磁性材料ppt课件.ppt

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1、,磁性材料古老而年轻的功能材料,磁性材料是最早被人类认识和利用的功能材料，伴随了人类 文明的发展。人类对于磁性材料的最初认识源于天然磁石。公元前三世纪管子：“上有慈石者，下有铜金。”吕氏春秋九卷精通篇：“慈招铁，或引之也。”,在西方，据传说，磁性首先是被 一个牧羊人发现的。他注意到他 的木棍的铁端，被一块石头所吸 引。这种石块在小亚细亚(Asia Minor)、马其顿的Magnesia地区 以及爱奥尼亚的Magnesia城都被 发现过。人们相信“Magnetism”一 字就是来源于这些地名。,磁性是自然科学史上最古老的现象之一,磁铁矿(Fe3O4)或磁赤铁矿(-Fe2O3),磁性材料发展简史古

2、老而年轻的功能材料,指南针 1086年 1119年 18世纪 1907年 1928年 1931年 1933年 1935年 1935年,司马迁史记描述黄帝作战用 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘，用于航海的记载W.Gilbert De Magnete磁石，最早的著作奥斯特电流产生磁场法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律构成电磁学的基础,开创现代电气工业 P.Weiss的磁畴和分子场假说海森堡模型，用量子力学解释分子场起源Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 Landau和Lifshitz考虑退磁场

3、,理论上预言了磁畴结构,磁性材料发展简史（续）,4 1946年 Bioembergen发现NMR效应4 1948年 Neel建立亜铁磁理论4 1954-1957年 RKKY相互作用的建立4 1958年 Mssbauer效应的发现4 1960年 非晶态物质的理论预言4 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金4 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现4 1982年 扫描隧道显微镜,Brining和Rohrer,(1986年,AFM)4 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川)4 1986年 高温超导体，Bednortz-muller4 1988年 巨

4、磁电阻GMR的发现(M.N.Baibich)，法国Paris-Sud大 学的Albert Fert以及德国尤里希研究中心的Peter Grnberg获 2007年诺贝尔物理学奖4 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO34 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,指南针的鼻祖司南地磁场是指南的前提战国末年（先秦）韩非子：“先王立司南以端朝夕。”东汉时的王充在他的著作论衡中对司南的形状和用法做了明确的记录。,指南针磁性材料的最早应用,指南针中国古代四大发明之一,指南针磁性材料的最早应用,指南龟,北宋，曾公亮武经总要：“用薄铁 叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼

5、 型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤 鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置 水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。”（利用地磁场人工磁 化）北宋，沈括梦溪笔谈：“方家以磁石摩 针锋，则能指南。”,指南鱼,人工磁化方法的发明，对指南针的应用和发展 起了巨大的作用。,IBM硬盘的发展,关于磁性材料的认识之一磁存储技术,关于磁性材料的认识之一磁力线与磁极,粉纹法演示磁力线分布磁极之间同性相斥、异性相吸 磁铁不论大小，都有唯一的N极和S极。,磁学初步认识：,奥斯特实验：电流与磁 场的相互作用；螺线管与磁体的等效,安培分子电流学说：组成磁铁的每个分子都具有 一个

6、小的分子电流，经过磁 化的磁铁其小分子电流都定 向规则排列。,现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原 子的磁性：,1原子中外层电子的轨道磁矩2电子的自旋磁矩3原子核的核磁矩（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。）原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中 各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩。（洪德法则）磁性是物质的基本属性！,磁学基本概念：,磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单 位是安/米（A/m）。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）。磁化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有 关，其关系为M

7、=H，即为磁化率。磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=0(H+M)，其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，0是一个系数，叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单 位是特（T）。磁导率：磁导率的定义是=B/H，是磁化曲线上任意 一点上B和H的比值。磁导率实际上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。,物质磁性:,物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性，称为物质的磁性。,u为了方便研究物质磁性的起因，我们可以按其在磁场中的 表现把物质进行分类，例如依据磁化率的正负、大小及其与 温度的关系来进行分类，分类是否科学取决于是否反映了内 在磁性机理上的不同。随着研究的深入，分类

8、也在不断完善 和细化，到上个世纪 70 年代为止，在晶状固体里，共发现 了五种主要类型的磁结构物质，它们的形成机理和宏观特征 各不相同，对它们的成功解释形成了今天的磁性物理学核心 内容。u上世纪 70 年代以后，随着非晶材料和纳米材料的兴起，又发现了一些新的磁性类型，对它们的研究尚在深化之中，课程只做初步介绍。,一.物质磁性的分类,根据物质的磁化率，可以把物质的磁性分为五类：,1、抗磁性，为甚小的负数（大约在-10-6量级），在磁 场中受微弱的斥力，如金、银。2、顺磁性，为正数（大约在10-310-6量级）在磁场中 受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢。3、铁磁性，为很大的正数，在较弱磁场作用

9、下可以产 生很大的磁化强度，如铁、钴、镍。4、亚铁磁性，处于铁磁体与顺磁体之间，即通常所说 的磁铁矿、铁氧体等。5、反铁磁性，为小正数，高于某一温度时其行为与顺 磁体相似，低于某一温度磁化率与磁场的取向有关。,u这是19世纪后半叶就已经发现并研究的一类弱磁性。它的最基 本特征是磁化率为负值且绝对值很小，显示抗磁性的物质在外 磁场中产生的磁化强度和磁场反向，在不均匀的磁场中被推向 磁场减小的方向，所以又称逆磁性。典型抗磁性物质的磁化率 是常数，不随温度、磁场而变化。有少数的反常。u深入研究发现，典型抗磁性是轨道电子在外磁场中受到电磁作 用而产生的，因而所有物质都具有的一定的抗磁性，但只是在 构成

10、原子（离子）或分子的磁距为零，不存在其它磁性的物质 中，才会在外磁场中显示出这种抗磁性。在外场中显示抗磁性 的物质称作抗磁性物质。除了轨道电子的抗磁性外，传导电子 也具有一定的抗磁性，并造成反常。,c 0,c 1,1.抗磁性（Diamagnetism),自然界中很多物质都是抗磁性物质：周期表中三分之一的,元素、绝大多数的有机材料和生物材料都是抗磁性物质。包括：稀有气体：He,Ne,Ar,Kr,Xe多数非金属和少数金属：Si,Ge,S,P,Cu,Ag,Au 不含过渡族元素的离子晶体：NaCl,KBr 不含过渡族元素的共价键化合物：H2,CO2,CH4等 几乎所有的有机化合物和生物组织：水；反常抗

11、磁性物质：Bi,Ga,Zn,Pb,磁化率与磁场、温度有关。广义地说，超导体也是一种抗磁性物质，c=-1，它的机理完 全不同，不在我们讨论之内。,-1.9-7.2-19.4,-28.0,-43,CGS单位制克分子磁化率,Kittel 书数据（2002）它们的电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。在CGS单位制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3mol-1。统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。换成 SI 单位制下应乘以4，量级在10-5。,n0.20541.5120.181.7739.953.0983.803.78131.3,0.0970.430.851.031.24,c,体积磁化率10-

12、6,见冯索夫斯基现代磁学(1953)p74,一些抗磁性金属在20时的克分子磁化率（CGS单位）：,(10-6),(10-6),这是19世纪后半叶就已经发现并研究的另一类弱磁性。它的最 基本特征是磁化率为正值且数值很小。1 c 0 顺磁性物质的磁化率是温度的函数，一部分服从居里定律，更多的服从居里-外斯（Curie-Weiss)定律。,c=CT,c=C 或：c=C T-TpT+Tp,C 称作居里常数，Tp 称作居里顺磁温度,服从居里-外斯定律的物质都是在某一个温度之上才显示顺磁 性，这个温度之下，表现为其它性质。典型顺磁性物质的基本特点是含有具有未满壳层的原子（或离子），具有一定的磁矩，是无规分

13、布的原子磁矩在外磁 场中的取向产生了顺磁性。此外，传导电子也具有一定的顺磁 性。,2.顺磁性（Paramagnetism）,顺磁性物质也很多，常见的顺磁性物质：过渡族元素、稀土元素和锕系元素金属：Mn,Cr,W,La,Nd,Pt,Pa 含有以上元素的化合物：MnSO4,FeCl3,FeSO4,Gd2O3,碱金属和碱土金属：Li,Na,K,Ru,Cs,Mg,Ca,Sr,Ba包含有奇数个电子的原子或分子：HCl,NO,有机化合物中的自由基 少数含有偶数个电子的化合物：O2,有机物中的双自由基等,这是人类最早发现并利用的强磁性，它的主要特征是：,1.磁化率数值很大。,2.磁化率数值是温度和磁场的函数

14、；3.存在磁性转变的特征温度居里温度，温度低于居里温 度时呈铁磁性，高于居里温度时表现为顺磁性，其磁化率,温度关系服从居里-外斯定律。4.在居里温度附近出现比热等性质的反常。,5.磁化强度M和磁场H之间不是单值函数，存在磁滞效应。构成这类物质的原子也有一定的磁矩，但宏观表现却完全不同于顺磁性，解释铁磁性的成因已成为对人类智力的最 大挑战，虽然经过近100年的努力已经有了比较成功的理 论，但仍有很多问题有待后人去解决。,c 0,T-Tp,C,c=,c 100:105,3.铁磁性（Ferromagnetism),表现为铁磁性的元素物质只有以下几种：,一些过渡族元素和稀土元素金属：,室温以上，只有4

15、种元素是铁磁性的。但以上面元素为主构成的铁磁性合金和化合物是很多的，它们构成了磁性材料的主体，在技术上有着重要作用，例如：Fe-Ni,Fe-Si,Fe-Co,AlNiCo,CrO2,EuO,GdCl3,Nd-Fe-B,见Kittel 固体物理学8版p227，姜书p52也有此数据，稍有差别。,1938年发现，1949年被中子实验证实的，它的基本特征是存在 一个磁性转变温度，在此点磁化率温度关系出现峰值。,4.反反铁磁性是1936年首先由法国科学家Neel从理论上预言、,（antuferromagnetism),文献中也绘成磁化率倒数和温度关系的：（见应用磁学P9）1c,T(K),铁磁性,TC,低

16、温下表现为反铁磁性的物质，超过磁性转变温度（一般称作Neel温度）后变为顺磁性的，其磁化率温度,关系服从居里-外斯定律注意与铁磁性的区别！,：,c=,T+Tp,C,磁化率表现复杂,Tp,Tp TC,反铁磁物质主要是一些过渡族元素的氧化物、卤化物、硫化物，如：FeO,MnO,NiO,CoO,Cr2O3 FeCl2,FeF2,MnF2,FeS,MnS,右图是1938 年测到的MnO 磁化率温度曲线，它是被 发现的第一个反铁磁物 质，转变温度 122K。,该表取自Kittel 书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的转变温度一般都很低，只能在低温下才观察到反铁磁性。,人类最早发现和利用的强磁性

17、物质天然磁石Fe3O4就是 亚铁磁性物质，上世纪3040年代开始在此基础上人工合成 了一些具有亚铁磁性的氧化物，但其宏观磁性质和铁磁物质 相似，很长时间以来，人们并未意识到它的特殊性，1948 年 Neel在反铁磁理论的基础上创建了亚铁磁性理论后，人 们才认识到这类物质的特殊性，在磁结构的本质上它和反铁 磁物质相似，但宏观表现上却更接近于铁磁物质。对这类材 料的研究和利用克服了金属铁磁材料电阻率低的缺点，极大 地推动了磁性材料在高频和微波领域中的应用，成为今日磁 性材料用于信息技术的主体。,5.亚铁磁性（ferrimagnetism),铁磁性和亚铁磁性宏观上的区别：磁化率倒数和温度关系,饱和磁

18、化强度温度关系,亚铁磁物质的磁化率和磁化强度一般比铁磁物质低，但 其电阻率一般要高的多。,亚铁磁物质主要是一些人工合成的含过渡族元素和稀土元素 的某些特定结构的氧化物，例如：,尖晶石结构：Fe3O4,MnFe2O4,CoFe2O4 石榴石结构：A3Fe5O12,(A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)磁铅石结构：BaFe12O19,PbFe12O19,SrFe12O19,钙钛矿结构：LaFeO3,以上五种磁性类型的原子磁矩分布特点可以用下图来表示。,1.把晶体中的磁性归为五类并分析出它们的起因是人类对,物质磁性认识的一次飞跃，1950年前后出版了第一批以解释五 种磁性起因为主的现代磁学理

19、论专著，标志着磁学成为一个独 立完整的学科。它极大地推动了20世纪后半叶磁性材料的基础 研究和开发利用。50年后的今天，我们不但对上述五种磁性有 了更深入的认识，而且发现了一些新的磁结构。2.严格说来上面的分类是针对物质磁性质进行的，同一物 质在不同的温度区域可以呈现出不同的磁类型，而且与其晶体 结构有密切关系：例如室温附近的金属铁为铁磁性，超过居里 温度（1040K）后变为顺磁性，它受到高于1.51010Pa的高压 时，其结构从bcc变为hcp，磁性变为非铁磁性。我们只可以说 常温常压下铁是铁磁性物质。,小结,上面几种磁有序结构，都是共线的，或平行，或反平行。20世纪70年代后，主要在稀土金

20、属和合 金里发现了一些非共线结构，在微粉和纳米磁性材 料里，在非晶材料里，也都发现了一些新的结构类 型，它们极大地丰富了我们对物质磁性的认识。,20世纪70年代后，随着稀土元素的研究和观测技术的提 高，人们又在晶状材料中发现了很多非共线的磁结构，即在 这些材料的不同原子层中的原子磁矩或在原子层平面内、或 在与原子平面成一定角度的锥面内，以一定的旋转角度做螺 旋式排列（见下页图）产生平面螺旋磁性或锥面螺旋磁性，通称螺旋型磁结构。虽然在磁性结构上，它和铁磁性、反铁 磁性有所不同，但其宏观表现上是相似的。例如：Gd：T 221K,是平面型简单铁磁性。221K T 228K，是平面型螺旋反铁磁性。,6

21、.螺旋型磁结构,姜书p115,是在微粉和纳米磁性材料中发现的一类现象，当铁磁颗粒减小到临界尺寸以下(110 nm)，微粒的 各向异性能远小于热运动能量，微粒的磁化矢量不 再有确定的方向时，铁磁粒子的行为类似于顺磁性 一样。这些磁性颗粒系统的总磁性叫做超顺磁性。普通顺磁性是具有固有磁矩的原子或分子在外磁场 中的取向，而超顺磁性是均匀磁化的单畴粒子的原 本无序取向的磁化矢量在外磁场中的取向。每个单畴粒子包含较大数目的原子所以有大得多的磁矩。,7.超顺磁性（Superparamagnetism）,8.散磁性这是在某些非晶材料中发现的一种磁结构，由 于非晶材料中原子磁矩间的间距有一定分布，从而 使得原

22、子磁矩不再有一致的排列，而是有了一定的 分散排列，这种虽然分散但仍有序的磁矩排列称作 散磁性，按其基本趋向又可以细分为散铁磁性、散 反铁磁性和散亚铁磁性。,姜书p117,在抗磁性基体中掺入磁性原子，随浓度的逐渐增加,会出现各种磁性現象：近藤效应自旋玻璃态混磁性不均匀铁磁性,9.其它,李国栋书p17,物质磁性分类是一个复杂问题，存在着不同观点。,这是一种弱磁场中 显示顺磁性，超过某一 磁场值后，显示铁磁性 的材料。,见应用磁学P9,亚铁磁性,各种磁性的磁化曲线特征,Kittel固体物理导论一书对磁有序结构的描述：见2005年版,铁磁物质和亚铁磁物 质在磁场中表现出强烈的 磁性，它们的磁化率约为

23、1105，在技术上有着重大 应用，我们通称为强磁性 材料。它们在磁场中的行 为（技术磁化过程）也是 磁性物理研究的重要内容,。,二.强磁材料的宏观,磁性质,不同的回线形状反映了不同 的磁性质，有着不同的应用。,亚铁磁体有丰富的温度依赖关系,自发磁化：如前所述某些原子的核外电子的自旋磁矩不能抵 消，从而产生剩余的磁矩。但是，如果每个原子的磁矩仍然混,乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩 沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物 体对外显示磁性，成为磁性材料。这种原子磁矩的整齐排列现 象，就称为自发磁化。磁畴：磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大 量原子，

24、这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但 相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如下图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不 相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它 也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下 并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外 显示出磁性。,顺磁与铁磁能带示意图,泡利顺磁性的量子力学能带图说明,铁磁性的量子力学能带图,物质强磁性来源与特征,现代物理科学告诉我们：物质磁性主要源自电子，磁性是物 质的基本属性！强磁性决定于电子间正的量子力学交换积分常数。正是海森堡揭示的

25、这一铁磁性起源使得物质存在着磁有序结构、即自发磁化，表现为存在磁畴。,软磁条形畴,薄膜迷宫畴,树枝状畴,磁畴示意图,物质强磁性来源与特征,自发磁化的强磁材料，在磁畴内 部磁化方向一致，磁畴之间磁化 方向不一致，宏观上表现为没有 磁性。,在外场作用下磁化时，磁畴中磁 化方向转动或者磁畴交界的畴壁 发生移动，产生宏观磁化。,磁畴壁示意图,物质强磁性来源与特征,磁滞回线,居里温度,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

26、化，物体变成铁磁性的。应用举例：（电饭煲的控制）,电饭锅控温利用居里温度,电饭锅的工作原理：内锅放到发热板上，底部与发热板中心限温软磁铁（铁氧体）相贴合。按下琴键开关，软磁铁下方的永久磁铁上升至与软磁铁接触；此时锅尚 未升温，软磁铁处于居里温度以下，被永久磁铁磁化，并将永久磁铁吸持在高点 位置，带动内部杠杆，将电路上、下触点接通，通电加热锅内食物。当内锅底温度达到1032（软磁铁的居里温度）时，软磁铁失去磁性，永磁铁 在重力及内部弹簧的共同作用下落下，并带动杠杆机构使电路上、下触点脱离，电路断开，达到限温目的。,磁性材料的基本分类：软磁和硬磁软磁材料：易磁化又易退 磁，交变场下磁损耗小，是电工

27、和电子技术的基础 材料，用于电机、变压器、继电器、电感、互感等。硬磁材料：难磁化又难退 磁，用作产生磁场，又称 永磁材料。,强磁材料的应用,H,H,软磁材料：高磁导率，低矫顽力，易磁化又易退磁的材料，交变场下磁损 耗小，是电工和电子技术的基础材料，用于电机，变压器，继电器，电 感，互感等。永磁（硬磁）材料：高矫顽力、高剩余磁化强度的材料，用作产生磁场。综合指标是磁能积。磁记录材料：包括磁记录介质材料和磁读出头及写入头。磁随机存储器（MRAM)等。旋磁材料：利用旋磁性的材料。特殊磁性材料：利用磁致伸缩，磁光、磁卡等效应的材料，磁性液体等。B,B,B,H,软磁,永磁,矩磁,（1）单质：室温下只有F

28、e,Co,Ni,Gd四种金属（2）合金：以铁族元素为基的合金：Fe-Ni;Fe-Co;Fe-Si;以非铁磁性元素构成的铁磁合金：MnBi;ZrZn2;郝斯勒合金Mn-Cu-M(=Sn,Al,Ge,Zn,（3）非金属化合物：铁氧体：含铁及其它过渡族元素的氧化物。其它：如：EuO,CrO2,钙钛矿型化合物RMnO3（4）非晶铁磁合金,强磁材料按组成与结构的分类,产业化的各类磁性材料,软磁材料:Hc 100 A/m,主要是指那些容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退 磁的磁性材料。特点：高磁导率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并 随外磁场的增强很快达到饱和。低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立

29、即基本消失。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。,常见的软磁材料：,铁、坡莫合金、电工钢和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等铁氧体都是软磁材料。按用途分类具体包括：铁芯材料：工业纯铁、电工硅钢片、铁钴合金、坡莫合金、高导磁合 金（主要是高镍含量的铁镍合金）、恒导磁率合金（含Ni557

30、5%的 铁镍合金）、中磁饱和中磁导率合金（低镍和中镍的铁镍合金）；磁记录介质材料：-Fe2O3、Co-Fe2O3、CrO2、Fe60Co40粉末、Co-Ni-P连续膜；磁记录磁头材料：高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、FeSiAl合金和 高导磁铁氧体(Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体)；超声波发声器用磁致伸缩材料：纯镍(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合 金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%；磁屏蔽材料：纯铁、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶态合金；非晶态、微晶与纳米晶软磁合金：后详述。,软磁铁氧体,电工钢,还原铁粉、羰基铁粉、FeSiAl粉等 软磁金属粉 料非晶纳米晶软磁

31、薄带,磁粉,新型软磁材料非晶纳米晶合金软磁与晶态相比，具有高强度、高耐腐蚀性与高电阻率、高磁导率、低损耗的特性。三大类：（1）过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁 基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（2）稀土过渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe等；（3）过渡金属过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr等。,1988年由非晶态FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制 晶粒成为新型的纳米晶软磁材料,将非晶材料在晶化温度之上进行 退火处理，可以转变为晶态，如 在FeSiB非晶合金组成中再添加Cu、Nb等元素，以细化晶粒并限制退 火过程中晶粒的生长，就可以获得纳米晶磁性材料。,软磁材料应用图

32、书防盗磁条,将磁条贴在图书中或超市货 品上，通过门禁处交变磁场 检测磁条的磁性变化来区分 被保护对象是否带有磁条，来达到防盗的目的。磁条由软磁材料制作，通常 为钴基非晶合金、铁基纳米 晶合金或坡莫合金（铁镍合 金）。防盗磁条技术的运用大大降 低了开架售货领域如图书馆、超市、药店等的运营成本。,电力变压器核心在于 铁芯和线圈。铁芯处 于交变电磁场中，要 求在工作频率下对外 磁场变化足够灵敏。,软磁材料的应用电力变压器,软磁材料的应用电子电路元器件,常见开关电源电路中多处应用了软磁器件！,软磁材料的应用电子电路元器件,变压器,贴片变压器,电感,滤波器,环形电感滤波器,谐波电流抑制器,软磁材料的应用

33、电机铁芯,电机铁芯通常由叠层软磁硅钢片 或者铁镍合金冲压而成。,硬磁材料：Hc 1000 A/m,硬磁材料是指那些难以磁化，且除去外场以后，仍能保留 高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材料。（磁铁）种类：铝镍钴系硬磁合金 硬磁铁氧体材料、稀土硬 磁材料等几个系列。用途：1、硬磁材料主要 用来储藏和供给磁能，作 为磁场源。2、硬磁材料在 电子工业中广泛用于各种 电声器件、在微波技术的 磁控管中亦有应用。,、,目前产业化的主要永磁材料AlNiCo系永磁合金,AlNiCo系永磁合金：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。生产工艺包括：铸造磁钢 与

34、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。,左上：铸造铝 镍钴合金；左下：各类异 形件右下：烧结铝 镍钴合金,铸造铝镍钴系合金的磁性,目前产业化的主要永磁材料永磁铁氧体钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体(SrO6Fe2O3)。晶体结构均属六角晶系。具有高的磁晶各向异性常数、高矫顽力 和低剩磁，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。,钡铁氧体的微波应用：1、器件；2、隐身涂层。,目

35、前产业化的主要永磁材料铁铬钴系合金以铁、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；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。,铁铬钴合金各 种加工形式，包 括丝材。,目前产业化的主要永磁材料钐钴系合金SmCo系合金（SmCo5,Sm2Co17)：耐高温稀土 永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世纪60年 代；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世纪70年,代。Sm2Co17的工作温度可达3,50其oC缺。点是含有较多 的金属钴(w

36、(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。主要应用于高端领 域。,第三代稀土永磁体；其价格只相当于钐钴合金的50%左右；分烧结钕铁硼和粘接钕铁硼；优点：最大磁能积和最大矫顽力；缺点：剩磁温度系数较高。,目前产业化的主要永磁材料钕铁硼,中国稀土资源丰富？占世界比例？2012年6月20日，发布中国的稀土状 况与政策白皮书，指出中国以23%的 全球储量提供了全球90%以上的稀土出 口供应。价格严重背离价值，资源的稀 缺性没有得到合理体现。稀土永磁是我国稀土资源利用最主要、最重要的方式。,永磁材料的应用永磁电机,永磁步进电机在各种应用中，永磁材料主要用来

37、提供恒定磁场。,永磁电机/发电机永磁材料大发展,变频家用电器,硬盘驱动器音圈 电机（VCM）,兆瓦级永磁直驱（半直驱）风力发电机,混合动力汽车,现代汽车需要使用几十个小型永磁电动机和其它磁 控机械元件。EPS将成为高性能永磁体的主要应用,领域之一。,The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today.,永磁材料应用举例,永磁磁选 设备,扬声器：电声换能,永磁式核磁共振谱仪（MRI）,磁记录技术GMR读出磁头,GMR读出磁头和结构示意图,磁记录技术GMR读

38、出磁头,磁性金属和合金一般都具有磁电阻的现象。磁电阻是指在一 定磁场下电阻改变的现象。巨磁电阻（GMR）是指 在一定的磁场下电阻急剧 减小，且一般减小的幅度 比通常的磁性金属及合金 材料的磁电阻值要高十多 倍以上。,磁记录技术GMR读出磁头,艾尔伯-费尔和皮特-克鲁伯格1988年各自独立发现 了一种全新的物理效应巨磁电阻效应，即一个 微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的 电阻变化。（2007年诺贝尔物理学奖）1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功，很快成为标准技术，沿用至今。,艾尔伯-费尔（法）,皮特-克鲁伯格（德）,磁记录技术GMR读出磁头,美国前总统克林顿2000年7月向国

39、会提交 的美国国家纳米技术启动计划(national nanotechnology initiative)中，电脑硬盘 磁头的巨磁电阻读传感器(GMR read sensor)已被作为纳米科技在信息存储技 术中的第一个应用实例而提出。,各类新型磁性材料（纳米磁性）,1959年，著名的诺贝尔奖得主费曼（Richard Feynman）就设想：“如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和 分子，那会产生什么样的奇迹！”，“毫无疑问，如果我们对 细微尺度的事物加以控制的话，将大大扩充我们可以获得物 性的范围”，他首次提出了“纳米”材料的概念。今天，纳米 科技的发展使费曼的预言已逐步成为现实。纳米材料

40、的奇特 物性正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响。1962年，久保提出超微颗粒的量子限域理论，推动了实验 物理学家对纳米微粒进行探索。1984年，德国的H.Gleiter教授等合成了纳米晶体Pd,Fe等。1987年，美国阿贡国立实验室Siegel博士制备出纳米TiO2 多晶陶瓷，呈现良好的韧性，在100多度高温弯曲仍不裂。这一突破性进展造成第一次世界性纳米热潮，使其成为材料 科学的一个分支。,准零维磁性纳米粒子早在上世纪50年代就已应用,1.用于磁畴观察的粉纹技术：将足够细的铁磁粉末的胶状悬 浮液涂在样品表面上，由于畴壁处的散磁场将磁性粉末集 中于此，描绘出表面的磁畴结构或表面畴壁的轨迹。

41、2.用于制备单畴永磁粉材料，因为单畴粒子反磁化过程是磁 畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高很多。3.用于磁密封的磁性液体，即60年代用宇航服头盔的磁密封。这里用到了纳米粒子的超顺磁性。,磁性液体,1963年，美国国家航空与航天局的SPapell采用油酸为 表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约 为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的 胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所 包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取 名为磁性液体。生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的

42、热运 动。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm；对金属 微颗粒，通常小于6nm。为了防止颗粒聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的 表面必须化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂)，高分子的链要足够地长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引 力，此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应 和基液亲和。,磁性液体的应用密封,磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因 此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液 体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等 特点。,许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌,，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等,代表磁性颗粒。,对地磁

43、场的准确定位？,1975年即发现向磁性细菌-体内 有一排磁性纳米粒子 磁性纳米粒子导航作用的物理原理和生物过程？人类大脑中平 均含有20微克（约500万粒）,的磁性纳米粒 蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G,子与进 化，成长，某些脑功能 的关系？,自然界的纳米磁性,磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱June23,2004,磁（熵变）制冷技术,各种磁效应示意图,其他磁效应相关技术,磁致伸缩材料NiMnGa、Terfenol-D等磁光效应材料Tb-Fe等磁电（多铁）效应,结束语人类对材料磁性的认识和对磁性材料的应用 历史悠久。第二次工业革命以来，随着电磁学的发展，磁性材料在电力和电子领域得到了广泛的应 用，也成为了信息存储技术的重要基石。磁性材料既古老又年轻，是新材料技术领域 的重要分支。,