第三章 磁性材料,磁性材料是功能材料的一个重要组成部分 按化学组成，传统磁性材料有金属磁性材料和铁氧体两类近年来，开展了聚合物磁性材料的研究 按性能用途，分为软磁、硬磁及一些特殊用途的磁性材料3-1 物质磁性概论,一、物质磁性 根源：原子内部电荷运动 原子磁矩包括：核磁矩、电子磁矩（前者小三个量级）,主要是电子磁矩：包括轨道磁矩与自旋磁矩 任何物质都有磁性但由于不同原子结构上的差异以及原子间相互作用不同，物质磁性的强弱又与物质本身有关 1、交换作用 磁矩为0的原子具有抗磁性 对磁矩不为 0的原子须考虑近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作用即交换作用 交换作用用交换能“A”表示，它取决于近邻原子未满的电子壳层相互靠近的程度，并决定原子磁矩排列方式和物质基本磁性理论研究表明：,（1）当A0时，交换作用导致相邻原子磁矩平行排列，产生铁磁性2）当A0时，交换作用导致相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性总磁矩为0，抵消，宏观上表现顺磁性3）当A很小（原子间距大），交换作用不足以克服热运动干扰，原子磁矩无序排列在外磁场下取向排列表现为顺磁性4）对铁氧体，表现为亚铁磁性这类材料中，金属离子不直接发生交换作用。
而通过氧原子间接发生交换作用亚铁磁性和铁磁性相似，有磁滞，以自发磁化为基础2、抗磁性,抗磁性物质分类：,（1）弱抗磁性：惰性气体，Cu、Zn、Ag、Au、Hg等,（2）反常抗磁性：Bi、Ga、Sb、石墨等3）超导抗磁性：超导体表面感应电流产生磁场完全抵消外磁场3、顺磁性,顺磁性介质在外磁场中产生与外磁场方向相同的附加磁场的性质原子、离子、分子由于具有未填满的电子壳层，分子固有磁矩不为0在外磁场中取向排列弱磁性,三类：,（1）朗之万顺磁性,O2、NO气体，许多金属盐及居里温度以上的铁、亚铁磁性物质2）泡利顺磁性,碱金属Li、Na、K、Rb、Cs,（3）超顺磁性,,,,常态下是铁磁性物质，当为超细或纳米颗粒时，矫顽力 几乎无磁滞产生朗之万顺磁性，粒子内自发磁化本身热振动4、强磁性,在很小的外磁场下能获得很大磁性并保留剩磁的物质原子间交换作用使原子磁矩有序排列，即自发磁化许多自发磁化小区域磁畴1）铁磁性,3d或4f电子的交换作用，使相邻原子平行有序排列排列混乱,自发磁化消失,顺磁性,Fe、Co、Ni及其合金,钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）亚铁磁性,磁性比铁磁性低一个量级,过渡金属氧化物，铁氧体，如Fe3O4 、NiFe2O4等,Fe2+、Fe3+两种亚点阵，每个亚点阵原子磁矩各自平行排列（通过氧离子间接作用），不同亚点阵原子磁矩反向排列。
两种磁矩大小不等，不能抵消表现强磁性不同价态金属离子分别占据氧八面体和四面体间隙3）弱铁磁性,在倾斜方向有微弱自发磁化5、反铁磁性,原子磁矩具有完全抵消的有序排列自发磁化强度为0，但在外磁场作用下仍然具有强顺磁性（弱磁性）有序排列破坏,（反铁磁居里点，尼尔温度），完全混乱转化为顺磁性几种类型：,（1）正常反铁磁性,MnO、NiO、FeS等,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）螺旋反铁磁性,相邻晶面，原子磁矩转角20-400,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（3）自旋密度波（SDW）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,原子磁矩密度（自旋密度）具有正弦周期性调制结构6、物质磁性分类,原子磁矩排列,典型磁性,磁化率,磁化行为,无序,有序,抗磁性,顺磁性,反铁磁性,铁磁性,亚铁磁性,弱铁磁性,抗磁,弱磁,弱磁,强磁,,,,,,,,,,二、与磁有关的物理效应,1、磁致伸缩,,,,,,磁性材料在磁化过程中，在磁化方向上伸长（缩短），而在与之垂,直的方向上缩短（伸长）该现象叫磁致伸缩可逆弹性形变）,磁致伸缩率,随外磁场增加而趋于稳定。
最大的磁致伸缩率称为饱和磁致伸缩率,具有高 的材料叫磁致伸缩材料,伸缩原因：磁晶各向异性能与点阵应变状态有关引起与材料特性、磁畴结构、化学成分、热处理状态均有关磁致伸缩材料：Fe，Co，Ni，Fe3O4， Fe2O3 ，CoFe2O4， NiFe2O4， Fe、Co、Ni与稀土元素化合物,用途：磁致伸缩可引起机械振动（交变磁场）用于超声发生器与接收器；力、加速度、速度传感器；磁声储存器；滤波器等2、法拉第效应,,,,,,,,,,,,,,,,,电磁波通过磁介质时，偏振面发生旋转的现象原因：左旋、右旋电磁波以不同相速度传播所致 用途：微波铁氧体器件,3、克尔效应,,,,,,,,,,,,,偏振光投射到磁介质表面反射时，偏振面发生旋转用途：磁光调制器等,4、维拉力效应,强磁性材料在力（拉伸、压缩）作用下，,正磁致伸缩材料 拉力使 ，压力使,负磁致伸缩材料 拉力使 ，压力使,用途：压力测量等,5、磁热效应,在绝热条件下，铁磁材料受突然增加的磁场作用，温度升高三、磁各向异性,磁性能与方向有关,1、磁晶各向异性,由于晶体结构的各向异性所产生的磁各向异性,例如，强磁晶体在不同点阵方向上，磁化难易程度不同,易磁化方向,易磁化方向,Fe（体心） 100 111,Ni（面心） 111 100,Co（密排六方） 0001 1010,,,,所以，通过定向铸造方法使晶粒易磁化方向沿磁体磁极方向排列，以提高永磁合金的永磁特性。
2、应力各向异性,应力使材料磁化具有单轴各向异性即磁致伸缩方向与应力方向一致时，磁化具有最低弹性势能（易磁化）,四、磁性材料的磁化过程 1、磁化与磁滞,磁性材料在外场作用下由宏观上无磁状态转变为有磁状态的过程磁化1）磁畴与磁化过程,磁畴强磁性物质包含许多自发磁化小区域无外场时，磁畴取向任意，磁体磁化强度为0 有外场时，与磁场同向的磁畴磁化能低，与磁畴反向的磁畴磁化能高 与磁场同向的磁畴通过畴壁运动，吞并其他磁畴而长大，使磁畴取向一致，达到饱和2）磁滞回线,,,,,,,,,,,,,,,,,,起始磁化曲线,,起始磁化曲线原点附近斜率初始磁导率,从原点作起始磁化曲线最大斜率最大磁导率,饱和磁场强度,饱和磁感应强度,相对于 ，变化滞后磁滞,剩余磁感应强度,矫顽力,磁积能（内部储存能量大小的尺度）,2、损耗问题,交变磁场（电磁波）作用下,介质复磁导率,反复磁化要损耗能量，损耗角和损耗因子可以表征损耗大小损耗角,损耗因子,损耗机制：,a、涡流损耗（交变磁场产生交变电场，形成涡流）,b、磁滞损耗（反复磁化，磁畴转向，“摩擦”）,c、剩余损耗（畴壁共振，自然共振，尺寸共振、磁后效）,3-2 软磁材料,,,,,一、软磁材料用途与性能,软磁材料也叫高导磁材料或磁芯材料。
主要用于变压器、发电机、电动机、电磁铁、电感元件、磁记录中磁头材料等共性要求： （1）磁滞回线细长，高 ，Hc小，Bs大，易磁化、易去磁2）损耗小,（3）电阻率大，饱和磁致伸缩系数 小,（4）冲压、焊接性好，烧结后尺寸精度高,二、典型软磁材料,1、电工纯铁,纯度99.95%以上，起始磁导率 300-500 ，,用于电磁铁芯和磁极等,主要在直流磁场下工作（直流电机），交变磁场中损耗大2、电工硅钢片,铁中加Si，可用于交流电机磁芯（提高电阻率，减小涡流损耗），但Si4%,变脆表面绝缘涂层，以减小涡流3、Fe-Ni合金,Ni含量30%-90%的Fe-Ni合金，通常称为坡莫合金还有FeAl，Fe-Al-Si，Fe-Al-Si-Ni 用途：电讯工业、仪表、计算机、微电机、互感器等,4、软磁铁氧体,NiZnFeO4、MnZnFeO4等,用途：磁头、变压器铁芯等,5、非晶磁性合金,Fe基、Co基、Fe-Ni基 特点：结构无序决定了其优良的软磁性能，高磁导率，低矫顽力，损耗小，磁滞伸缩小3-3 硬磁材料,一、硬磁材料用途与性能,也叫永磁材料要求：,,,,,高Bs，高Hc通常强的磁晶各向异性最大的,用途：各种旋转机械（电动机、发电机等），小型音响机械，玩具，保健器材，装饰品、体育用品等,二、典型硬磁材料,阿尔尼科磁铁（Al、Ni、Co，其余Fe）,铁氧体，以Fe3O4为主要成分的复合铁氧体,稀土类Co系磁铁（RCo5）,钕铁硼永磁合金（Nd2Fe14B、 Nd2Fe7B6）,3-4 磁记录材料,一、磁记录原理,磁记录系统：,换能器（磁头）+存储介质（磁带）+传送装置+电子线路,磁记录材料,,,磁记录原理：,,,电信号（由声音和图像转换而得）使磁头（缝隙）产生与信号一致的磁场（溢出） 磁带恒速通过磁头 磁带被磁化（磁滞、剩磁Br） 磁带上各处Br变化与信号变化一致（记录电信号）。
放出：已经记录了的磁带通过磁头，磁带上磁粉的Br变化引起铁芯内磁通量变化进而圈内产生同步变化的感应电流电流经放大，再经电声或电像转换得到原纪录的声音和图像二、磁头材料,1、磁头工作原理,磁头结构如图,,,线圈,,,,后隙,前隙,铁芯,原理：,磁场写入（磁记录）,读出,感应读出（利用感应电流变化读出信息）,磁阻效应读出（利用电阻变化读出磁带上信息）,2、性能要求,高 ，高Bs，低Br和Hc，高电阻率（减小磁损耗），耐磨性3、材料种类,合金：Mo-Ni-Fe，Fe-Si-Al，Fe-Al等 非晶合金：Fe基、Co基 薄膜磁头：Ni-Fe薄膜,三、磁记录介质,要求：,Br高，Hc适当高，磁滞回线矩形，磁层均匀，厚度适当磁性粒子均匀，单畴状态，易分散，磁致伸缩小磁性对温度不敏感两类介质,颗粒（磁粉）涂布型,连续薄膜型（镀膜）,3-5 磁性液体,一、什么是磁性液体,,,,,,,,,,,,,,活性剂,,由磁粉通过界面活性剂高度分散于载液中而均匀构成的稳定胶体体系既有流动性，又有磁性，在重力、电,磁力作用下能长期稳定地存在，不产生沉淀与分层,磁性液体由三部分组成：磁性微粒、界面活性剂、载液,载液：水、聚苯基醚等,活性剂：不饱和脂肪酸、油酸等,二、应用,1、利用磁场可以使液体流动到任何位置,磁场加到磁液中，磁场与磁液内每个胶体颗粒形成的磁矩发生作用，在整个体积内形成一种力（体积力） 用途：磁液陀螺；机器人筋肉；工业机械手；显示磁带磁迹；密封，磁液轴承；磁液研磨；拉拔加工装置等,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁液,,永磁体,,软磁回路,,,,,,,,,轴承：磁液密封、润滑,磁液聚集于磁场梯度最大处，形成O型环，造成液堵而密封。
无机械部件接触磨损，对轴承偏心、粗糙度要求不高2、加热、冷却磁液（磁热效应）可以产生热循环，实现热能转换（加热泵）,3、粘度随磁场增加而增加，阻尼作用增加，可以作惯性阻尼器、减震器、制动器、阀门等 4、具有双折射、二向色性、旋光等特性，可以作光传感器、磁强计、光快门等 5、有的磁液磁化强度随温度线性变化，可以作温度传感器。