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1、磁性材料磁性材料MagneticMaterials材料的磁性材料的磁性l磁性是物质的一种基本属性l弱磁性弱磁性：抗磁性、顺磁性l强磁性强磁性：铁磁性、亚铁磁性l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。l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、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域磁石磁石磁性材料的分类磁性材料的分类l按性质分类按性质分类：金属类磁性材料金属类磁性材料：电工钢、镍基合金和稀土合金等非金属类磁性材料非金属类磁性材料：铁氧体材料l按使用分类按使用分类：软磁材料、永磁材料和功能磁性材料功能磁性材料l按磁化率大小分类按磁化率大小分类：顺磁
2、性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性l按功能分类按功能分类：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、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料功能磁性材料功能磁性材料l磁致伸缩材料l磁记录材料l磁电阻材料l磁泡材料l磁光材料l旋磁材料l磁性薄膜材料，等 铁磁性铁磁性 （ferromagnetism） l过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性l1907年年：法国物理学家P.E.外斯提出了铁磁现象的唯象理论。假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。l实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩l
3、1928年年：W.K.海森伯用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释l1930年年：F.布洛赫提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用铁磁性的特点铁磁性的特点l在外磁场作用下较易达到磁饱和，此时磁化强度不再随外磁场的增加而增加，而一般顺磁体则很难达到磁饱和l磁化强度与磁场强度之间为非线性关系，即磁化率和磁导率不是常数，而顺磁体的磁化率和磁导率在一定温度下是常数l存在一个临界温度Tc（居里温度或居里点），当温度高于Tc时铁磁性消失，铁磁体转变成顺磁体。在居里温度附近磁导率和比热容呈现反常增加l外磁场变化时，磁化强
4、度的变化滞后于外磁场的变化“磁滞效应”，表明铁磁体磁化过程的不可逆。当撤去外磁场时，铁磁体仍保留部分磁性，磁化强度不为零。而顺磁体在撤去外磁场时，磁化强度立即变为零软磁材料软磁材料（SoftMagneticMaterial）l具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，磁滞回线呈细长条形l软磁材料易于磁化，也易于退磁l应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等l l主要软磁材料材料：主要软磁材料材料：主要软磁材料材料：主要软磁材料材料：Mn-Zn、Li-Zn铁氧体、Ni-Zn、NiCuZn铁氧体、MnFe2O4、NiFe2O4l l软磁材料应用：软磁材料应用：软磁材料应用：软磁材料应用：
5、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，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的分类软磁材料的分类l纯铁和低碳钢（含碳量低于纯铁和低碳钢（含碳量低于0.04）特点：饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等lFe-Si系合金（系合金（Si0.54.8），俗称硅钢片），俗称硅钢片在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象
6、特点：电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小。应用于交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯lFe-Al系合金（系合金（Al：616）特点：具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。lFe-Si-Al系合金（在系合金（在Fe-Al合金中加入合金中加入Si）特点：硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头lNi-Fe系合金（系合金（Ni：3090），又称坡莫合金），又称坡莫合金特点：通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能
7、，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料lFe-Co系合金（系合金（Co：2750）特点：具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等l软磁铁氧体软磁铁氧体特点：电阻率高（10-21010m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件l非晶态软磁合金，又称金属玻璃非晶态软磁合金，又称金属玻璃特点：磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料l
8、超微晶软磁合金（超微晶软磁合金（20世纪世纪80年代发现的一种软磁材料）年代发现的一种软磁材料）特点：由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。永磁材料永磁材料（PermanentMagneticMaterial）l具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料，又称硬磁材料l常用的永磁材料常用的永磁材料：lAl-Ni-Co系永磁合金（以系永磁合金（以Ni、Co、Al为主要成分，还含有为主要成分，还含有Cu、Ti等）等）特点：具有高剩磁和低
9、温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等lFe-Cr-Co系永磁合金（以系永磁合金（以Fe、Cr、Co为主要成分，还含有为主要成分，还含有Mo和少量的和少量的Ti、Si）特点：加工性能好，可进行冷热塑性变形，可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件l永磁铁氧体（主要有钡铁氧体和锶铁氧体）永磁铁氧体（主要有钡铁氧体和锶铁氧体）特点：电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。原材料来源丰富，工艺简单，成本低，用于制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等
10、。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件l稀土永磁材料（主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料）稀土永磁材料（主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料）特点：磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的35倍，永磁铁氧体的810倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。l复合永磁材料（由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物复合永磁材料（由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成）质复合而成）特点：由于其含有一定比例的粘结剂，磁性能显著降低。使用温度较低，一般不超过15
11、0。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等矩磁材料矩磁材料l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。l常用的矩磁材料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l矩磁材料的应用：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Bm，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
12、处于+Bm和-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+Bm和-Bm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矩磁材料磁滞回线矩磁材料磁滞回线旋磁材料旋磁材料l能使作用于它的电磁波发生一定角度偏转的材料称能使作用于它的电磁波发生一定角度偏转的材料称为旋磁材料为旋磁材料l旋磁材料基本上是铁氧体磁性材料，一般叫微波铁旋磁材料基本上是铁氧体磁性材料，一般叫微波铁氧体材料氧体材料l常用的旋磁材料常用的旋磁材料Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-A
13、l，Ni-Cr铁氧体，铁氧体，Li-Al，Li-Mg铁氧体等铁氧体等l旋磁材料的应用：旋磁材料的应用：用于与输送微波的波导管或传输线等组成的各种微波器用于与输送微波的波导管或传输线等组成的各种微波器件，件，主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设主要用于雷达、通讯、导航、遥测、遥控等电子设备中备中磁致伸缩材料（MagnetostrictiveMaterial）l金属磁致伸缩材料金属磁致伸缩材料：饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金l铁氧体磁致伸缩材料铁氧体磁致伸缩材料：饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受
14、较高功率，但电阻率高，可用于高频段l巨磁致伸缩材料巨磁致伸缩材料。磁致伸缩系数远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和传感器件磁记录材料磁记录材料（MagneticRecordingMaterial）l利用磁特性和磁效应输入（写入）、记录、存储和输出（读出）声音、图像、数字等信息磁性材料。分为：磁记录介质材料和磁头材料l磁记录材料的记录原理磁记录材料的记录原理：在记录信息过程中，输入信息先转变为相应的电信号输送到磁头线圈中，使记录磁头中
15、产生与输入电信号相应的变化磁场；此时紧靠近气隙并以恒定速度移动的磁带上的磁记录介质受到变化磁场的作用，从原来的退磁状态转变为磁化状态，即将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布；磁带通过磁头后转变到相应的剩磁状态，从而记录下与气隙磁场、磁头电流和输入信号相应的信息。当需要输出信息时，正好与上述记录过程相反l磁记录材料按形态分为：颗粒状和连续薄膜材料两类l按性质分为：金属材料和非金属材料l广泛使用的磁记录介质广泛使用的磁记录介质：-Fe2O3系材料，CrO2系、Fe-Co系和Co-Cr系材料等l磁头材料磁头材料：主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系铁氧体、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb系及F
16、e-Al-Si系合金材料等磁性薄膜材料磁性薄膜材料(MagneticThinFilmMaterial)l厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料l制备方法主要有：制备方法主要有：真空蒸发法：在真空状态下将加热蒸发的磁性材料沉积在基片上电沉积法：将磁性材料和基片做成阳极和阴极，在电解液中通过电化学作用，磁性阳极材料沉积到阴极基片上溅射法：将磁性阳极材料和基片分别作为阴极和阳极，在抽真空后又充入惰性气体电离成离子并高速轰击阴极，使阴极表面溅射出的原子附着于阳极基片上外延生长法、化学镀膜法，等l分分类：类：按材料性质分为：金属和非金属磁膜材料按材料组织状态分为：非晶、多层调制和微晶磁膜材料l
17、应应用用：制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等；也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等磁电阻效应磁电阻效应与与磁电阻材料磁电阻材料法德科学家获得法德科学家获得20072007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖l这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。l瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。这项技术被认为
18、是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。法国的艾伯特费尔特(AlbertFert)德国的彼得格兰贝格(PeterGrunberg)物理学奖得主小传物理学奖得主小传l这两位科学家都比较喜欢音乐。费尔最喜欢的乐手是美国爵士乐钢琴家塞罗尼斯蒙克，而格林贝格尔对古典音乐十分痴迷，他还是一名吉他爱好者。l费尔1938年3月出生于法国南部小城卡尔卡索纳，1970年在南巴黎大学获博士学位，1976年开始担任南巴黎大学教授。自1995年以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学主管。费尔于2004年当选法国科学院院士。l格林贝格尔1939年出生于比尔森，1969年在达
19、姆施塔特技术大学获博士学位，1972年开始担任德国于利希研究中心教授，2004年退休。l格林贝格尔的知识产权保护意识比较强。两位科学家1988年发现“巨磁电阻”效应时意识到，这一发现可能产生巨大影响。格林贝格尔为此还申请了专利。磁电阻磁电阻l磁电阻磁电阻：指在一定磁场下电阻改变的现象l巨磁阻巨磁阻：指在一定的磁场下电阻急剧改变（减小或增加），一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍磁电阻效应磁电阻效应磁电阻效应磁电阻效应：在外加磁场的时候，载流材料的电阻值发生改变的现象被称为磁电阻效应(MagnetoresistanceEffect，简记为MR)。设没有加磁场的时候样品电
20、阻率为(0,T)加磁场后的电阻率变为(H,T)，其中T表示温度，H表示磁场磁电阻效应的大小为：MR0：正磁电阻效应，磁电阻随外加磁场的增大而增大，又称为正常磁电阻效应(ordinarymagnetoresistanceeffect,OMR)MR0，即电阻率随温度T的降低而降低，材料表现出金属性导电相反，如果发现d/dT0，认为材料是半导体性或绝缘体性导电对大多数陶瓷材料，发现它们的导电行为接近半导体性导电锰基钙钛矿结构氧锰基钙钛矿结构氧化物的庞磁电阻效化物的庞磁电阻效应和磁相变应和磁相变以La-Ca-Mn-O为例：l电阻在260K处发生了金属半导体转变l磁电阻也在转变温度附近出现峰值l这即所谓
21、的CMR效应l具有CMR效应材料在出现金属半导体转变的同时,l其磁电阻效应发生由铁磁顺磁的相变磁电阻材料和效应的应用磁电阻材料和效应的应用l磁电阻材料(主要是GMR和CMR材料)在全世界范围内受到普遍的重视是与其巨大的应用价值分不开的l仅就数值不大的各向异性磁电阻效应来说，采用室温下AMR仅为2.5的坡莫合金在3.5寸硬盘上利用双元件磁头就可实现3GB/in2的高记录密度l用于数控机床、非接触开关的位移传感器l用于汽车测速和控速及旋转编码器的角度传感器l巨磁电阻效应的发现给磁电阻器件的发展带来了新的希望和更广阔的空间l在金属多层膜巨磁电阻效应发现仅六年后的1994年，IBM公司就宣布利用GMR
22、研制成硬盘读出磁头的原型，将磁盘系统的记录密度提高17倍，达到1010bit/in2，超越了现有光盘的记录密度，是计算机电子工业的重大突破l各类磁电阻传感器，如果基于GMR材料，则它们的输出信号将大为增强，从而可以简化信号接收和处理，使器件小型化，更廉价l用GMR材料制作的磁电阻型随机存储器，其读写速度及面密度差不多可与半导体材料中的动态随机存储器相比拟lGMR在自旋晶体管等方面的应用正在研制中l由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外，还可应用于测量位移，角度等传感器中，l用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能
23、工作于恶劣的工作条件等优点l利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。l巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱微弱磁场探测器磁场探测器l在21世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是无法测量的，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个任务。使用环境：650保温17小时，最高工作温度1200保温27小时，退火周期150小时，罩内保护气体为H2:N2=3:1；气体压力0.25MPa，罩外部处于以煤气为燃烧介质的炉堂，内罩裙部插入炉台的白硅砂内密封。武钢Si钢热处理车间的硅钢环形炉（ROF）及内罩
