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1、第二章第二章 稀土磁性材料稀土磁性材料Chapter 2 Rare Earth Magnetic Materials稀土永磁材料稀土永磁材料超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料稀土磁致冷材料稀土磁致冷材料稀土磁泡和磁光材料稀土磁泡和磁光材料English names of rare earth elementsLalanthanumCeCeriumPrPraseodymiumNdNeodymiumPmPromethiumSmSamariumEuEuropiumGdGadoliniumTbTerbiumDyDysprosiumHoHolmiumErErbiumTmThuliumYbYtterbiumLu
2、lutetiumScScandiumYyttrium2.1 磁学基础磁学基础具有强磁性的材料称为磁性材料。具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。量状态的功能，是重要的功能材料。 磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。天、农业、生物与医疗等技术领域。磁性材料的分类磁性材料的分类 按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁磁性材
3、料性材料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性性、亚铁磁性磁化率的概念磁化率的概念l任何材料在外加磁场H的作用下都会产生一定的磁化强度M与其相应。 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化具有极高的磁化率，磁化易达到饱和率，磁化易达到饱和的物质。的物质。如如Fe，Co， Ni， Gd等金属及其合金称等金属及其合金称为铁磁性物质。为铁磁性物质。 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性 m= 10-2 106磁磁场场 亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性 m= 10
4、-2 106磁磁场场 如铁氧体如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，等，是一些复杂的金属化合物，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。具有高磁化率和居里温度。 顺磁性物质顺磁性物质 存在未成对电子存在未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O， Gd2O3 ；在居里温度以上的铁磁；在居里温度以上的铁磁性金属性金属Fe, Co, Ni等。等。 居里温度居里温度 由铁磁性或亚由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临铁磁性转变为顺磁性的临界温
5、度称为居里温度界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 抗磁性物质抗磁性物质 不存在不存在未成对电子未成对电子 没有永没有永久磁矩。惰性气体，不久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和机化合物，某些金属和非金属。非金属。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m= -10-5 -10-6磁磁场场 反反铁铁磁磁性性物物质质 FeO，FeF3，NiF3，NiO， MnO， 各
6、各 种种锰锰盐盐以以及及部部分分铁铁氧氧体体ZnFe2O4等等，它它们们相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩反反向向平平行行，而而且且彼彼此此的的强强度度相相等等，没没有有磁性。磁性。反铁磁性反铁磁性 m= 10-2 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁材料、旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料磁光材料、磁记录材料 2.2 稀土永磁稀土永磁材料材料l一、永磁材料的技术磁参量一、永磁材料的技术磁参量非结构敏感参数：非结构敏感参数：主要
7、由材料的化学成分和晶主要由材料的化学成分和晶体结构来决定，也称为内禀磁参量。体结构来决定，也称为内禀磁参量。 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms ，居里温度，居里温度Tc结构敏感参数：结构敏感参数：强烈地依赖材料的结构和微观强烈地依赖材料的结构和微观结构，例如晶粒尺寸，晶粒取向，晶体缺陷，掺结构，例如晶粒尺寸，晶粒取向，晶体缺陷，掺杂物机械加工及热处理条件等有关。杂物机械加工及热处理条件等有关。 剩磁剩磁Mr、矫顽力、矫顽力Hc、磁能积（、磁能积（BH）max1.饱和磁化强度饱和磁化强度Ms Saturation Magnetizationl定义：在给定的温度下，给定的材料能达定义：在给定的温度下，
8、给定的材料能达到的磁化强度最大值。到的磁化强度最大值。l永磁材料的永磁材料的Ms越高越好，它标志着材料的越高越好，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值最高。最大磁能积和剩磁可能达到的上限值最高。l单位名称为安每米，单位符号为单位名称为安每米，单位符号为A/m2.居里温度居里温度Tcl铁磁性或亚铁磁性转变成顺磁性时对应的临界温度。Tc越高，永磁材料的使用温度越高，温度稳定性好。3.磁能积（磁能积（BH）max Magnetic Energy Product 磁铁在空气隙中产生的磁场强度除了与磁磁铁在空气隙中产生的磁场强度除了与磁铁体积、气隙体积有关外，主要决定于磁铁铁体积、气隙体积有关
9、外，主要决定于磁铁内部的磁感应强度内部的磁感应强度B和磁铁的退磁场和磁铁的退磁场H的乘积。的乘积。因此因此BH代表永磁体的能量，称为磁能积。代表永磁体的能量，称为磁能积。(BH)m称为最大磁能积。称为最大磁能积。l磁畴结构在外磁场的作用下，从磁中性磁畴结构在外磁场的作用下，从磁中性状态到饱和状态的过程，称为状态到饱和状态的过程，称为磁化过程磁化过程。l磁畴结构在外磁场的作用下，从饱和状磁畴结构在外磁场的作用下，从饱和状态返回到退磁状态的过程，称为态返回到退磁状态的过程，称为反磁化反磁化过程过程。4.剩磁剩磁Br Remanence l永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场永磁体经磁化至技术饱和，
10、并去掉外磁场后，所保留的磁性，后，所保留的磁性，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。称为剩余磁感应强度。多晶体：多晶体： Vi代表第代表第i个晶粒的体积；个晶粒的体积；i代表第代表第i个晶粒的个晶粒的Ms方向与外方向与外磁场的夹角；磁场的夹角；V为样品的总体积。为样品的总体积。 单晶体：单晶体： 5.矫顽力矫顽力 Coercive Force铁磁体磁化到饱和以后，使它的磁化强度或铁磁体磁化到饱和以后，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成为磁感应强度降低到零所需要的反向磁场成为矫顽力。用矫顽力。用Hc表示。表示。 Hci表示内禀矫顽力表示内禀矫顽力 H
11、cb表示磁感矫顽力表示磁感矫顽力矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量。在。在磁体使用中，磁体使用中，Hc越高，表示温度稳定性越好。越高，表示温度稳定性越好。6.各向异性场各向异性场HA Anisotropy fieldl沿难磁化轴磁化到饱和所需要的磁化场沿难磁化轴磁化到饱和所需要的磁化场称为各向异性场称为各向异性场HA。l物质中相对于一给定参照系的各不同方物质中相对于一给定参照系的各不同方向上，物质具有不同的磁特性的现象。向上，物质具有不同的磁特性的现象。l人们习惯按矫顽力人们习惯按矫顽力Hc的高低，对的高低，对磁性材料进行分类：磁性材料进行分类： 0.
12、08A/m Hc80A/m 软磁材料软磁材料 80A/m Hc 4000A/m 硬磁材料硬磁材料 硬磁材料经充磁至饱和，去掉外磁场硬磁材料经充磁至饱和，去掉外磁场后，仍能保留其磁性，所以又称为永磁材后，仍能保留其磁性，所以又称为永磁材料或恒磁材料。料或恒磁材料。l硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材料的各向异性场（料的各向异性场（HA）高、矫顽力（）高、矫顽力（Hc）高，技术磁化到饱和需要的磁场大。高，技术磁化到饱和需要的磁场大。选择永磁合金基本特性主要考虑因素选择永磁合金基本特性主要考虑因素l1. 高的饱和磁化强度高的饱和磁化强度Ms (最大磁能积最大磁能
13、积)l2. 高的居里温度高的居里温度Tc 影响合金的使用温度影响合金的使用温度l3.大的磁各向异性大的磁各向异性 HA合金的磁硬化机制合金的磁硬化机制有利于得到高内禀矫顽力有利于得到高内禀矫顽力l 三者缺一不可，否则不会成为实用永三者缺一不可，否则不会成为实用永磁合金。磁合金。铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化铁磁体磁化到技术饱和以后，使它的磁化强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力。 磁滞回线磁滞回线B B 剩磁剩磁剩磁剩磁HcHc矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力在在较较弱弱的的磁磁场场下下易易于于磁磁化化，也也易易于于退退磁磁的的材材料料称称为为软磁材料软
14、磁材料。 磁导率大，矫顽磁导率大，矫顽力小力小(Hc100A/m)，滞损耗低，磁滞，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。回线呈细长条形。 软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线 软磁材料软磁材料主要软磁材料材料主要软磁材料材料Mn-Zn、 Li-Zn铁铁 氧氧 体体 、 Ni-Zn、NiCuZn 铁氧体、铁氧体、MnFe2O4 、 NiFe2O4软磁材料应用软磁材料应用 软磁材料适用于交变磁场，可用来制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；变造各种发电机和电动机的定子和转子；变压器，电感器，电抗器，继电器和镇流器压器，电感器，电抗器，继电器和镇流
15、器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。 磁磁化化后后不不易易退退磁磁，而而能能长长期期保保留留磁磁性性的的铁铁氧氧体体材材料料称称为为硬硬磁磁材材料料，因因而而也也称称永永磁磁材材料料或或恒恒磁磁材材料料。磁磁滞滞回回线线包包围围面面积积大大，(Hc400A/m) 矫顽力大。矫顽力大。 硬磁材料磁滞回线硬磁材料磁滞回线硬磁材料磁滞回线硬磁材料磁滞回线 硬磁材料硬磁材料永磁材料的应用永磁材料的应用 主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量，信息的转换。功，或实现能量，信息的转换。
