与钴基合金之间。此类合金的成分范围很宽，在性能上可以与坡莫合金相比。,华南理工大学 朱敏,3.2 软磁材料非晶态、微晶与纳米 晶软磁合金,快速凝固Fe-Si软磁合金：可提高Si含量、进一步减小合金带的厚度，获得优良的磁性。快速凝固非晶纳米晶复合软磁合金：在非晶态Fe-B-Si合金基础上通过Cu、Nb、Zr等元素合金化发展起来的合金。其结构为非晶基体上分布尺寸为几十纳米的晶体，具有优异的软磁和力学综合性能，已广泛应用于软磁铁心的工业生产。,(二)快淬微晶与超微晶合金,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料基本特点与要求,主要用途：提供永磁场,主要种类：铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金、稀土永磁材料和复合粘结永磁材料。,主要性能要求：高的磁能积，高的轿顽力，高的居里点，高稳定性，好的经济性。,汽车上使用永磁材料的部件,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料基本特点与要求,华南理工大学 朱敏,（一）铝镍钴系合金,3.3 永磁材料主要永磁材料,成分特点：Fe、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素进一步提高合金性能。包括铝镍型、铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又有各向同性合金、磁场取向合金和定向结晶合金。,制备方法：铸造磁钢与烧结磁钢，铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点。绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产。,性能特点：高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。Tc：757907、(BH)max约为1672 kJ/m3,Br：0.781.30T,HCB：52112 kA/m。,华南理工大学 朱敏,（二）永磁铁氧体主要种类：钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO6Fe2O3)。晶体结构均属六角晶系。制备方法：以Fe2O3、BaCO3和SrCO3为原料，经混合、预烧、球磨、压制成型、烧结制成。根据成型过程中加磁场与否，烧结铁氧体材料可制成各向同性磁体和各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。,3.3 永磁材料主要永磁材料,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料主要永磁材料,烧结铁氧体产品,华南理工大学 朱敏,性能特点：Tc：450460，具有高矫顽力和低剩磁，但剩磁和最大磁能积偏低,其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍，不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用，是目前产量和产值最高的永磁材料。,3.3 永磁材料 主要永磁材料,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料 主要永磁材料,（三）铁铬钴系合金成分特点：以铁、铬（23.527.5%）、钴（11.521.0%）为主；加入适量硅、钼、钛。此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。制备方法：定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构)，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能。性能特点：高剩磁Br 1.53T，Hc 66.5KA/m，(BH)max 76kJ/m3。,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料主要永磁材料,二十世纪八十年代称为第三代稀土永磁材料。,稀土永磁合金,Re-Co永磁稀土Co永磁,铁基稀土永磁型Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料,1:5型Re-Co磁体SmCo5单相与多相合金,第一代稀土永磁；二十世纪六十年代,2:17型Re-Co磁体Sm2Co17基合金,二十世纪七十年代;第二代稀土永磁,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料 主要永磁材料,各类稀土永磁材料的性能比较,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料主要永磁材料,SmCo5化合物理论磁能积为244.9kJ/m3。采用强磁场取向等静压和低氧工艺，SmCo5的(BH)max达227.6kJ/m3、居里温度为740，可在-50150的温度范围内工作，是一种较为理想的永磁体，其缺点是含有较多的战略金属钴(w(Co)66%)和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm。原材料昂贵，受到资源与价格的限制。,用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可适当降低成本，(SmPr)Co5磁体的磁能积最高可达到219.7kJ/m3。Ce(Co,Cu,Fe)5，MmCo5磁体的(BH)max=120kJ/m3。,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料 主要永磁材料,着Fe含量的增多，内禀饱和磁化强度迅速提高,以Sm2Co17型化合物为基的ReCo17型永磁材料,Sm-Co-Cu系,Sm-Co-Cu-Fe系,Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf,Ni),低Cu含量的合金矫顽力低，高Cu含量的合金矫顽力虽得到较大提高，但饱和磁化强度偏低，居里温度也显著降低，不能实用,加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，进一步提高磁性能,商业化材料,华南理工大学 朱敏,磁性能优于SmCo5，其Tc为840870，磁感温度系数也优于SmCo5，可在-60350范围工作；同时合金中Sm和Co的含量低于SmCo5，具有较低的原料成本。此类材料的缺点是制造工艺复杂，工艺费用高。但作为一种优异的永磁材料，在工业中广泛应用于制作精密仪器和微波器件。,3.3 永磁材料 主要永磁材料,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料主要永磁材料,Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。自1983年问世以来发展极为迅速，目前此类材料磁性已达如下的水平：最大磁能积407.6 kJ/m3，矫顽力2244.7kA/m。是迄今为止磁性能最高的永磁材料，被誉为“磁王”。Nd-Fe-B系合金的另外一个最大的优点是原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴合金的50%左右。,目前工业上广泛应用的Nd-Fe-B系永磁体包括烧结磁体、热压磁体、铸造磁体、粘结磁体和注塑磁体等。但其剩磁温度系数较高仍难以取代AlNiCo和Re-Co合金，且易于腐蚀需表面处理。,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料制备技术,不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。,永磁体的制备方法主要包括铸造法、粉末冶金(烧结)法和粘结法,真空熔炼,制粉(单畴粒子)铸锭破碎磨粉,粉末磁场取向与成型,平行取向垂直取向,烧结（磁场下）,热处理、磁体加工,烧结磁体元件,烧结法,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料,烧结NdFeB,3.3 永磁材料制备技术,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料制备技术,粘结法：,磁粉与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂混合,压制、挤出或注射成型，固化,粘结磁体,性能特点：,尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产,施加取向磁场,各向异性粘结磁体,粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对 密度。粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工 艺。,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料制备技术,铁氧体磁粉：,磁粉：,Nd-Fe-B磁粉：,熔体急冷(RQ),氢化(HDDR)、机械合金化(MA),普遍采用,纳米复合磁粉：,纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最大磁能积明显增大。,纳米复合磁体：NdFeB/-Fe、SmFeN/-Fe磁体,粘结磁体中产量最大的一种约占永磁材料总产量的810%；,Since 1988,华南理工大学 朱敏,3.3 永磁材料制备技术,粘结磁体,