金属功能材料-5-磁性材料.ppt

第五节 磁性材料,电子绕原子核运动示意图,H,一、简介,磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的，由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生磁性。即：磁性本质是带电粒子具有各向异性的运动的过程中造成的周围物质场和力场产生不均匀性，从而对其它物质产生作用的结果。磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动，物质的磁性就是由电子的这些运动产生的。一切物质都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。磁性材料具有能量转换、存储、改变能量状态的功能，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，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。,物质的磁性：,按磁化率大小分类:1、抗 磁 性 抗磁性材料2、顺 磁 性 顺磁性材料3、铁 磁 性 铁磁性材料4、反铁磁性 反铁磁性材料5、亚铁磁性 亚铁磁性材料,五种磁化曲线,铁磁性物质 具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。,磁矩的排列与磁性的关系,磁性的起源,亚铁磁性物质,磁矩的排列与磁性的关系,如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。,顺磁性物质 存在未成对电子 永久磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性金属Fe，Co，Ni等。居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度(Tc)。,磁矩的排列与磁性的关系,反磁性物质 不存在未成对电子 没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。,磁矩的排列与磁性的关系,反铁磁性物质 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。,磁矩的排列与磁性的关系,1.基本概念,“磁”来源于电。一个环形电流在其运动中心产生的磁矩P，见（1）式（1）式（1）中I为电流强度，s为环形回路所包围的面积。原子内的电子做循轨运动和自旋运动，这必然产生磁矩，产生的磁矩分别称为轨道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核虽然也产生磁矩，但它的值比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。因此，原子磁矩的产生是电子的循轨运动、电子自旋这二者组合的结果。,（1）磁场强度（H）：空间某处磁场的大小，单位：安/米；（2）磁化强度（M）：宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩，单位：安/米。物质的磁性来源于内部的磁矩，只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。M=原子/V（3）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总和，称为磁感应强度，又称为磁通密度，单位：特斯拉（T）。（2）式（2）中0是一个系数，叫做真空磁导率。,（4）磁导率（）：是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度；（3）,任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场M。,（5）磁化率（）：磁化强度与磁场强度的比值。（4）,（6）磁滞回线,在外加磁场的作用下磁体会被磁化，磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线性的，当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为矫顽磁力 Hc；Br称为剩余磁感应强度，Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）。,磁性物质的磁滞曲线图,2.磁性材料的分类,根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：,(1)软磁材料矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心),(2)硬磁材料矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),按材料的化学组成：金属磁性材料，非金属(陶瓷铁氧体)磁性材料。按使用形态分：块体磁性材料，粉末磁性材料，薄膜型磁性材料。按功能分：软磁性材料，硬磁性材料，半硬磁性材料；矩磁材料，旋磁材料，压磁材料，磁记录材料；泡磁材料，磁光材料,磁性合金,磁性材料是指利用其较强的磁性在一定空间中建立磁场或改变磁场分布状态的一类功能材料。磁性材料有金属磁性材料和铁氧体陶瓷材料两类，金属磁性材料以合金为主，一般称为磁性合金。,磁性合金的表现,磁性合金在外加磁场中，可表现出三种情况：（1）不被磁场吸引的，叫反磁性材料；（2）微弱地被磁场所吸引的物质，叫顺磁性材料；（3）被磁场强烈地吸引的物质，称铁磁性材料，其磁性随外磁场的加强而急剧增高，并在外磁场移走后，仍能保留磁性。金属材料中，大多数过渡金属具有顺磁性；只有Fe、Co、Ni等少数金属是铁磁性的。,产生磁性的原因,物质的磁性与其内部电子结构有关。反磁性金属的原子中电子都已成对，正、反自旋的电子数目相等，由电子自旋而产生的磁矩互相抵消，因此原子磁矩为零，故不为外磁场所吸引。顺磁性金属原子中，正反自旋的电子数目不等，原子的磁矩不为零。由于无规则的热运动，原子磁矩的方向各异。放入磁场时，原子磁矩沿磁场方向取向而略有偏转，表现出微弱的磁化，除去外磁场，原子磁矩又混乱分布，磁化消失。,二、软磁材料,1.定义：指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。,2.软磁材料的特性高的磁导率和高的磁感应强度；矫顽力低和磁滞损耗低;（矫顽力一般小于100A/m），磁滞回线呈细长条形。电阻率较高，反复磁化和退磁时产生的涡流损耗小。一般都加工成板材和带材。熔融法制备。,软磁材料磁滞回线,3.典型软磁材料及其应用,常用的软磁材料有：电工纯铁、硅钢片、铁铝合金、镍铁合金、铁氧体软磁材料等。软磁材料适用于交变磁场。,（1）电工用纯铁,电工用纯铁是一种含碳量低，wFe99.95的软钢。工业纯铁在退火状态，起始磁导率为300-5000，最大磁导率为600-1200 0，矫顽力为。电工用纯铁具有高的饱和磁感应强度、高的磁导率、较小的矫顽力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺点是电阻小，铁损大，只适用于直流情况。主要用于制造电磁铁的铁心和磁极，继电器的磁路和各种零件，电话中的振动膜等。,（2）硅铁合金（电工硅钢片）,在电工用纯铁中加入0.54.5的硅，使之形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损耗。纯铁中加入硅后，材料的物理性能发生如下变化：热导率 铁的热导率在加入硅后剧烈的降低。电阻率 随着硅含量的增加到5，硅铁合金的电阻率急剧上升。当wSi=0.255，电阻率与含硅量的关系如下：13.25+11.30wSi相对密度d 随着含硅量的增加，比重几乎是直线的降低。d7.8740-0.062wSi硅铁合金属于高饱和材料，主要用于各种形式的发电机、电动机和变压器中。wSi3的Si-Fe合金片由于其饱和磁通密度高，是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。,电工硅钢片的应用和磁性能,（3）镍铁合金,镍铁合金主要是含镍量为34-80的Fi-Ni合金，通常称坡莫合金。镍铁合金有很高的起始磁导率和最大磁导率。镍铁合金广泛应用在电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域中。,铁氧体：是铁和其他金属的复合氧化物，MO-Fe2O3 M代表一价、二价金属。铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低。软磁铁氧体要求起始磁化率高，磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小。软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱电技术中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头等。,（4）软磁铁氧体,三、硬磁材料,硬磁材料是具有很强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性铁氧体材料，又称永磁材料或恒磁材料。硬磁材料一旦经外加磁场饱和强化后，如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙便可产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。硬磁材料的磁滞回线又宽又高，有较大的矫顽力，为104106A/m。硬磁材料抗干扰性好，对温度、振动、时间、辐射及其它因素的干扰不敏感。典型的硬磁材料主要包括铝镍钴系永磁、铁氧体永磁和稀土系永磁。,工艺特点,硬磁合金采用通常的冶金和加工方法制造。Alnico合金采用定向或非定向结晶方法铸造成型，随后进行合适的热处理。可用粉末烧结方法制造，但性能略差。稀土硬磁合金主要以粉末烧结方法制造。与Alnico合金类似，稀土硬磁合金质脆而硬，不能切削，常采用切割和磨削加工。单畴伸长微粒磁体的制造需经电沉积加入汞等一系列过程，工艺繁复。,1.铝镍钴系永磁材料,铝镍钴系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co组成，有良好的磁特性和热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适中，但硬而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。,2.硬磁铁氧体,主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3；另一类是BaO-xFe2O3。,硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。,硬磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。,3.稀土硬磁材料,稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。其中最著名的是钕铁硼永磁合金，号称磁王，具有其它永磁材料所不及的高矫顽力和最大磁能积，而且体积小、重量轻、效率高、成本较低。它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍。如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料100t，而改用钕铁硼永磁后，仅需10t。,4.其他永磁材料,微晶永磁体。其基本原理是在冷却过程中出现部分晶粒来不及成长就被凝固在金属液体中，或者把制成的非晶态通过控制晶化使之出现新平衡相实现磁硬化。这样获得的永磁薄带，不仅机械性能好，而且热处理后可得到良好的磁性能；纳米晶稀土永磁体。即晶粒呈纳米量级，常泛指1100nm范围，纳米级粉料的矫顽力比通常粉末冶金粉料高68倍，而且又有较好的热稳定性和耐腐蚀性。,不同永磁材料的主要用途,四、压磁材料（磁致伸缩材料）,在磁化时,长度会发生伸长或缩短变化的材料称为压磁材料。这种材料具有电磁能与机械能或声能的相互转换功能，是重要的磁功能材料之一。传统磁致伸缩材料：Fe，Co，Ni基合金及铁氧体、稀土磁致伸缩材料REFe2。压磁材料的应用制作超声发声器、接受器、超声探伤器、超声钻头、超声焊接器、滤波器、稳频器、谐波发声器、振荡器、微波检波器以及声纳、回声探测仪等。,磁致伸缩效应：磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象。,为磁致伸缩系数常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-810-6。,磁致收缩的各种变形模式,矩磁材料磁滞回线,五、矩磁材料,磁滞回线近似矩形的磁性材料，结晶各向异性，应力各向异性。,常用的矩磁材料 在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65+125较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。,矩磁材料的应用 矩磁材料的剩余磁感应强度Br接近于饱和值Bm，矫顽力不大。若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和-Bm 两种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，所以采用这种材料的两种剩磁状态起到记忆作用。矩磁材料适于做信息存储元件的磁性开关。,能使作用于它的电磁波发生一定角度偏转的材料称为旋磁材料。旋磁材料基本上是铁氧体磁性材料，一般叫微波铁氧体材料。Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr铁氧体，Li-Al，Li-Mg铁氧体等。,六、旋磁材料,旋磁材料的应用用于与输送微波的波导管或传输线等组成的各种微波器件，主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备。,七、磁记录材料,磁记录发展至今，已有百年的历史、它广泛应用于录音、录像技术；计算机中的数据存贮、处理、科学研究的各个领域；军事及日常生活中。,1.磁头材料 磁头的基本结构如右图所示，由带缝隙的铁芯、线圈、屏蔽壳等部分组成。,对磁头材料的基本性能要求：高的磁导率；高的饱和磁感应强度Bs；低的剩余磁感应强度Br和Hc；高的电阻率和耐磨性。目前，磁头铁芯材料主要有合金材料、铁氧体材料、非晶态合金材料、薄膜材料等几类。,2.磁记录介质材料,随着记录密度迅速提高，对制做记录介质的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：(1)剩余磁感应强度Br高；(2)矫顽力Hc适当的高；(3)磁滞回线接近矩形，Hc 附近的磁导率尽量高；(4)磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄；(5)磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态；(6)磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；(7)基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；(8)磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团。目前使用的磁记录介质有磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片等。从结构上看又可分为磁粉涂布型介质和连续薄膜型介质两大类。,*,a）颗粒（磁粉）涂布型介质：有利于水平记录模式，这类磁记录介质是将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜（涤纶）基体上制成，磁粉主要有-Fe2O3磁粉、包钴的-Fe2O3磁粉、CrO2磁粉、钡铁氧体磁粉、金属磁粉等。b）连续薄膜型磁记录介质：有利于垂直记录模式，连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，所以剩余磁感应强度及矫顽力比颗粒涂布型介质高很多，是磁记录介质发展的重要方向。制备连续薄膜型磁记录介质的方法有两种：湿法（化学法，如电镀及化学镀）和干法（物理法，如溅射、真空蒸镀及离子喷镀等）。,