磁性材料的介绍.

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1、复合材料研究所 磁性材料 2016.12.19 复合材料研究所 一、材料的磁性一、材料的磁性 二、软磁材料二、软磁材料 三、硬磁材料三、硬磁材料 四、磁记录材料四、磁记录材料 五、纳米磁性材料五、纳米磁性材料 主要内容 复合材料研究所 什么是磁性材料？ 磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面 紧密相关。通常认为，磁性材料是由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能 够直接或间接产生磁性的物质。 实验证明，任何物质在外界磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁 化的程度不同而已。 复合材料研究所 磁性材料拥有数千年应用历史，如今更与信 息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济 的方方面

2、面紧密相关。 磁性材料是高科技发展的重要分支之一。 一个国家的磁性材料能反映其技术 发展水平，对这种材料的需求量能反 映一个国家的经济状况和平均生活水 平。 复合材料研究所 磁 性 的 来 源 一、材料的磁性 磁学是一门既古老又年轻的学科，磁学基础研究与应用的需求互相促 进，在国防和国民经济中起着重要作用。 早期观点 安培分子电流：在磁介质中分 子、原子存在着一种环形电流( 分子电流)，分子电流使每个物 质微粒都成为微小的磁体；在磁 场中，分子电流沿磁场方向排列 ，显磁性。 磁荷：磁介质的最小单元是磁偶 极子；介质处于磁场中产生一个 力矩，各磁偶极子在一定程度上 沿着磁场方向排列，显磁性。 复

3、合材料研究所 现代观点 物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性。 原子的磁矩 电子磁矩 轨道磁矩 自旋磁矩 原子核磁矩：约为电子磁矩1/2000 材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。 复合材料研究所 p磁矩m：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。 p磁化强度M：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，矢量，由S极指向N极。 p磁场强度H：指外界磁场的大小，也是一个矢量，由S极指向N极，磁 场强度H一般是由导体中的电流或者永磁体产生。 p磁化率 ：磁化强度M与磁场强度H的比值称

4、为磁化率，即M/H， 表征物质磁性的大小。 磁 学 基 本 参 量 复合材料研究所 p磁感应强度 B：B = 0 (H+M)，单位：特斯拉(T)或韦/米2 (Wb/m2)。 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。 p磁导率： =B/H0 B与H的比值称为绝对磁导率绝对， 即绝对=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0之比，故也称为相 对磁导率。 磁 学 基 本 参 量 复合材料研究所 磁性材料的分类 磁性材料历史悠久，种类繁多，从不同角度可以将其分为许多类。目 前，在技术上得到大量

5、应用的磁性材料有两类：一类是由金属和合金所组 成的金属磁性材料；另一类是由金属氧化物所组成的铁氧体磁性材料。这 两类材料因为各有特点而拥有其广阔的应用领域，它们之间不能完全互相 替代。 复合材料研究所 按照形态分类：粉体材料、液体材料、块体材料和薄膜材料等。 按照用途分类：铁芯材料(如变压器、继电器)、磁头材料(录音机)、磁记 录材料(磁带、磁盘)、磁致伸缩材料(传感器)、磁屏蔽材料(通讯仪器、电 器)等。 按照磁性能分类：(1)软磁材料，其矫顽力较小，磁滞回线较窄；(2)硬磁 材料，其矫顽力较大，磁滞回线较宽；(3)矩磁材料，其剩磁大而矫顽力 小，磁滞回线为矩形。 复合材料研究所 软 磁 和

6、 硬 磁 材 料 的 对 比 复合材料研究所 磁 性 材 料 的 发 展 史 复合材料研究所 各种银行卡 银行信用卡 交通卡 电话卡 通行证 身份证 网卡 复合材料研究所 U盘采用Flash芯片存储，属于电 擦写电门。在通电以后改变状态， 不通电就固定状态，所以断电以后 资料能够保存。 复合材料研究所 复合材料研究所 特点：直接发热，热效率高达90%； 炉面无明火，无烟无废气；电磁火力强 劲，安全可靠。 电磁炉 复合材料研究所 第一个提出电磁炮概念并进行实验的是挪威伯克兰教授，1901年获得了专 利。 l978年，澳大利亚科学 家在5米长的轨道炮上 (5.9千米/秒)；现在弹丸 初速1.5-1

7、.7千米/秒。 电磁炮 复合材料研究所 原理 传统的火炮都是利用弹药爆 炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮 弹迅速加速，推出炮膛。而电磁 炮则是把炮弹放在螺线管中，给 螺线管通电，那么螺线管产生的 磁场对炮弹将产生巨大的推动力 ，将炮弹射出。 复合材料研究所 磁性材料市场的代表企业国内磁粉生产商 麦格昆磁 四川银河 上海纪元 天津津滨 浙江朝日科 浙江韵升 上海爱普生 复合材料研究所 当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关 系是一条闭合线，但磁化和退磁不在同一条曲线上，退磁要滞后于磁化曲 线，这种现象叫做“磁滞”，这条闭合线叫做磁滞回线。 Hc-矫顽力，Bs-饱和磁感应强度，B

8、r-剩磁 Magnetic Hysteresis Loop Of Magnetic Materials Bs 0 Br Hs 磁滞回线 复合材料研究所 起始磁感应强度B0，加磁场后，材料逐渐磁化。H增加，B增加，当 H增加到一定程度，B值不再上升，达到饱和磁感应强度Bs。 把磁场强度降下来，开始Bs保持一段，当磁场强度H继续降为0时，材 料的磁感应强度不为零，依然保留磁性，即Br (简称为剩磁)。 此时，加上一个反向磁场，迫使材料的磁感应强度下降，直到失去磁 性，这一段叫做“矫顽”，即退磁过程。在B0时的反向磁场强度Hc称为“矫 顽力”，表示材料保持磁化，反抗退磁的能力。 Bs 0 Br Hs

9、 复合材料研究所 整个磁滞回线由两个S形组成，曲线围成的面积越大，矫顽力越大，要 求的矫顽场强度越大，磁性材料就越硬。反之，曲线围成的面积越小，磁 性材料就越软。 1-软磁合金典型磁滞回线，1-硬磁材料典型磁滞回线 复合材料研究所 磁 性 的 分 类 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、亚铁磁性物质。 复合材料研究所 n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。 复合材料研究所 抗磁性是所有物质的共同性

10、质，通常非常小，自然界中绝大多数物体 都是抗磁性的。 磁矩为零的原子组成，原子中所有电子已经配成对，没有未成对电子。 复合材料研究所 n 顺磁性物质：在磁场作用下，物质中相邻原子或离子的热无序磁矩在一 定程度上与磁场强度方向一致的定向排列现象。 本质：轨道上有未成对电子，物质内部有净磁矩，磁矩不为零。温度升 高，磁矩不易排列整齐，磁性减弱，磁化率受温度影响而改变的规律称 “居里定律”。 复合材料研究所 特征：顺磁性，组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩。 0， M与H方向相同，磁化率在 10-310-5 。 属于这类物质的金属有：La、Pr、Mn、Al、除Be以外的碱金属和 碱土金属

11、以及居里温度以上的铁磁性元素Fe、Ni、Co等。 复合材料研究所 n铁磁性物质：物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在 某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些 区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。 呈铁磁性， 0，磁化率可达104数量级。 复合材料研究所 铁磁性物质的原子结构特点： l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。 l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向排列，才能形成铁磁性。 类型：到目前为止，仅有四种金属元素在室温以上是铁

12、磁性的，即铁、 钴、镍和钆；极低低温下有五种元素有铁磁性，即铽、镝、钬、铒 和铥。 复合材料研究所 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。 复合材料研究所 p 反铁磁性: 在晶体中A、B两个亚晶格中的磁矩正好数量上相等， 方向相反，净磁矩为零，就表现为反铁磁性。 尼尔温度(TN)：反铁磁性物质和顺磁性 物质间发生转变的温度。高于TN，热能 积累，磁矩次序被打乱，变为顺磁性。 温度在TN以下，磁性随温度上升而提高 ，显示反铁磁性。 复

13、合材料研究所 p 亚铁磁性：铁氧体中A、B两种离子的磁矩是反平行取向，但磁矩有 不同，离子数目也不同，使磁矩不能相互抵消，产生一个净磁矩。如 尖晶石结构。 特性：与铁磁体相似，有自发极化和 居里温度(在居里点以下保持暂态磁性 ，在该温度以上无磁性序列)。 复合材料研究所 类型：亚铁盐(由铁氧化物和其他元素，例如铝、钴、镍、锰、锌)，磁性 石榴石，磁铁矿氧化物(Fe3O4)。 复合材料研究所 软磁材料具有低矫顽力(低于102A/m)和高磁导率，易于磁化，也易于退 磁，磁滞回线围成的面积比较小的磁产品。这种材料广泛用于电工设备 和电子设备中。 软磁材料的磁滞回线 二、软磁材料 在较弱磁场下易于磁化

14、，也易于退磁的材料成为软磁材料。 复合材料研究所 软磁材料的分类 复合材料研究所 l 铁硅合金(硅钢片) 含硅不高于4%的钢，也可看作Fe、Si合金。曾被普遍用作铁芯，导磁率很 高，反复磁化损失小，用做变压器铁芯。 l 软磁铁氧体 铁氧体是一种复合氧化物，用黑陶法制成，有“黑磁“之称， 也可归为陶瓷。软磁铁氧体具有立方晶系结构，主要用于射 频变压器、磁头和其它电子学方面。 l 超微晶软磁合金 20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50nm左右的结晶相和非晶态 的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率 高、矫顽力低和铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。 软磁材料的分

15、类 复合材料研究所 金属磁芯的制备工艺流程 复合材料研究所 铁 氧 体 的 制 备 工 艺 流 程 复合材料研究所 定义：硬磁材料又称永磁材料。它们一般难以磁化到饱和状态，但是 ，一旦在较强的磁场中被充磁以后，再将磁场撤去，就可以保留很强的磁 性，而且在使用过程中不易退磁。 主要材料：高碳钢(如马氏体钢)、铝镍钴合金、 稀土永磁合金(如NdFeB) 、钡铁氧体和锶铁氧体都是 常见的永磁材料。 三、硬磁材料 复合材料研究所 BaCO3 Fe2O3 配料混合初压一次烧结淬火铁氧体 湿磨 磁场温压 干燥-制料-成形 干燥-磁场-干压 烧结加工 成品充磁 BaO、SrO 配 Fe2O3 质量差 BaCO3、SrCO3 配 Fe2O3 质量优 铁氧体成型工艺 复合材料研究所 主要指标：矫顽力，剩余磁感应强度或剩余磁化强度、最大磁能 积和剩磁或矫顽力的温度稳定性，理想的永磁材料应该是具有高矫顽