《材料磁性能》ppt课件

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1、材料物理性能,教 师：陈国钦 联系电话：13895774009 电子邮件： 办公地址：哈尔滨工业大学 科学园C3栋505,第六章 材料磁性能,6.1 磁学基本量及磁性分类 6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化,6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量： 1）磁场强度H：一根通有I安培(A)直流电的无限长直导线，在距导线轴线r米(m)处产生的磁场强度： 2）磁偶极矩m：环形电流在其运动中心处产生一个磁矩（或称磁偶极矩)： 3) 磁感应强度B：材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的的磁通量密度，称其为磁感应强度B。单位：特斯拉（T），或韦

2、伯/米2（Wb/m2)，或（VS/m2） 式中：u为磁导率，是材料的本征参数，表示材料在单位磁场强度的外加磁场作用下，材料内部的磁通量密度。在真空中 0为真空磁导率，0=410-7 （H/m),(A/m),(A m2),6.1 磁性基本量及磁性分类,1.磁学基本量： 4）相对磁导率r： 5）磁化率X： 6) 磁化强度M： 当M，B与H相互平行时，X和r为标量，否则，它们为多阶张量。 磁感应强度还可写成： 材料的宏观磁性是组成材料的原子中电子的磁矩引起的，产生磁矩的原因有两个 (1)电子绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩； (2)电子绕自身的旋转轴运动，产生

3、自旋磁矩，它比轨道磁矩要大得多。 因此可以把原子中每个电子都看作一个小磁体，具有永久轨道磁 矩和自旋磁矩。,1）H(A/m) -E (V/m) : 导致极化的外部驱动力的量度； 2）B ( VS/m2） -P (C/m2)：材料对外部作用场的响应的量度； 3) X（） - Xe 无量纲，描述材料对外部作用场的响应； 4） 0-0 建立材料的相应参数和尺度参比量,2.磁性参数与介电参数的比较,6.1 磁性基本量及磁性分类,例：将Al磁化到磁感应强度与地球的磁感应强度相同(6 10-5T)，Al的磁化率X=16.510-6），求施加的外部磁场强度。,6.1 磁性基本量及磁性分类,3.物质的磁性分类

4、： 根据固体中电子与外部磁场之间交互作用的性质与强度，将材料分为5类： 与外部无响应（基本）： 抗磁性 顺磁性 X 1 反铁磁性 与外部磁场有强烈的相互作用： 铁磁性 X1 亚铁磁性,6.1 磁性基本量及磁性分类,4.抗磁性/顺磁性 1）抗磁体：内部磁场M与外部磁场H的方向相反（X0, 10-6), 它们在磁场中受微弱的斥力。 可分为： “ 经典”抗磁体： X与T无关 Cu, Ag, Au, Hg, Zn “ 反常”抗磁体： X与T有关 Bi, Ga, In, Zr-Cu (其X是前者的10100倍） 注：电子绕原子核的轨道旋转对物质的抗磁性有贡献，电子的自旋可能对顺磁性有贡献。 组成物质的原

5、子具有完全填满的电子壳层，具有抗磁性。在填满的壳层中，正负电子自旋的电子数相等，来自自旋运动总的磁矩为0，例：大多数的离子键晶体和共价键晶体，几乎全部在机化合物，惰性气体。,6.1 磁性基本量及磁性分类,4.抗磁性/顺磁性 2）顺磁体：磁化率X为正值，约为10-310-6, 它们在磁场中受微弱的引力。 可分为： 正常顺磁体： X 1/T Pt, 钯，奥氏体不锈钢，稀土金属 X与温度无关的顺磁体： Li, Na, K, Rb （1） 源自未填满的内电子壳层中那些未成对的电子具有的磁矩，绝大多数的过渡金属和稀土金属具有顺磁性。 （2） 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料

6、的特性,1. 铁磁性 X1, 在较低的温度下，铁磁物质中相邻原子磁偶极矩之间的交换作用，其强度可以克服热起伏的影响，结果没有外部磁场的作用下，相邻的偶极子也彼此整齐的排列。 例：纯铁- B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/m FeSO4(顺磁性）， B0=10-6T时，其磁化强度M=0.001A/m 具有铁磁性的物质满足以下条件： 1） 内层电子未填滿， 2） 未填满的电子层有较小的轨道半径 3） 未填满的电子层的电子能带很窄 上述条件在Fe, Co, Ni的 3d能带及稀土金属的4f得到满足：,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,1. 铁磁性 居里温度 对于所有的磁性材料来说，并不是

7、在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。 居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时, 该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,2. 磁化曲线 特征： 非线性的， Ms: 饱和磁化强度； Bs: 饱和磁感应强度 (1) 起始磁导率（ui ): 磁化曲线起始部分

8、的斜率. (2) 最大磁导率（um ): 磁化曲线拐点k处的斜率,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,3. 磁滞回线 当H下降时，B-C-D-E Mr: 剩余磁化强度 Br: 剩余磁感应强度 Hc: 矫顽力 得封闭曲线：EFG-B (1) 退磁过程中M的变化落后于H的变化-磁滞现象； (2) 试样的磁化曲线形成一个封闭曲线-磁滞回线。 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4. 磁晶各向异性和各向异性能 1） 磁性的各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的。 磁化功：使铁磁体磁化消耗的能量。 磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶

9、轴方向的能量差。 2）对于 Fe, Ni, Co,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,4. 磁晶各向异性和各向异性能 3） 对于立方晶系：设，分别为磁化强度M与三个晶轴方向的余弦，即 有： Ek: 磁晶各向异性能 K0：主晶轴方向磁化能量，与变化的磁化方向无关。 K1，K2：磁晶各向异性常数，由原子结构决定。一般情况下，K2可以忽略。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,5. 铁磁体的形状各向异性及退磁能 1） 形状各向异性：对一定形状的材料，沿不同方向测得的磁化曲线是不同的。 2）静磁能：铁磁体在磁场中的能量。包括铁磁体与外磁场 的作用和铁磁体在自身退磁场中的能量。 3）退磁场：形状各向异性

10、是由退磁场引起的。 退磁场强度： 退磁场强度与磁化强度成正比， 负号表示退磁场的方向与磁化强度的方向相反。 D为退磁场因子，与形状有关。,6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性,5. 磁致收缩与磁弹性能 1） 磁致收缩：铁磁体在磁场中磁化，形状与尺寸都会发生变化。 特性：（1）与磁场强度有关 （2）与磁化方向成角度时，有： （3） 各向异性 2）磁弹性能：磁化时材料变化尺寸受限制，产生应力，从而产生弹性能，物体内部的缺陷，杂质都可能增加其磁弹性能。,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,1. 自发磁发理论 1） 铁磁性产生的原因： (a) 自发磁化的根源是原子磁矩，而且起主导作用的是电子的自旋磁矩

11、。在电子壳层存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。 (b) 原子之间的相互键合作用是否对形成铁磁有利。 原子形成分子 -电子云相互重叠，电子相互交换位置-交换能（Eex）-使相邻原子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列。 A: 交换积分常数，为相邻的两个电子自旋磁矩的夹角,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,1. 自发磁发理论 交换积分A： A0时，相邻原子磁矩同向排列，从而实现自发磁发，产生铁磁性 本质：静电力迫使电子自旋磁矩平行排列 与电子运动状态的波函数有关，还与原子核之间的距离有关Rab 只有当 Rab / r 3时，A才为正。 r为参加交换作用的电子距核的距离 （电子壳层的半径

12、） 铁磁性产生的条件： （1） 原子内部要有未填满的电子壳层（本征磁矩不为0） （2） Rab/r 3，使交换积分A为正。（一定的晶体结构）,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,2） 反铁磁性和亚铁磁性： 所有偶极子指向相同的方向-铁磁性 但有其它特殊的情况： 方向交替变化的偶极子具有相同的大小：反铁磁性 如果相反方向交替排列的两种偶极子大小不同：亚铁磁性,相邻磁偶极子之间的3种相对取向有关系 a) 反铁磁性的物质： 纯金属：a-Mn, Cr MXn的化合物，M：过渡金属原子；X：电负性原子（O，S，Fe,F)，n=1或2. 例：MnO, CuO, NiO 只有一种类型的金属原子-偶极子大小

13、相同,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,2） 反铁磁性和亚铁磁性：,b) 亚铁磁性的物质： 晶体结构中不只有一种类型的金属原子，材料可能会出现亚铁磁性。 典型的材料为氧化物陶瓷材料： 立方铁氧体（MFe2O4 M: 二价过渡金属 Ni, Co, Fe, Mn, Zn) 稀土铁氧体（M3Fe5O12 M:三价稀土金属 Y，Cd) 六方铁氧体（MFe12O19 M：第A族2价金属 Ba, Ca, Sr) 用途：变压器的铁心，电感器，及存储器 例：判断下属材料是反铁磁还是亚铁磁的；如果是亚铁磁材料，请预测它是一种立方铁氧体，稀土铁氧体还是六方铁氧体。 CrF2, MnFe2O4, CaFe12O

14、19, CuO, Cd3Fe5O12,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,3）磁畴： （1）概念：磁体由不同磁偶极矩取向的小区域组成 的每一区域为磁畴 磁偶极子：定向排列 主畴：长而大，且自发磁化方向是晶体的易磁方向 副畴：小而短的磁畴，副畴无上述固定关系 （2）磁畴壁：相邻磁畴的界限，有180度和90度， 实质上是具有一定厚度的过渡区，在其中过渡区中原子磁矩是逐步改变的。 特例：在整个过渡区中原子磁矩都平行于畴壁平面， 这种壁叫做Bloch壁。铁中这种壁厚大约为300个点阵常数。,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,3）磁畴： （3）磁畴壁的能量：交换能 Eex ，磁晶各向异性Ek，二者

15、是相互矛盾的。 另：由于原子磁矩的逐渐转向，各个方向上伸缩的难易程度不同产生磁弹性能；,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,3）磁畴： （4）磁畴的形成 a) 单晶： 交换能力-晶体自发磁发饱和，磁化方向沿晶体易磁化方向（Eex和Ek为最小值）-产生磁极-退磁场-破坏已形成的自发极化-分畴 分畴：减小退磁能是分畴的基本动力,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,3）磁畴： （4）磁畴的形成 b) 多晶： 晶界：磁畴壁一般不穿过晶界作用 夹杂物，空洞：（1）出现楔形畴附加畴 （2）吸收畴壁的作用 不均匀应力：磁化不均匀，出现散磁场,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,2. 技术磁发理论 1）

16、 技术磁化的本质 (a)基本概念：外加磁场对磁畴的作用过程，外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。 形式：磁畴壁的迁移和磁畴的旋转。 (b)技术磁化的过程 区：磁畴壁可逆迁移区 区：不可逆迁移区 区： 磁畴旋转区 磁化曲线的斜率由小变大，达到最值， 再变小的过程。,6.3 磁性材料的自发磁发和技术磁发,具体机制： （1） 未加磁场时，形成两个磁畴，磁畴壁通过夹杂相 （2） H增加，磁畴壁移动，形成几段圆弧（内部原子磁矩转向过程），取消磁场，可以回到原位（第一阶段，可迁移阶段） （3） H继续增加，磁畴壁脱离夹杂物，到达中线，再达到另一夹杂物，不会由于H取消回到原位，为不可逆迁移，磁导率较高） （4）H再增加，整个磁畴的磁矩方向转向外