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1、第4章磁性材料（MagneticMaterials） 一、前 言人类对磁性的认识和应用有着悠久的历史。司南（战国时期）司南利用天然磁石琢磨而成,样子像一把勺，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方。地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近. 磁性是少数物质所特有的现象呢？还是一切物质都存在的普遍现象呢？ 1、安培分子电流学说 组成磁铁的每个分子都具有一个小的分子电流，经过磁化的磁铁其小分子电流都定向规则排列。二、物质磁性的起源2、 现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性（1）原子中外
2、层电子的轨道磁矩（2）电子的自旋磁矩（3）原子核的核磁矩正确的答案是： 磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。 换句更简单的话说就是： 一切物质都具有磁性。1、磁极和磁偶极子磁极：磁性强的区域 N极：指北的一端，正磁极；正磁荷，+ m S极：指南的一端，负磁极；负磁荷，-m 磁荷可以看成点磁荷，客观上并不存在 磁偶极子：无限小的磁体产生的磁偶极矩为：（矢量）三、磁性的基本概念 在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。那么，铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。N极和S极之间的曲线是连续的，而S极和S极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。
3、 假想在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。 在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。 磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。2、磁力线和磁场3、磁场强度：描述空间某一点磁场的大小和方向，用H表示。 设试探磁极的点磁荷为m，它在磁场中某处受力为F，则该处的磁场强度矢量H为： 4、磁化强度：指磁体内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，它反映出磁体的磁性强弱程度。5、磁感应强度： 在磁场中垂直于磁场方向的
4、通电导线，所受的安培力F跟电流I和导线长度L的乘积IL的比值叫做磁感应强度。BF/ILB=m0(H+M)，其中m0是一个系数，叫做真空磁导率。6、磁导率：磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。磁导率的定义是m=B/m0H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。7、居里温度 对于所有的磁性材料来说，并不是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，称为居里温度。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，物体变成磁性材料。 利用磁性材料存在居里温度的特点，可以开发出很
5、多控制元件。根据物质在磁场中的行为可将物质分为五类：n顺磁性物质n抗磁性物质n铁磁性物质n亚铁磁性物质n反铁磁性物质四、磁性的分类磁化率H：磁场强度；M：磁化强度它是材料磁化难易程度的标志。1、顺磁性物质 =10-6 10-5 Cu、Ag、Au无外磁场作用时磁场 外磁场作用时Curie Law: =C/T2、抗磁性物质 = -10-5 -10-6磁场 无外磁场作用时外磁场作用时3、铁磁性物质 = 10-2 106 Fe、Co、Ni Curie-Weiss Law: =C/T-Tc 无外磁场作用时外磁场作用时4、反铁磁性物质 = 10-2 10-5 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO无外
6、磁场作用时外磁场作用时5、亚铁磁性物质 = 10-2 106 铁氧体(M2+Fe23+O4)外磁场作用时五、铁磁体1、特点(1) 具有自发磁化(2) 具有磁畴磁畴的体积约为10-9cm3 从能量最低原则，铁磁性物质中自发形成许多磁化小区，称为磁畴。各磁畴的交界为磁畴壁(Domain wall)，畴壁厚度约为10-6cm.磁性材料中常见的磁畴形状：条形畴，树枝状畴和迷宫畴n磁畴在某一温度以上消失，而使材料变为顺磁性的，这个温度称居里点Tc，即磁性转变温度。n在居里点以下，物质是铁磁性的.n居里点是铁磁性物质的基本特征. 日常使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁
7、铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。磁畴的翻转与磁畴壁移动畴壁厚度约为10-6cm磁畴壁在磁场中的移动磁畴的翻转（3）具有磁化曲线和磁滞回线 磁化曲线和磁滞回线是表示物质铁磁性的最基本曲线。n一次磁化曲线上原点附近的斜率为初始磁导率0。n一次磁化曲线上通过原点的切线最大斜率为最大磁导率m。nBs为饱和磁感应强度。n使剩磁消失的的反向磁场大小叫矫顽力，用HC表示。n退磁曲线上B和H乘积的最
8、大值称最大磁能积(BH)max 。 HBHdBd(BH)maxBd Hd(BH)max0mSBs软磁材料硬磁材料矩磁材料按磁性种类按化学成份金属磁性材料非金属磁性材料按使用形态块体磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料 磁性材料六、磁性材料的分类 在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。 磁导率大，矫顽力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。 软磁材料磁滞回线1、软磁材料主要软磁材料 铁和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等铁氧体都是软磁材料。软磁材料应用 软磁材料适用于交变磁场，可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子；变压器，
9、电感器，电抗器，继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。 变压器变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。 软磁材料的应用磁性传感器 普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。 磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料称为硬磁材料，因而也称永磁材料或
10、恒磁材料。磁滞回线包围面积大，(Hc400A/m) 矫顽力大。 硬磁材料磁滞回线硬磁材料磁滞回线 2、 硬磁材料Al-Ni-Fe系合金和Al-Ni-Co系合金稀土永磁合金 是稀土金属和过渡族金属形成的金属间化合物。是目前具有最高永磁特性的永磁材料。用于制造大退磁场的行波管聚焦磁铁、微型永磁马达和发电机及微型高灵敏度仪表等。n六十年代第一代稀土永磁（1:5型R-Co永磁）n七十年代第二代稀土永磁（2:17型R-Co永磁）n八十年代第三代稀土永磁（R-Fe-B永磁）永磁铁氧体 非金属永磁材料 MFe12O19 M为Ba、Sr、Pb及其组合物主要永磁材料永磁材料的应用 l永磁体在电机中得到了广泛的应
11、用，一般做磁极用，即可作转子又可作定子。l在微波铁氧体器件中的应用微波铁氧体器件是现代微波通讯、人造卫星、雷达发射机和接收机，以及微波遥感等设备中的关键器件。矩磁材料磁滞回线3、矩磁材料磁滞回线近似矩形的磁性材料，结晶各向异性，应力各向异性。 常用的矩磁材料 在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系， (Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65 +125较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。矩磁材料的应用 矩磁材料的剩余磁感应强度Br接近于饱和值Bs，矫顽力不大。若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和
12、-Bm 两种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料的两种剩磁状态+Br和-Br就可以分别代表两个数码，起到记忆作用。因此矩磁材料适于做信息存储元件的磁性开关。七、 磁性材料应用1、磁记录磁盘的信息存贮和读出原理示意图2、 电磁炉 电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。 金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。特
13、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3、隐身飞机 F117隐形战斗机为了躲避敌方雷达的监测，在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。4、电磁炮 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。第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰教授，1901年就获得了专利。八、新型的磁性材料 非晶
14、态磁性材料 与晶态相比，具有高强度、高耐腐蚀性与高电阻率、高磁导率、低损耗的特性。 三大类： （1）过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金； （2）稀土过渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe等； （3）过渡金属过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr等。 纳米磁性材料特性：超顺磁性，如无磁滞，高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度等原因：与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级； 例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100 nm量级。 当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。 将非晶材料在
15、晶化温度之上进行退火处理，可以转变为晶态，如在FeSiB非晶合金组成中再添加Cu，Nb等元素，以细化晶粒并限制退火过程中晶粒的生长，就可以获得纳米晶磁性材料。坡莫磁性合金（NiFe）纳米颗粒 磁性液体1963年，美国国家航空与航天局的SPapell采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。 生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。例如
16、对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm；对金属微颗粒，通常小于6nm。 为了防止颗粒聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面必须化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂)，高分子的链要足够地长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力，此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和。 在宇宙飞船的外面常伸出一根轴，轴的端部固定着一架望远镜。飞船内部的压力是大气压力，而舱外的压力却是零，而且处在宇宙的低温下。在这种条件下，用最好的橡胶制成的密封件也只能维持几小时的寿命，而磁性液体密封件的寿命则实际上是无限的。磁性液体的用途 磁性液体密封原理 磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。
