第3章功能金属材料磁性材料

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1、磁性材料,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，,第三章 磁性材料,第一节 材料的磁性,第二节 软磁材料及其

2、应用,基本要求,第三节 硬磁材料及其应用,第四节 磁记录材料及其应用,主要内容,理解磁性的起因及其参量 理解磁性的分类及铁磁物质的特性 掌握软磁材料、硬磁材料磁记录材料的特点及其应用。,第一节 材料的磁性,磁性材料,一、磁性的产生及磁学基本参量,物质磁性的本质：原子的磁矩,原子的磁矩,原子核磁矩：约为电子磁矩1/2000,电子磁矩,轨道磁矩,自旋磁矩,磁介质：在磁场作用下能磁化的物质。,1、磁化强度 M 单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁化强度：衡量物质有无磁性或磁性大小的物理量，定义为物质单位体积中的磁矩大小。,2、磁场强度 H 单位：A/

3、m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁场强度：是指外界磁场的大小，也是一个矢量。单位同磁化强度M 。磁场强度H一般是由导体中的电流或者永磁体产生的。,3、磁化率 M/H,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁化强度M与磁场强度H的比值称为磁化率：即 M/H,表征物质磁性的大小,4、磁感应强度 B 单位：特斯拉（T）或韦/米2 (Wb/m2),B = 0 (H+M),第一节 材料的磁性,磁性材料,0是真空磁导率， 0 =410-7H/m,在真空中（M=0），当磁场强度H为（107/ 4）A/m时，相应的磁感应强度为1T。,5、磁偶极矩pm、磁矩m,第一节 材料的磁

4、性,磁性材料,磁偶极子：通常把尺寸小到原子大小的小磁体称为磁偶极子，等效为环绕回路流动的电荷。,磁偶极矩pm：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。单位为Wb m。,磁偶极子的磁矩m和磁偶极矩pm有如下关系： m= pm / 0 磁矩m的单位为Am2 。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。,第一节 材料的磁性,磁性材料,6、磁通量 单位为韦（Wb）,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁通量是磁感应通量的简称，其定义是：将通过磁场中某一微元面积S的磁通量等于该处磁感应强度B在垂直于面积方向上的分量Bn和

5、面积S的乘积，即 =BnS=BcosS 式中为磁感应强度B的方向与面积S的垂线方向之间的夹角。,7、磁导率 ,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁导率定义为 =B/0 H,B与H的比值称为绝对磁导率绝对。 绝对=B/H=0,磁导率就等于材料的绝对磁导率绝对与真空磁导率之比，故也称为相对磁导率。,磁性材料,二、磁性的分类,1、抗磁性物质 呈抗磁性，或称逆磁性。,0，M与H方向相反 ； 磁化率 很小，-10-5 -10-6 ，且不随温度变化。 属于这类物质的金属有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Mg。,物质按磁化率以及在磁场中的行为可以分为五类，即抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质、亚铁

6、磁性物质。,第一节 材料的磁性,2、顺磁性物质 呈顺磁性。, 0， M与H方向相同；磁化率在 10-310-5 。,第一节 材料的磁性,磁性材料,其特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩 。,属于这类物质的金属有：La、Pr、MnAl、除Be以外的碱金属和碱土金属以及居里温度以上的铁磁性元素Fe、Ni、Co等。,3、铁磁性物质 呈铁磁性。, 0，磁化率在可达104数量级。,自发磁化：铁磁体的原子磁矩在不加外磁场时，由于一种自身力量的作用而互相平行排列，呈饱和磁化的状态。,磁畴:这种自发磁化不是整体饱和，而是分成许多小区域，在每个小区域内饱和，这种饱和的小区域称为磁畴。,第一节 材

7、料的磁性,磁性材料,磁性材料,铁磁物质的原子结构特点：,（1）原子存在未填满的内电子层（例如3d或4f层），在此层中未对消的电子自旋磁矩产生原子磁矩。 （2）原子间距与未满电子层半径之比值要求有一定的大小，这样才能够有足够大的交换力，使物质中原子磁矩同相排列，才能形成铁磁性。,第一节 材料的磁性,磁性材料,第一节 材料的磁性,铁磁性物质是一种磁性很强的物质。是磁性材料的物质基础。,常见的铁磁性金属有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co组成的合金等。,4、反铁磁性物质,0， M与H方向相同；磁化率在10-510-3。,第一节 材料的磁性,磁性材料,反铁磁性物质原子之间的磁矩不同

8、与铁磁性物质是平行的，而是反平行排列的。这种反方向的磁矩相互抵消，结果使总的磁矩为零。,常见的反铁磁性物质有：Mn、Cr,部分铁氧体ZnFe2O4如和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。,5、亚铁磁性物质,0,第一节 材料的磁性,磁性材料,亚铁磁性物质的原子磁矩之间也存在反铁磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。从而也引起一定程度的自发磁化。,常见的亚铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属之间的化合物和一些过渡金属。,磁性材料,三、铁磁性物质的特性,1、内禀特性参数,（1）自发磁化强度Ms ：铁磁性物质中的原子磁矩按一定规律排列在晶格中

9、，与相邻近原子发生相互作用，使邻近原子的磁矩方向趋于与某一晶轴方向平行，自发地产生磁化强度。 Ms的大小决定于铁磁性物质的原子结构和邻近原子间的相互作用，并随温度而变化。,第一节 材料的磁性,第一节 材料的磁性,磁性材料,（2）居里温度Tc,当在某温度以下，迫使邻近原子取向一致的相互作用超过原子热运动的破坏作用，则在该温度以下，可以形成一定程度的自发磁化，该温度叫做居里温度（居里点）。 居里温度以上时，原子热运动超过了原子磁矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。,第一节 材料的磁性,磁性材料,（3）磁各向异性参数K1,晶体磁性材料在不同的晶轴方向的磁性能是不一样的，这个性质称为磁各向异性

10、。 易于磁化的晶轴方向称为易磁化方向；难于磁化的晶轴方向称为难磁化方向。 磁各向异性参数K1：表征了某铁磁性物质在外磁场下磁化时的难易程度。,第一节 材料的磁性,磁性材料,（4）饱和磁致伸缩系数s,当铁磁性物质在外磁场作用下被磁化时，铁磁性物质发生尺寸及形状的变化，这种现象称为磁致伸缩现象。 饱和磁致伸缩系数s：表示某一物质在外磁场作用下沿磁场方向测量到最大长度或形状的变化。,第一节 材料的磁性,磁性材料,2、磁化,铁磁物质在外磁场作用下的磁化过程是不可逆的，这就是磁滞现象。,（1）关于磁化的几个重要概念,磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场作用下所具有的磁化规律，又称为技术磁化曲线。,自发磁化：

11、铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场条件下自发地取向一致的行为。,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁滞回线是当磁场在正负两个相同数值之间变化时，磁感应强度的变化回线。这个回线的大小随磁场的正负最大值而不同。从饱和磁化状态开始的磁滞回线叫基本磁滞回线。,磁化曲线和磁滞回线有两种表示法： 一种是磁感应强度B对磁场H的曲线。这是工程技术中常用的表示方法； 另一种是磁化强度M对磁场H的曲线，这是磁学中常用的表示方法。,磁性材料,第一节 材料的磁性,Bs饱和磁感应强度 Hc 矫顽力 Br 剩余磁感应强度 磁导率 m 最大磁导率,（2）与磁化过程有关的特性参数,Bs 饱和磁感应强度，是指用足够大的磁场来磁化磁性

12、物质时，其磁化曲线接近水平不再随外磁场的加大而增加时的相应B值，单位为T或Gs；,Hc 矫顽力，是指当磁性物质磁化到饱和后，由于有磁滞现象，故要使B减为零需有一定的负磁场，单位为安/米（A/m）或（Oe）；,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁性材料,第一节 材料的磁性,Br 剩余磁感应强度，是指当以足够大的磁场使磁性物质达到饱和后，又将磁场减小到零时的相应的磁感应强度；,Br/Bm 矩形比，是指剩余磁感Br与规定磁场强度所对应的磁感强度Bm的比值。一般以Br/Bs之比为标准；,磁导率，是B-H曲线上任意一点的B和H的比值， B/H，单位是H/m或Gs/Oe；,0 初始磁导率，是指当H0时的磁导率

13、；,m 最大磁导率，是指以原点作直线与B-H曲线相切，切线的斜率即为m 。,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁性材料,四、磁致伸缩和磁弹性能,随着温度的升高，一般磁致伸缩的绝对值会减小，并在自发磁化消失的居里点处变为零。,磁弹性能：因磁致伸缩现象而产生的形变能为磁弹性能。,第一节 材料的磁性,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,磁性材料的分类：,按材料组分和结构特点分类,金属磁性材料,铁氧体磁性材料,金属磁性材料,晶态合金磁性材料,非晶态合金磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,按材料磁性能特点分类,硬磁合金,软磁合金,矩磁合金,压磁合金,矩磁合金和压磁合金都具有很低的矫顽力，接近软磁合金的

14、特点。,Hc0.8kA/m,Hc0.8kA/m,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,软磁材料：容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料。 特点：软磁材料磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。,图3.2软磁合金的磁化曲线,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。,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,第二

15、节 软磁材料及应用,磁性材料,分类：,金属软磁材料,电工用纯铁,电工用硅钢片,合金,非晶态合金,软磁铁氧体,铁镍合金,铁钴合金,铁铝合金,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,在强磁场下工作的磁性部件，如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等，要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感强度，价格便宜，生产工艺简单，便于大批生产。 在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁心、磁屏蔽材料以及开关等磁性元件，绝大部分在弱磁场下工作，它要求材料应具有高的磁导率。,作为金属软磁材料，由于它们工作条件不同，对材料的要求也不一样：,磁性材料,一、电工用纯铁,含碳量极低，其纯度在99.95以上，在退火状

16、态，起始磁导率为3005000，最大磁导率为600012000 0 ，矫顽力Hc为4095A/m。,第二节 软磁材料及应用,影响纯铁磁性能的因素：晶粒和结晶轴对磁化方向的取向关系，纯铁中的杂质，晶粒大小，金属的塑性变形，加工过程中的内应力等.,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,主要用途：电磁铁的铁芯和磁极，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，磁屏蔽等。,性能特点： 电工用纯铁具有矫顽力低、磁导率高、导热性和加工性好、易焊接并有一定的耐腐蚀性和价格便宜等优点，被广泛地用于直流应用中。,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