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1、本节的主要内容：本节的主要内容：一 永磁材料的发展概况一 永磁材料的发展概况二 决定永磁材料性能技术的磁参量二 决定永磁材料性能技术的磁参量三 分类介绍永磁材料三 分类介绍永磁材料（一）一）合金系列的材料合金系列的材料（二）（二）铁氧体系列铁氧体系列（三）（三） 稀土系永磁材料稀土系永磁材料（四） 其他的永磁体（四） 其他的永磁体四 永磁材料的应用五金属材料加工简介四 永磁材料的应用五金属材料加工简介高矫顽力材料永磁材料高矫顽力材料永磁材料引言我们生活的地球是一个大磁场。磁，在我 们的生产生活中有许多神奇的作用，其中之一 便是永磁材料。它们一旦在磁场中被充磁后， 如撤去外磁，材料可以保留很强的
2、磁性，而且 不易被退磁。这样，这些永磁材料做成永磁体 后，它们的外部空间又形成一恒定的工作磁 场，可以用来进行粒子加速、自动控制、核磁 共振利用永磁体的磁场方便地进行能量转 换，岂不是“无本万利”？我们生活的地球是一个大磁场。磁，在我 们的生产生活中有许多神奇的作用，其中之一 便是永磁材料。它们一旦在磁场中被充磁后， 如撤去外磁，材料可以保留很强的磁性，而且 不易被退磁。这样，这些永磁材料做成永磁体 后，它们的外部空间又形成一恒定的工作磁 场，可以用来进行粒子加速、自动控制、核磁 共振利用永磁体的磁场方便地进行能量转 换，岂不是“无本万利”？一一 . 永磁材料的发展概况永磁材料的发展概况所谓所
3、谓永磁材料永磁材料，是指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。 永磁材料是人类最早发现和最早应用的磁性材料。在人类文明史的早期，至少离现在有二、三千年之久，我 们的祖先已经懂得将天然磁铁矿，是指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。 永磁材料是人类最早发现和最早应用的磁性材料。在人类文明史的早期，至少离现在有二、三千年之久，我 们的祖先已经懂得将天然磁铁矿(Fe3O4)当做磁石，磨成指南针。进入铁器时代以后，人们虽然逐渐学会了将碳钢淬 火做成永磁体，但是由于没有电流充磁器，而只能凭借地 磁场或天然磁石对永磁体充磁，所以永磁材料依然长期处 于极
4、其缓慢的发展状态中。当做磁石，磨成指南针。进入铁器时代以后，人们虽然逐渐学会了将碳钢淬 火做成永磁体，但是由于没有电流充磁器，而只能凭借地 磁场或天然磁石对永磁体充磁，所以永磁材料依然长期处 于极其缓慢的发展状态中。最大磁能积(BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H 的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在 气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位 体积的静磁能量，磁能积随B而变化的关系 曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和 Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。随着电流的发现和电磁感应定律的广泛应用，永磁材 料得到了迅速的发展。人们首先对碳钢进行了仔细研究， 接着在随着电流的发现和电磁感应
5、定律的广泛应用，永磁材 料得到了迅速的发展。人们首先对碳钢进行了仔细研究， 接着在1900年发现了钨钢，其磁能积达到年发现了钨钢，其磁能积达到0.34l06GOe。 又过了十几年，。 又过了十几年，1917年发现了钴钢，其磁能积达到了年发现了钴钢，其磁能积达到了 0.90l06GOe。上世纪三十年代铝镍钴磁钢问世，起初磁 能积仅有。上世纪三十年代铝镍钴磁钢问世，起初磁 能积仅有1.8l06G.Oe，后来由于在磁控管雷达系统应用的推动下，晶粒定向铝镍钴磁钢很快被创制出来，磁能积 逐渐跃升到，后来由于在磁控管雷达系统应用的推动下，晶粒定向铝镍钴磁钢很快被创制出来，磁能积 逐渐跃升到5.0l06GO
6、e。从此铝镍钴磁钢在永磁领域中占据了统治地位，并且一直保持到七十年代。在这四十余 年间，人们又陆续发明了永磁铁氧体、铁钴微粉永磁体、 铂钴永磁体、锰铋永磁体、锰铝碳永磁体、铁铬钴永磁体。从此铝镍钴磁钢在永磁领域中占据了统治地位，并且一直保持到七十年代。在这四十余 年间，人们又陆续发明了永磁铁氧体、铁钴微粉永磁体、 铂钴永磁体、锰铋永磁体、锰铝碳永磁体、铁铬钴永磁体。钡铁氧体钡铁氧体(BaO6Fe2O3)和锶铁氧体和锶铁氧体(SrO6Fe2O3)均于上 世纪三十年代发现，并分别于五十年代和六十年代达到均于上 世纪三十年代发现，并分别于五十年代和六十年代达到 4106GOe左右的磁能积水平。由于原
7、料易得，工艺不 难，性能适中，综合效果好。所以在七十年代得到迅速发 展。一度它们的产量占据了第一位左右的磁能积水平。由于原料易得，工艺不 难，性能适中，综合效果好。所以在七十年代得到迅速发 展。一度它们的产量占据了第一位(超过总产量的超过总产量的90)。 铁钴微粉永磁体、铂钴永磁体、锰铋永磁体、锰铝碳永磁 体、铁铬钴永磁体等材料由于工艺复杂、成本昂贵、性能 等等方面的原因，发展的比较缓慢。 稀土钴永磁体是。 铁钴微粉永磁体、铂钴永磁体、锰铋永磁体、锰铝碳永磁 体、铁铬钴永磁体等材料由于工艺复杂、成本昂贵、性能 等等方面的原因，发展的比较缓慢。 稀土钴永磁体是“永磁大家族永磁大家族”中的后起之秀
8、。它是 稀土族元素和钴族元素构成的一系列金属间化合物。自第 一个实用的稀土钴永磁体于六十年代中期问世以来短短的 十余年间，磁能积突破中的后起之秀。它是 稀土族元素和钴族元素构成的一系列金属间化合物。自第 一个实用的稀土钴永磁体于六十年代中期问世以来短短的 十余年间，磁能积突破30106GOe，逼近，逼近40106G Oe， 矫顽力高达， 矫顽力高达1万万Oe，剩磁的温度系数可在正、负、零之间 任意调节。，剩磁的温度系数可在正、负、零之间 任意调节。这是一类相当理想的永磁材料。但它的性价比不能与 永磁铁氧体竞争。这是一类相当理想的永磁材料。但它的性价比不能与 永磁铁氧体竞争。 1983年，日本佐
9、川真人等对铁基三元合金进行了广 泛的研究，发现：在含有轻稀土元素钕的年，日本佐川真人等对铁基三元合金进行了广 泛的研究，发现：在含有轻稀土元素钕的Nd-Fe-B三元合 金中，存在一种三元合 金中，存在一种Nd2Fe14B相，这种金属间化合物具有很强的单轴各向异性，呈四方晶体结构，并且制成了新型的永 磁材料相，这种金属间化合物具有很强的单轴各向异性，呈四方晶体结构，并且制成了新型的永 磁材料Nd-Fe-B永磁体，其最大磁能积永磁体，其最大磁能积(BH)max 4.80 107GOe ，创造了实用永磁材料的最高记录。从 此，诞生了第三代稀土永磁材料，创造了实用永磁材料的最高记录。从 此，诞生了第三
10、代稀土永磁材料-钕铁硼永磁合金。 这在稀土永磁材料的发展史上具有划时代的意义。 事实已表明，钕铁硼永磁合金的出现，正在迅速改变着永磁材料的研究、生产和应用等领域的格局和发展。钕铁硼永磁合金。 这在稀土永磁材料的发展史上具有划时代的意义。 事实已表明，钕铁硼永磁合金的出现，正在迅速改变着永磁材料的研究、生产和应用等领域的格局和发展。到目前为止，永磁体发展的两大趋势：低磁能积低价 格的铁氧体材料，高磁能积高价格的高级材料。下图为以 磁能积为标志的永磁材料的进展：到目前为止，永磁体发展的两大趋势：低磁能积低价 格的铁氧体材料，高磁能积高价格的高级材料。下图为以 磁能积为标志的永磁材料的进展：二二 .
11、 决定永磁材料性能技术磁参量 永磁材料的技术磁参量可分为非结构敏感参量（如饱 和磁化强度决定永磁材料性能技术磁参量 永磁材料的技术磁参量可分为非结构敏感参量（如饱 和磁化强度Ms）和结构敏感参量（如剩磁）和结构敏感参量（如剩磁Br或或Mr、矫顽 力、矫顽 力Hc，磁能积，磁能积(BH)max等）。前者主要由材料的化学成分和晶体结构决定；后者除了与内禀参量有关外还与晶粒尺 寸、晶粒取向、晶体缺陷、掺杂物等因素有关。等）。前者主要由材料的化学成分和晶体结构决定；后者除了与内禀参量有关外还与晶粒尺 寸、晶粒取向、晶体缺陷、掺杂物等因素有关。 (一一) 饱和磁化强度饱和磁化强度 Ms 饱和磁化强度饱和
12、磁化强度 Ms是永磁材料的极为重要的磁参量。永 磁材料均要求是永磁材料的极为重要的磁参量。永 磁材料均要求Ms越高越好，饱和磁化强度取决于组成材 料的磁性原子，原子磁矩和温度。在低温区它遵循越高越好，饱和磁化强度取决于组成材 料的磁性原子，原子磁矩和温度。在低温区它遵循Bloch定律：定律：简单立方，体心立方，面心立方晶体的值分 别为2、1、0.5。在T 0K时，, 是绝对饱和磁化强度。 在室温时，简单立方，体心立方，面心立方晶体的值分 别为2、1、0.5。在T 0K时，, 是绝对饱和磁化强度。 在室温时，( )(0)Ms TMs(0)Mse f fBN dM snA=其中，N为1mol的磁性
13、原子数，d为材料的密度；A为 相对原子质量； 其中，N为1mol的磁性原子数，d为材料的密度；A为 相对原子质量； B B为玻尔磁子，n为玻尔磁子，neffeff为有效玻尔磁子 数。为有效玻尔磁子 数。3 2( )(0)1 0.1187() TMs TMsTc=铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后在磁化方向保留的铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后在磁化方向保留的Mr或或Br简称为剩磁。简称为剩磁。Mr称为剩余磁化强度，称为剩余磁化强度，Br称为剩余磁感应强度。在称为剩余磁感应强度。在CGS单位制中单位制中 Br4Mr，Mr是由是由Ms到到Mr的反磁化过程决定的。的反磁化过程决定的。(二二) 剩磁剩磁Mr
14、永磁体的剩余磁化强度永磁体的剩余磁化强度Mr与饱和磁化强度与饱和磁化强度Ms有如 下的关系有如 下的关系MrMs式中 是不大于式中 是不大于1的系数。材料成分确定以后，的系数。材料成分确定以后，Ms就确 定了。估算出这个系数就能估算出就确 定了。估算出这个系数就能估算出Mr。根据磁畴磁矩的空间分布，可以计算永磁体的剩余磁化强 度。列出几个典型结果如下：（根据磁畴磁矩的空间分布，可以计算永磁体的剩余磁化强 度。列出几个典型结果如下：（1） 单轴晶系，混乱取向多晶体 ） 单轴晶系，混乱取向多晶体 0.5，Mr0.5Ms， 易磁化轴为， 易磁化轴为c轴轴001；(2) K10的立方晶系，混乱取向多晶
15、体， 的立方晶系，混乱取向多晶体， 0.832， 易磁化轴， 易磁化轴a轴，【轴，【100】。（】。（3）K10的立方晶系，混乱取向多晶体， 的立方晶系，混乱取向多晶体， 0.866，易 磁化轴为体对角线，易 磁化轴为体对角线，111；任何晶系，多晶体，当所有晶粒都沿着易磁化轴完整地取 向时 ；任何晶系，多晶体，当所有晶粒都沿着易磁化轴完整地取 向时 l，MrMs。 从上述数据可见，要提高剩余磁化强 度。 从上述数据可见，要提高剩余磁化强 度Mr，首先要提高饱和磁化强度，首先要提高饱和磁化强度Ms，同时要使晶粒定向完善。 对于非定向的多晶体而言，易磁化铀为，同时要使晶粒定向完善。 对于非定向的
16、多晶体而言，易磁化铀为111的立方晶系能获得 最大的值的立方晶系能获得 最大的值(0.866)。(三三) 矫顽力矫顽力HC铁磁体达到饱和以后，使它的磁化强度或磁感应强度降低 到零所需要的反向磁场称为矫顽力，分别记作铁磁体达到饱和以后，使它的磁化强度或磁感应强度降低 到零所需要的反向磁场称为矫顽力，分别记作HcM和和HcB，前 者叫内禀矫顽力，后者为磁感矫顽力。矫顽力与铁磁体由，前 者叫内禀矫顽力，后者为磁感矫顽力。矫顽力与铁磁体由Mr 到到M0的反磁化过程的难易程度有关。和技术磁化过程一 样，磁体的反磁化过程也包括畴壁位移和磁矩转向两个基本方 式。的反磁化过程的难易程度有关。和技术磁化过程一 样，磁体的反磁化过程也包括畴壁位移和磁矩转向两个基本方 式。 1畴壁钉扎引起的矫顽力 如果磁化反转是通过磁畴壁的移动进行的
