物质的磁性技术磁化及软磁材料ppt课件

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1、2.1 概述 2.2 软磁材料理论基础 2.3 金属软磁材料 2.4 纳米晶软磁材料 2.5 铁氧体软磁材料,第二章 软磁材料,2.1 概述,能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。,软磁材料分类及特性要求,软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁导率i高，矫顽力Hc小，既容易获得也容易失去磁性，是极其重要的一类磁性材料。 按电阻率的不同，软磁材料可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料两大类，金属软磁材料由于其电阻率较低而主要应用于频率较低的场合，铁氧体软磁材料则在频率较高的场合被广泛采用。,衡量软磁材料性能优劣的主要参数： 起始磁导率(i)、 磁损耗(tg)、 温度稳定性()、 减

2、落(D)、 磁老化(Ia) 截止频率(fr)。,起始磁导率(i),处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率成为复数，其中表征储能特性，而表征能量损耗特征。对于环形软磁样品，可等效为串联电路，则电感量Lx及表征磁损耗的等效电阻Rx可分别写为：,式中 l：磁芯有效长度，N：线圈匝数，A：磁芯有效截面积，：工作角频率 有效磁导率e、最大磁导率m及增量磁导率等。一般情况下，i高的材料，其e、m、也较高。因此，通常把i作为软磁材料的基本特性参数之一，它是一个没有量纲的系数。,磁损耗,处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会

3、损耗能量，用tg来表征这种磁损耗,温度稳定性,软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比，最常用的是磁导率的温度系数 ,式中：温度为时的磁导率；ref：温度为ref时的磁导率,在实际应用中，也常用比温度系数 /i来表征软磁材料的温度特性，因为对于某种软磁材料而言，比温度系数u/i与形状和尺寸无关，是一个常数，希望这个常数越小越好。,磁导率的减落,软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率

4、下降，这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化，它是材料的不稳定性之一，可以用下面三个参数来表示材料的减落特征：,(1) 减落D：定义为在磁正常状态化之后，恒定温度下经过 一定的时间间隔 (t1-t2)，材料磁导率的相对减小。式中 1、2分别为给定时间间隔开始(t1)和结束(t2)时的磁导 率值。,(2) 减落系数d：定义为在磁正常状态化之后出现的减 落除以两次测量时间之比的对数,(3) 减落因子DF：定义为减落系数与开始测量时间(t1)测 得的磁导率之比,磁老化,软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示。

5、式中1、2分别为老化前后测得的磁导率。,老化系数的大小与材料值和制造工艺有关，一般地说高材料的老化系数较大，而如果采用高温淬火工艺制造的软磁材料，则由于保持了高温状态下的一些结构，故有一个向稳定状态过渡的过程，从而造成老化现象较严重。,截止频率,由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的值下降为起始值的一半且达到峰值时的频率，称为截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关，各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高则应用频率的上限越高。,除了上述六个参数以外，软磁材料在不同的应用场合还会有一些特殊的要求，如在高频大功率下工作时，要求材料的饱和磁感应强度Bs和

6、最大磁导率m要高，并且衡量软磁材料性能的其它参数还有饱和磁致伸缩系数s，居里点Tc，密度d，电阻率以及介电常数等，都会因特定的需要而提出相应的要求。,小结 贮能高 高的饱和磁感应强度 灵敏度高 初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率 效率高 Hc低，电阻率高，损耗小 回线矩形比高 稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高,2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性 2.2.2 提高软磁特性的措施,2.2 软磁材料理论基础,一、铁磁金属的结构和磁性 （一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性 Fe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构 Fe： 常压下，温度910 为体心立方（bcc）

7、， 铁磁性的Fe， 居里温度为770 ， 易磁化方向为, 难磁化方向为 910 温度1400 面心立方, 顺磁性的Fe 温度1400 体心立方 顺磁性的Fe,2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性,Ni: 在常压下，在熔点以温 范围内，均是面心立结 构（fcc）为铁磁性的 -Ni居里点为358 易磁化方向为 难磁化方向为,Co： 温度450 简单六方结构 铁磁性的- Co 居里点为1117 易磁化方向为 难磁化方向为和1010 温度450 至熔点 面心立方 - Co,3d过渡族元素的磁性来源 Fe、Ni、Co ： 3d电子的交换相互作用，铁磁性（2.2B,0.6B,1.7B) Cr、Mn： 3

8、d电子的直接交换相互作用，反铁磁性 Cr、Mn的合金或化合物： 3d电子的超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性,、稀土族元素的结构和磁性 结构 主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素， 加 上性质类似的Y和Sc； 晶体结构大都为密排六方结构。 磁性 Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁 矩的取向随温度而变。 Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。 重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁 磁性。 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、Yb 的离子具有磁矩。,二、合金的组成,1、基本概念 合金：由一种金属元素与其它金属元素或

9、非金属元素组成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也可以是化合物。 相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀部分。 组织：材料内部的微观形貌图象。 2、合金的基本相 固溶体 金属间化合物,固溶体 定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组元的点阵类型。 分类,金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型

10、结构的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。 稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。 金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律。,三、合金的磁性,3d过渡族合金的结构和磁性 稀土族合金的结构和磁性 固溶体的结构和磁性,1、3d过渡族合金的结构和磁性 多为无序固溶体，且多显示铁磁性； 合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系 2.稀土族合金的结构和磁性 多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。 晶体结构多为复杂的四方结构和六方

11、结构。 轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。,3 固溶体的结构和磁性 磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物。 形成 置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。 形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大。 有序化对磁性的影响很大，一方面是

12、有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变。 本征磁特性；二次磁特性,影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗 （一）、影响磁导率的因素 机理： 可逆磁畴转动 可逆畴壁位移 动力：饱和磁化强度 阻力：内应力、参杂、空泡、晶界 1、可逆磁畴转动 2、可逆畴壁位移 其中,i = i 转+ i位,2.2.2 提高软磁特性的措施,决定磁性材料的因素,Ms; K; ; Material microstructures (crystal defects, impurities, pres

13、ence of 2nd phase); Heat treatments (with and without H applied); Grain sizes; Magnetization mechanism (domain wall displacement or domain rotation),磁晶各向异性场(1),With K2K1:,For Cubic Crystal:,For small angle,磁晶各向异性场(2),磁晶各向异性场是一个假想的场,作用在Ms上,这时候的torque等于:,令 = 1,磁晶各向异对的影响,Hence:,磁弹性能对的影响(1),Eme如何影响对doma

14、in magnetization的取向?,内应力或外应力对M的取向均有影响,磁弹性能对的影响(3),应力会诱发一个等效的单轴磁弹性各向异性, M的取向在其它各向异性可忽略的情况下由磁晶各向异性决定，从而对hysteresis loop产生较大的影响。,合金成分对磁晶各向异性的影响因素,理论上提高磁导率的条件: 1.必要条件： 1.Ms要高( Ms2 ); 2.k1, s0; 2.充分条件: 1.原料杂质少, ; 2.密度要提高 ( P ),即材料晶粒尺寸要大( D ); 3.结构要均匀 (晶界阻滞); 4.消除内应力 s ; 5.气孔,另相 (退磁场),2.3.1 工业纯铁 2.3.2 硅钢

15、2.3.3 坡莫合金 2.3.4 其他软磁合金,2.3 金属软磁材料,2.3.1 工业纯铁,一、特点 纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。 室温性能：Bs=2.15(T),居里点f=770,m=20000, =0.110-6(.m)。 杂质对其性能有较大影响，（见图4.2)。 碳含量低 矫顽力低 磁导率高 导热性和加工性好 有一定的耐腐蚀性和价格便宜 电阻率低，不能在交流磁场中应用 二、应用 作金属磁性材料的重要原料 在直流磁场中，作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。,三、分类 1、电解铁 含有0.050.02%C、 Mn 0.01%、 P0.005%、S0.004%、

16、 Al0.01%、Cu0.015%。电磁性能：i=500、m=1500、 Br=1.05(T)、Hc=0.35(79.6A/m)、=9.6(10-8 .m) 2、阿姆柯铁 含C 0.025%、 Mn 0.035%、 P0.015%、S0.05%、 Cu0.08%。磁性能：i=20005000、m=600015000、 Hc=0.5 1.5(79.6A/m) 3、羰基铁 由Fe（Co）5分解而成，纯度高。磁性能：i=20003000、 m=2000021500、Br=0.5 1.0(T)、Hc=0.08(79.6A/m)、 =9.6(10-8 .m),2.3.2 铁硅合金,铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、和发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的