12级材料的磁性能.ppt

材料物理性能郑兴华,第三章 材料的磁性能,永久磁铁,电磁铁,磁体周围的磁场,磁性无处不在,罗盘,磁性液体在磁场中显示磁力线分布的图形,宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体,磁性元件和材料在电子设备中作用,材料为什么有如此广泛的用途?,材料具有重要的磁性能,本章主要内容,材料磁性概述 磁性材料中的基本磁现象 自发磁化理论 磁性材料的磁化 磁畴、技术磁化、动态磁化等 主要的铁磁性材料 测量及应用,与人类文明的进步在世界上中国是最早发现磁现象与磁石的文明古国；公元前一千多年前中国史书已有磁的论述；公元前300年中国汉代已用天然磁石(Fe3O4)做指南针；公元11世纪，北宋，沈括在中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南.水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合。,材料磁性概述,公元前3世纪，战国时期，韩非子中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。鬼谷子中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。,公元1600年英国出版W.Gilbert(1544-1603)“论磁体”巨著，系统论述静地相互作规律，和磁与电的关系，和磁学形成；公元18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作了大胆的描绘。公元19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。20世纪初，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代磁学的基础，在顺磁性理论、分子磁场、波动力学、铁磁性理论等相关理论和各种分析手段的基础上，形成了完整的磁学体系。,材料磁性概述,如果一个小磁体能够用无限小的电流回路来表示，我们就称为磁偶极子。用磁偶极矩jm表示：,磁偶极子和磁矩,与磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积定义为磁矩表征磁性物体磁性大小的物理量，用m表示：,jm=ml,m=iA,磁偶极矩和磁矩具有相同的物理意义，存在关系：,jm=0m，o=410-7Hm-1，真空磁导率,磁性基本概念,磁化强度M,单位体积磁体内磁偶极子的磁偶极矩矢量和称为磁极化强度Jm；单位体积磁体磁体内磁偶极子的磁矩矢量和称为磁化强度M,J m和M亦有如下关系：Jm=0M,W bm-2,Am-1,磁化强度可以看成是磁偶极子的集合,磁化强度又可以看成是闭合电流环的集合,磁场强度H和磁感应强度B,磁场中的磁极会受到力的作用，表示为：F=m H，m为磁极强度定义磁场强度H：单位强度的磁场等于1Wb强度的磁极受到1牛顿的力，磁场强度为Am-1。,在更多场合，确定场效应的量是磁感应强度B。在SI单位制中：B o（HM）H磁场强度；M磁化强度,o=410-7Hm-1，真空磁导率,磁化强度M和磁场强度H存在如下关系：Mc H，c称为磁体的磁化率。B=m0(H+cH)=m0(1+c)H 定义mr（1c）为相对磁导率，即mrB/m0 H磁导率是表征磁体的磁性、导磁性及磁化难易 程度的磁学量。,磁化率和磁导率,磁学参数及单位,静磁能（Magnetostatic Energy）,Work done per unit volume during magnetization,Energy density of a magnetic field,Magnetostatic energy density in free space,Magnetostatic energy in a linear magnetic medium,材料的磁性起源,怎样可以产生磁性？磁场？,导线通电、封闭的导线封闭电流产生磁矩,材料内部的磁性也是源于材料内部电子的循轨和自旋运动。,磁源于电：环形电流周围的磁场，符合右螺旋法则，其磁矩定义为：m 载流线圈的磁矩I-载流线圈通过的电流S-载流线圈的面积n-载流线圈平面的法线方向上的单位矢量,磁矩,原子核+26,K(n=1),L(n=2),M(n=3),N(n=4),1s1,2p6,2s2,3p6,3s2,3d6,4s2,Fe的电子壳层和电子轨道,一切物质磁性的根源，来自原子磁性原子磁矩有三个来源：电子轨道磁矩；电子自旋磁矩；原子核磁矩；原子核磁矩值很小，一般可忽略不计。,电子轨道磁矩,电子轨道运动产生的轨道磁矩和动量矩方向相反,轨道磁矩,轨道动量矩,电子自旋磁矩,S1/2，pS=,自旋在磁场方向的分量,(ms只可能等于1/2),实验表明：,（S1/2，）,自旋角动量,未成对的电子才有贡献,S1/2，pS=,(ms只可能等于1/2),B 波尔磁子，9.27 10-24 Am2,磁矩,自旋磁矩电子自旋时产生顺磁矩。轨道磁矩轨道电子循轨运动时产生的抗磁矩。电子磁矩轨道磁矩和自旋磁矩之和。固有磁矩只有原子中存在未被排满的电子层时，电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，为原子的固有磁矩）,材料的磁化,通常，在无外加磁场时，材料中固有磁矩的矢量和为零，宏观上材料无磁性。材料在外加磁场H中时，使它所在的空间的磁场发生变化（H或、H），产生一个附加磁场H，材料本身呈现出磁性，这种现象叫磁化这时其所处的总磁场强度为两部分的矢量和。单位A/m。,=r-1磁化率（单位体积），可正可负，表征物质本身的磁化特性。,磁性材料分类,按材料磁化情况，将材料分为:抗磁性材料-使磁场减弱顺磁性材料-使磁场略有增强铁磁性材料-使磁场强烈增强 铁磁性材料 亚铁磁性材料 反铁磁性材料,抗磁性材料,物质的抗磁性,材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。,形成抗磁磁距的示意图,m总是与外加磁场方相反，为什么?,抗磁性,顺磁性材料,磁化曲线,通常把BH曲线or M-H曲线称为磁化曲线,顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线,0,10-3-10-6,0,10-6,磁化曲线特点：线性；磁化可逆性；斜率很小（M-H)。,磁化曲线,通常把BH曲线or M-H曲线称为磁化曲线,顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线,0,10-3-10-6,0,10-6,抗磁、顺磁性材料磁化曲线特点：线性；磁化可逆性；斜率很小（M-H),H(A/m）,M(A/m),顺磁性,O,抗磁性,=-1，TTc,典型的磁性材料,顺磁性,原子(or离子)的固有磁矩 无序有序通常顺磁磁化进行的很困难，为什么?,（原子热运动造成的阻力）,影响材料抗磁性与顺磁性的因素,1.原子结构的影响,核 轨道电子 自由电子贡献：循轨运动 抗磁距 顺磁矩 电子自旋 抗磁矩(轨道磁矩)（较小）顺磁矩(自旋磁矩)固有磁矩,(1)惰性气体，固有磁矩为0，在外磁场中只能产生抗磁矩，是典型的抗磁性材料。(2)绝大多数非金属元素。由于共价键作用，使外层电子被填满，大多数是抗磁性材料，只有氧和石墨是顺磁性材料。(3)金属元素。离子+自由电子。只有轨道未被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性。,金属元素,例如：Cu，Ag，Au，Cd，Hg等，抗磁性顺磁性，抗磁性材料。碱金属、碱土金属(除Be外)顺磁性自旋电子（自由电子）顺磁性的贡献。稀土金属顺磁性较强，磁化率较大贡献来源于自旋磁矩。Ti，V，Cr，Mn等过渡元素，强烈顺磁性，有些合金成为铁磁性。,影响材料抗磁性与顺磁性的因素,2.温度的影响 温度对抗磁性没有什么影响(除非发生相变)。,温度对顺磁性影响很大，原因?,影响材料抗磁性与顺磁性的因素,顺磁性物质的磁化机理-磁场克服原子和分子热运动的干扰，使原子磁矩排向磁场方向的结果（固有磁矩从无序有序）所以随T 顺磁磁化率下降，甚至铁磁性在居里温度以上变为顺磁，铁磁磁化受阻（磁阻效应）。,影响材料抗磁性与顺磁性的因素,3.相变及组织转变的影响 相变改变了物质的结构所以改变了磁性，例如：Fe铁磁顺磁抗磁居里温度（奥氏体）加工硬化使原子间距，密度，磁化阻力减小，使抗磁性减小。例如：Cu 抗磁(高度加工硬化)顺磁 顺磁(退火)抗磁。,影响材料抗磁性与顺磁性的因素,4.合金成分与组织的影响(待补充)当今高磁性材料发展中最突出的钕铁硼磁性合，固溶体-顺-顺，顺抗，铁顺，抗抗，铁-抗，铁-铁等，磁化率较溶质和溶剂有明显的变化。化合物-决定于结构、轨道电子和自由电子数的变化。,抗磁性与顺磁性材料特性,磁性材料器件及应用,汽车领域 永磁起动电机传感器无刷直流电机计算机领域 光驱 存储器 打印机消费类电子产品领域 微型马达 扬声器 耳机 麦克风电器领域 便携式电动工具电机家用电器电机工业自动化领域 磁耦合器 伺服电机工业产品领域 磁分离器 磁起重设备,什么材料有如此广泛的用途?,具有独特的磁性能,铁磁性材料,？,56,材料的磁化,铁磁材料磁化 磁化曲线 磁性材料中的基本磁现象 磁性材料的磁化 磁畴、技术磁化、动态磁化等 自发磁化理论,57,磁化曲线,通常把BH曲线or M-H曲线称为磁化曲线,顺磁材料与抗磁材料的磁化曲线,0,10-3-10-6,0,10-6,抗磁、顺磁性材料磁化曲线特点：线性；磁化可逆性；斜率很小（M-H),H(A/m）,M(A/m),顺磁性,O,抗磁性,=-1，TTc,铁磁性材料的磁化曲线,特点:复杂1）可逆 磁化阶段 B、M随H缓慢线性上升,磁化可逆；2）不可逆 磁化阶段B、M随H快速增大,出现极大值m，磁化不可逆，非线性 3）饱和磁化阶段B、HHs 0，MMs.BBs.4）顺磁磁化阶段,铁磁性材料的磁化曲线,1,3,2,4,59,(1)起始磁导率(2)增量磁导率(3)微分磁导率(4)最大磁导率,磁导率,B,H,max,i,磁化曲线比较,抗磁性 0，10-6-10-3铁磁性：0，103-106,H,M,抗磁性,-物质的磁化率,H,铁磁性,顺磁性,超导体,61,材料沿不同方向磁化的难易程度不同,易磁化轴100,难磁化轴111,磁各向异性,铁单晶磁化曲线,62,软磁铁氧体的磁化曲线与磁导率曲线,63,冷轧取向硅钢片的磁化曲线与磁导率曲线,64,Mn-Zn铁氧体的磁化曲线与磁导率曲线,65,B,H,铁磁材料的起始磁化曲线,a,b,c,d,铁磁性,B随H变化规律 oab同磁化曲线；减小H,B 沿bc减小,当H=0时,B=Br(剩余磁 感应强度)这就是铁磁金属的剩磁现象；cd想去掉剩磁需加反向磁场.H=-Hc,B=0.Hc 为去掉 剩磁的临界外磁场,称为矫顽力.cd 曲线也称为退磁曲线，从此曲线可得出考 核永磁材料的重要参数。继续在反方向增加H-Hs,磁化曲线沿de到-Bs.从-Bs改为加正方向磁场,随H,B沿efgb曲线变化为Bs.B 变化总是落后于H的变化,这种现象称为磁滞效应 磁滞回线铁磁材料的重要特征之一.,铁磁体的磁滞回线,铁磁性,铁磁材料的原子组态和原子磁矩,铁磁材料的磁化特性:在外加磁场的作用下，可产生很强的磁化，远大于顺磁性。,磁化(原因)机理:铁磁性来源于未被抵消的自旋磁矩+自发磁化顺磁性 铁磁性 自旋磁矩自发地同向排列,铁磁性,与顺磁性区别:eg：铁、钴、镍原子的外层电子填充规律.Fe（3d64S2）、Co（3d74S2）、Ni（3d84S2）、Mn、Cr等也有剩余的自旋磁矩,但是不属于铁磁性,原因：不存在自发磁化。,元 素 周 期 表Periodic Table of Elements,La,La,Ac,Ac,铁磁性,Fe d层未抵消自旋数 4,铁磁性,自发磁化 什么叫自发磁化,为何会发生自发磁化？定义：在没有外加磁场的情况下,材料所发生的磁化称为自发磁化铁磁材料自发磁化的机理（铁磁体形成的条件）：电子间的相互作用产生的当两个原子相互接近时,他们的d、f层和s层的电子可以相互交换位置,迫使相邻原子自旋产生有序排列交换作用所产生的附加能量称为交换能原子在自然状态下交换能Eex应处于最低状态,铁磁性与反铁磁性,A 交换能积分常数 S1、S2 两个电子的自旋动量矩矢量 两个电子的自旋动量夹角 S是S1、S2 同类电子的模.,铁磁性与反铁磁性,讨论:什么情况下原子的Eex最低（铁磁体形成的条件是什么？）(1)A0=0 cos=1 Eex最低 即只有当自旋磁矩同向排列时-Fe、Co、Ni的 A较大，稀土A较小，属于铁磁性材料；（铁磁材料的自发磁化形成机理，条件A0）(2)A0=cos=-1,Eex最低,即只有当自旋磁矩反向排列时,Cr、Mn等属于反铁磁性材料。（A-a/r（原子间距比原子半径）的关系）,“交换”作用不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用 铁磁性 物质晶体结构 原子间距轨道半径,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,Slater曲线,反铁磁性,反铁磁性物质磁导率与温度的关系曲线,反铁磁性的磁化率受H、T两个因素影响，反铁磁居里点（奈耳点Tn）温度以下，H的影响占上风，H，；Tn点以上，温度的影响占上风，T，。,H,T,反铁磁居里点,H,磁各向异性与磁致伸缩 铁磁性物质磁化时的两个重要特征：磁各向异性、磁致伸缩磁各向异性：磁体在不同方向上具有不同的磁特性，这种现象称为磁各向异性.磁致伸缩：铁磁物质磁化时,其形状和尺寸发生变化的现象称为磁致伸缩。,磁各向异性分类,铁磁体由磁中性磁化到饱和需要作一定的功：,沿不同方向磁化所作的功不同，所需的磁化能也不同，这种与磁化方向有关的能量称为磁各向异性能,材料沿不同方向磁化的难易程度不同,易磁化轴100,难磁化轴111,铁单晶磁化曲线,磁各向异性,磁各向异性,磁各向异性,磁晶各向异性能,立方晶系,六角晶系,磁晶各向异性常数，是材料的磁特性的重要参数之一,磁晶各向异性机制,磁各向异性的微观机制是与电子自旋和轨道的相互耦合作用以及晶体场效应有关的,分布在晶格上的原子或离子，由于受到近邻原子的静电性质的晶体电场作用，导致了电子轨道的“冻结”，使其电子轨道失去了自由状态时的在空间的各向同性，特别是当电子云的分布变为各向异性的形状时，再通过电子自旋和轨道之间的磁相互耦合作用，就导致了电子自旋取向的各向异性,退火产生的感生磁各向异性,21.5%Fe-Ni合金磁化曲线：,A：纵向磁场冷却B：冷却时无磁场C：在垂直或圆磁场中冷却,磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩,磁致伸缩有三种表现：沿着外磁场方向尺寸的相对变化称为纵向磁致伸缩；垂直于外磁场方向尺寸的相对变化称为横向磁致伸缩；磁体体积的相对变化称为体积磁致伸缩。,体积磁致伸缩量很小，通常被忽略,磁致伸缩,磁致伸缩,此效应可用磁致伸缩系数表示:=l 磁化后长度的改变，l 原始长度 0,正伸缩 拉应力有利于伸缩，Fe 0,负伸缩 压应力有利于伸缩，Ni 当磁化强度M达到饱和Ms时,s（材料常数）。也具有各向异性.,S,反过来，通过施加拉应力或压应力，能引起材料的磁性能变化，即压磁效应，这是磁致伸缩的逆效应。,磁畴,定义:在铁磁性物质中,存在着许多微小自发磁化区域,称为”磁畴”。（小磁体）,铁磁体能量,=退磁场能,+交换能,+磁各向异性能,磁畴成因,稳定的磁结构要求：总能量最低,？,无外应力和外磁场时，交换能、磁晶各向异性能和退磁场能之和应取极小值。,若交换能和磁晶各向异性能同时取最小值，自发磁化只能分布在一个易磁化方向上,磁体表面出现磁极，产生退磁场,磁体总能量增加，自发磁化一致取向不稳定,为降低退磁场能量，磁体内部分成许多大小和方向基本一致的自发磁化区域，即磁畴,磁畴形成过程图示,磁畴；10-9cm3,畴壁：相邻磁畴间的过度层，一般10-5cm,畴壁类型,根据畴壁两侧磁畴的自发磁化方向间的关系，可分为1800畴壁和900畴壁：1800畴壁 畴壁两侧的自发磁化强度方向互成1800。单易磁化轴晶体只有1800畴壁，多轴晶体中也有1800畴壁；900畴壁 畴壁两侧磁畴的自发磁化强度方向间的角度不为1800，而是900、1070和710等，一律称为900畴壁。,畴壁是相邻两磁畴之间磁矩按一定规律逐渐改变方向的过渡层,在过渡层中，相邻磁矩不平行，导致交换能增加（）；又离开易磁化轴，导致磁晶各向异性能增加（）。,根据畴壁中磁矩的过渡方式，可将畴壁分为布洛赫壁和奈尔壁两种类型：,布洛赫壁 大块晶体材料内的畴壁属于布洛赫壁。在布洛赫壁中，磁矩的过渡方式是始终平行于畴壁平面，1800畴壁即为布洛赫壁；奈尔壁 极薄的磁性薄膜中存在奈尔壁。在奈尔壁中，磁矩围绕薄膜平面的法线改变方向，并且是平行于薄膜表面而逐步过渡的。,布洛赫壁示例,奈尔壁示例,磁化：材料从磁中性状态变到所有磁畴都取向外磁场方向的磁饱和状态的过程；,反磁化：从磁化饱和状态回到退磁状态的过程；,技术磁化：铁磁体在外场作用下通过磁畴转动和畴壁位移实现宏观磁化的过程；,顺磁磁化（内禀磁化）：铁磁体在技术磁化饱和以后，强磁场使磁畴内禀磁化强度发生变化的过程。,磁化几个基本概念,技术磁化,技术磁化：铁磁体在外磁场作用下通过磁畴转动和畴壁位移实现宏观磁化的过程；,起始磁化阶段-与磁场成锐角的磁畴扩大与磁场成钝角的磁畴缩小磁化矢量之和在磁畴方向上的投影大于零,宏观表现 微弱磁化；不可逆磁化阶段-大块的磁畴从与磁场夹角较大的难磁化方向转向夹角较小的易磁化方向.磁化进行很强烈所有自旋磁矩转向易磁化的最小夹角方向.缓慢增加阶段-最小夹角方向锐角磁畴进一步向外磁场方向转动,磁中性,影响铁磁性的因素,因 素 组织不敏感Ms-与成分、原子结构、晶体结构、组成相有关-决定于自发磁化(原始状态)组织敏感-与温度、形变、晶粒大小、合金化及处理状态有关-决定于技术磁化,Fe,Co,Ni（，Hc，Br）,1 随T,Ms,当T=Tc,Ms=0 铁磁顺磁,铁磁性,铁磁性与反铁磁性,2 变形和晶粒度变形,Hc(不可逆磁化严重)Br先后不影响Bs，为什么?磁化难 退磁难 易磁化方向磁性最好-理想织构 形成织构 不易磁化方向磁性不好.晶粒大小的影响同变形度,晶粒，位错相当于变形,铁磁性与反铁磁性,3 形成固溶体及多相合金（1）形成固溶体铁磁性 铁磁性 抗磁性or弱顺磁性 强顺磁性Fe Co Ni bbc hcp fcc%Ms，%Ms含量高时MsNi,Ms，Co,Ms，Co,Ms Co%,MsFe Co30是目前Ms最高的合金2000000A/m,铁磁性与反铁磁性,铁磁性 非铁磁性 非铁磁性 Fe,Co,Ni+O,C,N 可能形成铁磁性固溶体%Hc,Br eg.Mn+As,Bi,B,C,H,N,P,S,Sn,O,Pt,静磁参数分析,起始磁化率影响因素,材料的饱和磁化强度 起始磁化率i与MS2成正比 磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数S 通常K1和S越小越好 内应力和掺杂及其分布 内应力越小越好，掺杂越少越好 控制晶粒尺寸的大小 晶粒尺寸越大越好 材料的织构化,剩余磁化强度影响因素,应力作用,杂质和气孔的分布,材料的织构,产生退磁场，提供反磁化核，降低剩磁,影响MS取向,关键在于提高材料的定向度,提高剩磁的方法：,矫顽力的影响因素,畴壁位移的阻力,畴转过程的阻力,应力模型：含杂模型：,磁晶各向异性：应力各向异性：形状各向异性：,含碳量影响磁性能,c增加（）,主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用,Cu、Mn、Si、N、O、S等也会对软磁性能产生不利影响,max减少（）,Hc上升（）,最大磁能积（BH）max,H=0时，BH=0；B=0时，BH=0,所以在这两个状态之间BH必然存在最大值,根据可以（BH）max确定永磁体的最佳形状。,0(BH)max,矩形比,矩形比R是表征磁滞回线矩形程度，定义为：,矩形比最高可达到1,Br为剩磁，BS为饱和磁感强度,实际中，磁化很难达到饱和，所以用剩磁比R r和记忆矩形比RS代替,在工作磁场下的最大磁感强度,最大磁场强度的负半值,开关元件参数，要求Rr0.9,记忆元件参数，要求为0.80.9,铁磁性材料的分类,1。按物理性质分类 a）.静磁特性：永磁；软磁；矩磁；磁记录（介质、磁头）b）.交叉耦合效应：磁光；磁热；磁致收缩；旋磁；吸波；反常霍尔效应；铁电/铁磁；GMI c）.与自旋相关的输运性质：自旋电子学材料2。按化学组成分类 金属（合金）；无机（氧化物）；有机化合物3。按维度分类 纳米（零维；一维；二维）；微晶；非晶；块体4。按磁结构分类：铁磁；亚铁磁；反铁磁；超顺磁5。按应用分类：。隐身；磁制冷；磁传感器；MEMS。,Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.,软磁材料,衡量软磁材料的重要指标金属软磁材料铁氧体软磁材料非晶及纳米晶软磁材料,软磁材料是应用最广，品种丰富的一类磁性功能材料，主要产品分三类1。高磁导率材料:i10000，电感元件；抗电磁干扰（EMI)；滤波器；宽带脉冲变压器2。低功耗材料：高饱和磁通密度，宽频、宽温、低损耗 开关电源变压器;变压器 3。电力工业用的软磁材料,发展趋势：高频，低损耗，宽温,功率铁氧体,衡量软磁材料的重要指标,复数磁导率,设交变磁场为：,磁化需要时间，磁感应强度B落后H相角，得：,其中，,则,交变磁场中软磁材料磁导率不再是实数而是复数,品质因数Q,Q值是反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。,磁导率中实部正比于能量的存储而虚部 正比于磁能的损耗,软磁材料的Q值可以用交流电桥或Q表测量得到。,通常要求：Q值越大越好。,材料的损耗,材料的损耗 表示为：,相位角称为损耗角，tan称为损耗正切,通常要求：tan越小越好,在材料的磁谱曲线上，下降到初始值的一半或达到极大值时所对应的频率称为该材料的截止频率fr。,磁谱与截止频率fr,材料的截止频率fr与起始磁导率i有密切的关系。一般而言，材料的fr越高，其i越低。,对于软磁材料来说，总是希望材料的Q值越高越好，值越大越好。因此，通常用 和Q的乘积Q，来表征软磁材料的技术指标。因为,Q积,，因此常用比损耗系数,来表征软磁材料相对损耗的大小。,注意：Q随使用频率的不同而变化。,交流磁场中的能量损失,交流磁场中的动态磁化造成各种模式的能量损失，用W表示：,式中，We为涡流损耗；Wh为磁滞损耗；Wr为剩余损耗,涡流损耗是由涡流引起的功率损耗。若材料厚度为t，最大磁感应强度为Bmax，电阻率为，则We可表示为：,磁滞损耗是指由不可逆磁化而形成磁滞回线所引起的被材料吸收的功率。磁致损耗Wh可表示为：,剩余损耗是除涡流损耗和磁滞损耗以外的一切损耗。,低频下主要是磁余效，高频下主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗和自然共振损耗。,交流磁场中的能量损失,a为常数,金属软磁材料,电工纯铁指纯度在99.8以上的铁是最早，最常用的纯金属软磁材料,面心立方,体心立方,结构与磁性的变化,相结构随温度和压力变化,结构和磁性随温度变化,含碳量影响磁性能,c增加（）,主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用,Cu、Mn、Si、N、O、S等也会对软磁性能产生不利影响,max减少（）,Hc上升（）,电工纯铁的主要用途,磁铁的铁芯和磁极,继电器的磁路和各种零件,感应式和电磁式测量仪表的各种零件,扬声器的磁路,电话中的振动膜,电机中用以导引直流磁通的磁极,冶金原料,硅钢,电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场中，涡流损耗大在纯铁中加入硅，形成固溶体硅钢也称硅钢片或电工钢片(c0.02wt，Si=1.54.5wt),电阻率（），涡流损耗（）,主要用于：,因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料已经成为用量最大的磁性材料,各种形式的电动机、发电机和变压器；扼流圈；继电器；测量仪表；,坡莫合金,坡莫合金源于英文permalloy是指镍的质量分数为3090的镍铁合金,坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节,坡莫合金中含有Ni，因此 磁学特性优于硅钢 价格贵于硅钢,典型成分,在Ni为70%80%的范围内，具有最佳的综合软磁性能：,Ni在81附近，磁致伸缩系数s0Ni在76附近，磁各向异性常数K0,但是，饱和磁通密度较低，Ni又是高价金属材料所以通常采用Ni为4050的坡莫合金通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率可以满足实用要求,坡莫合金的用途,高磁导率的铁芯材料磁屏蔽材料恒磁导率脉冲变压器各种矩磁合金热磁合金,坡莫合金主要用于：,仙台斯特合金,仙台斯特合金是1932年在日本仙台被开发出来的成分为Fe-9.6Si-5.4Al在该成分时，合金的磁致伸缩系数s和磁各向异性常数K1几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。同时，不需要高价的Co和Ni，而且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。,铁氧体软磁材料,软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易获得磁性，也容易失去磁性。软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性，故饱和磁化强度MS较金属低，但比金属软磁的电阻率要高得多，因此具有良好的高频特性。在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。,软磁铁氧体材料,软磁铁氧体材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石型铁氧体以及Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体,在1MHz频率下，锰锌铁氧体应用极广。其磁滞损耗低，在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高，起始磁导率i高，且价格低廉。,在1100MHz范围内，镍锌铁氧体应用最广。因为Ni2+不易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。,由于镍的价格较高，在频率低于30MHz的情况下，可以用价格便宜的镁锌铁氧体来代替，只是性能稍差一些。,软磁铁氧体制备的工艺流程,非晶及纳米晶软磁材料,晶态与非晶的原子排布,晶态与非晶的能垒模型,非晶态材料的特征,作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。,原子排布为长程无序、短程有序；,不存在位错及晶粒边界；,加热具有结晶化倾向；,电阻率比晶态材料高；,机械强度较高且硬度较高；,电阻率高，涡流损耗小。,所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能,典型的非晶态磁性材料,其中T为Fe，Co；R为Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（磁光记录材料）。,3d过渡金属（T）非金属系,其中T为Fe，Co，Ni等；非金属为B，C，Si，P等。例如Co-Fe-B-Si非晶薄带（音频磁头等），Fe-Si（磁芯材料），Fe78Si10B12（高磁致伸缩材料）。,3d过渡金属（T）金属系,其中T为Fe，Co，Ni等；金属为Ti，Zr，Nb，Ta等。例如，Co-Nb-Zr系溅射薄膜，Co-Ta-Zr系溅射薄膜（VTR磁头，薄膜磁头）。,过渡金属（T）稀土类金属（R）系,非晶态材料的制备方法,气相沉积法 利用高沉积速率、低基板温度的气相沉积，通过直接由气体凝结成固体的非平衡急冷过程，制备非晶态薄膜。液相急冷法 通过轧制急冷、甩带急冷、离心急冷及激光照射后冷却等非平衡超急冷过程，从液态制取非晶态。高能粒子注入法 通过射线、离子束等照射，在晶体中导入大量缺陷，或者在气相沉积过程中同时用离子束照射导入缺陷，制取非晶态材料。,制备非晶材料的液相急冷法,非晶软磁材料的应用,铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1/3，在电力工业中应用可以显著地降低损耗，但由于成本较高，目前尚难以大量取代传统的材料,现在在下列方面获得应用：,高功率脉冲变压器,防盗标签,开关电源,纳米晶软磁材料,1988年，Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感应强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且是成本低廉的铁基材料。铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展。目前已经开发或正在开发研究的系统有Fe-Cu-M-Si-B（M为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、Fe-M-C和Fe-M-V（M为Ta等耐热金属）系等纳米晶软磁材料。,纳米晶与铁氧体、非晶性能对比,各类软磁材料性能比较（f=1kHz),晶粒尺寸与矫顽力的关系,Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金晶化过程示意图,衡量永磁体性能的重要指标,提高永磁体性能的途径,金属永磁材料,铁氧体永磁材料,稀土永磁材料,永磁材料,衡量永磁体性能的重要指标,对永磁体的基本要求是：一旦被磁化，其磁化将难以失去。,永磁体通常被作为静磁能源来使用，其储能为：,BH越大，储能U越大，BH最大值用（BH）max表示,由于退磁场的作用，永磁体的工作点移到退磁曲线上，因此永磁体性能的好坏可以用退磁曲线上的物理量来表示：Br，HC，（BH）max,最大磁能积（BH）max,根据可以（BH）max确定永磁体的最佳形状。,0(BH)max,提高永磁体性能的基本途径,为了提高磁能积，必须想办法提高剩磁Br和矫顽力HC,如何提高材料的剩磁Br？,定向结晶,塑性变形,磁场成型,磁场处理,使晶粒长大方向和易磁化轴方向一致,形成择优取向和织构,使易磁化轴沿磁场取向,热处理过程中析出的磁性颗粒沿磁场取向,如何提高材料的矫顽力HC,材料的矫顽力主要是由畴壁的不可逆移动和磁畴的不可逆转动形成的。分别考虑：,磁畴转动,考虑单畴。矫顽力受到磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性 的影响：,对于MS大的材料，最好通过形状各向异性来提高矫顽力，细长比越大越好，以增大,对于具有高K1和S的材料，应该利用磁晶各向异性和应力各向异性来提高矫顽力,畴壁的不可逆位移,钉扎点,磁畴壁,初始消磁状态,畴壁被钉扎状态,畴壁从钉扎点撕脱出,设法在材料中出现有效的钉扎点，形成晶格缺陷，是提高材料矫顽力的有效措施。,金属永磁材料,铝镍钴磁钢,当今金属永磁材料主要有两类：一类是AlNiCo系（铝镍钴磁钢），另一类是Fe-Cr-Co系。,铝镍钴磁钢是金属永磁材料中最主要、应用最广泛的一类，,主要成分为Fe、Ni和Al，再加入Co、Cu或Mo、Ti等元素,铁磁性相1（Fe或FeCo）在非磁性相2中，以单磁畴微粒子的形式析出，产生形状各向异性型高矫顽力,磁性相由Spinodal分解过程产生：,但硬度高，难加工，多以铸造磁钢形式出现,铝镍钴磁体的制备,熔炼、铸锭,固溶化处理,高频感应熔化柱状晶铸锭,均质化处理，10001300，几十分钟,0.1T以上,600，10h，增大1、2间的浓度差,Fe-Cr-Co系永磁合金,Fe-Cr-Co系永磁合金是七十年代发展起来的，主要成分为Fe、Cr和Co，通过改变组分含量、特别是Co含量或添加其它元素如Ti等，可改善其永磁性能,同铝镍钴合金相似，Fe-Cr-Co合金在高温区形成单一的相，然后，通过Spinodal分解形成1和2相，随后的回火过程，加大两相成分差，从而获得高磁性能,其永磁性能类似于中等性能的AlNiCo永磁合金，但它可以进行锻造，轧制，拉拔，冲压等变形加工，还可以进行车削，钻孔，套扣等机械加工，从而制成管材、片材或线材等供特殊应用，这是铸造铝镍钴、永磁铁氧体和稀土永磁合金所不可比拟的。,铁氧体永磁,永磁铁氧体是由铁的氧化物和锶（或钡等）化合物按一定比例混合，经预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结和磨加工而成,其电阻率远高于金属磁性材料，特别适宜在高频和微波波段应用,当前应用的永磁铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体，其化学式为MOxFe2O3，其中MBa，Sr，Ca或Pb等，有时又简称为M型铁氧体。,永磁铁氧体的磁性能较低，但由于原材料丰富、平均售价和性价比 高，抗退磁性优良，工艺简单成熟，不存在氧化问题，所以是应用最广、需求量最大的磁性材料。,永磁铁氧体的制备工艺,造粒,各向异性,各向同性,外磁场,永磁铁氧体的应用,其余（磁辊等）10,电机（小型电动机等）50,电声（扬声器等）20,测量与控制器件（磁控管等）20,随着国内外汽车、家用电器、电动工具、仪器仪表等工业的快速发展，永磁铁氧体的用量还将持续增加,永磁铁氧体的应用领域和用量大致为：,磁控管,电机,磁选机（磁辊）,稀土永磁材料,稀土系永磁材料是稀土元素R（Sm，Nd，Pr等）与过渡金属TM（Co，Fe等）所形成的一类高性能永磁材料。在元素周期表里，稀土元素是15个镧系元素的总称，它们依次是镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。其中，排列次序位于钆之前的7个元素称为轻稀土元素，其它则称为重稀土元素。,元 素 周 期 表Periodic Table of Elements,La,La,Ac,Ac,稀土永磁分类,第三代稀土磁体,(BH)max160kJ/m3,(BH)max200240kJ/m3,(BH)max240460kJ/m3,第二代稀土磁体,第一代稀土磁体,2:17型Sm2TM17磁体,1:5型SmCo5磁体,R2Fe14B型Nd-Fe-B磁体,永磁材料的进化,磁性能的提高有利于器件的“轻、薄、短、小”化,产生相同磁场的不同磁体的体积比较1.C钢，2.W钢，3.Co钢，4.MK钢，5.Ticonal 系列磁体，6.SmCo5，7.(SmPr)Co5，8.Sm2Co17，9.Nd-Fe-B。,1:5型SmCo5永磁体,RCo5合金具有六角结构。它由两种不同的原子层所组成，一层是呈六角形排列的钴原子，另一层由稀土原子和钴原子以1:2的比例排列而成。晶格常数a5.004，c3.971。c轴是易磁化轴。,SmCo5磁性能,SmCo5化合物具有很高的磁晶各向异性常数，K11519103kJ/m3，它的MS0.89A/m，其理论磁能积达244.9kJ/m3。做成磁体以后，SmCo5永磁体的最高磁性能已达到Br1.07T；bHC851.7kA/m；(BH)max227.6kJ/m3。SmCo5的居里温度为740C，它可在50C150C的温度范围内工作，是一种较为理想的永磁体，已在现代科学技术与工业中得到广泛的应用。缺点是含有较多的战略金属钴和储藏较少的稀土金属Sm。原材料价格昂贵，其发展前景受到资源和价格的限制。,2:17型Sm2TM17永磁体,R2Co17合金在高温下是稳定的Th2Ni17型六角结构，在低温下为Th2Zn17型的菱方结构，这是在三个RCo5型晶胞基础上用两个钴原子去取代一个稀土原子，并在基面上经滑移而成的。室温下结构的晶格常数为a8.395，c12.216。,Sm2Co17磁性能,Sm2Co17具有高的内禀饱和磁化强度0MS1.2T，而且是易c轴的，居里温度TC也很高，TC926C，所以是很理想的永磁材料。用Fe部分取代Sm2Co17化合物中的Co，所形成Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0MS可高达1.63T，其理论最大磁能积可高到525.4kJ/m3。虽然Sm2Co17二元化合物是易c轴的，但它的矫顽力还是偏低。,通过掺入其他元素的方法可以得到高性能的永磁材料，得到广泛应用的是Sm-Co-Cu-Fe-M系2:17型永磁体，即第二代稀土永磁。,Nd-Fe-B磁体的相结构,各类Nd-Fe-B磁体的主要成分都是硬磁性的Nd2Fe14B相,以Nd15Fe77B8烧结磁体为例：,Nd2Fe14B（称为T1的铁磁性相）为主相，非磁性Nd1.1Fe4B4相（称为T2相）及富Nd相围在主相的晶粒边界,Nd2Fe14B相结构,Nd2Fe14B相属于四角晶体，空间群P42/mnm，晶格常数a=0.882nm，c=1.224nm，具有单轴各向异性,8j2晶位上的Fe原子处于其它Fe原子组成的六棱锥的顶点，其最近邻Fe原子数最多，对磁性有很大影响,Nd2Fe14B相的内禀磁特性：,Nd2Fe14B相结构决定了其内禀磁特性：,居里温度TC585K；室温各向异性常数K1=4.2MJ/m3，K2=0.7MJ/m3，各向异性场0Ha=6.7T；室温饱和磁极化强度JS=1.61T。,Nd2Fe14B硬磁性晶粒的基本磁畴结构参数为：,畴壁能量密度3.510-2J/m2，畴壁厚度B5nm，单畴粒子临界尺寸为d0.3m,Nd-Fe-B磁体的磁性能,Nd-Fe-B磁体除了Nd2Fe14B硬磁性、富Nd相和富B相外，还有一些Nd氧化物和-Fe、FeB、FeNd等