第三章磁性材料.

磁性材料磁性功能材料——磁性材料指那些有實際工程意義具有較強磁性的材料。是最古老的功能材料。西元前幾世紀人類就發現自然界中存在天然磁體，磁性(Magnetism)一詞就因盛產天然磁石的Magnesia地區而得名。早期的磁性材料主要是軟鐵、矽鋼片、鐵氧體等。二十世紀六十年代起，非晶態軟磁材料、納米晶軟磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相繼出現。磁性材料廣泛應用於電腦及聲像記錄用大型存放區裝置如磁片、磁帶，電工產品如變壓器、電機，以及通訊、無線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業、機械行業和日常生活中不可缺少的材料之一，第三章磁性材料第一節材料的磁性第二節軟磁材料及其應用基本要求第三節硬磁材料及其應用第四節磁記錄材料及其應用主要內容理解磁性的起因及其參量理解磁性的分類及鐵磁物質的特性掌握軟磁材料、硬磁材料磁記錄材料的特點及其應用。第一節材料的磁性磁性材料一、磁性的產生及磁學基本參量物質磁性的本質：原子的磁矩原子的磁矩原子核磁矩：約為電子磁矩1/2000電子磁矩軌道磁矩自旋磁矩磁介質：在磁場作用下能磁化的物質。1、磁化強度M單位：A/m或高斯（Gs），向量，由S極指向N極。第一節材料的磁性磁性材料磁化強度：衡量物質有無磁性或磁性大小的物理量，定義為物質單位體積中的磁矩大小。2、磁場強度H單位：A/m或高斯（Gs），向量，由S極指向N極。第一節材料的磁性磁性材料磁場強度：是指外界磁場的大小，也是一個向量。單位同磁化強度M。磁場強度H一般是由導體中的電流或者永磁體產生的。3、磁化率χ＝M/H第一節材料的磁性磁性材料磁化強度M與磁場強度H的比值稱為磁化率：即χ＝M/H表徵物質磁性的大小4、磁感應強度B單位：特斯拉（T）或韋/米2(Wb/m2)B=μ0(H+M)第一節材料的磁性磁性材料μ0是真空磁導率，μ0=410-7H/m在真空中（M=0），當磁場強度H為（107/4）A/m時，相應的磁感應強度為1T。5、磁偶極矩pm、磁矩m第一節材料的磁性磁性材料磁偶極子：通常把尺寸小到原子大小的小磁體稱為磁偶極子，等效為環繞回路流動的電荷。磁偶極矩pm：真空中每單位外加磁場作用在磁偶極子上的最大力矩。單位為Wb·m。磁偶極子的磁矩m和磁偶極矩pm有如下關係：m=pm/μ0磁矩m的單位為A·m2。磁矩是表徵磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈強，即物體在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。第一節材料的磁性磁性材料6、磁通量單位為韋（Wb）第一節材料的磁性磁性材料磁通量是磁感應通量的簡稱，其定義是：將通過磁場中某一微元面積S的磁通量等於該處磁感應強度B在垂直於面積方向上的分量Bn和面積S的乘積，即=BnS=BcosS式中為磁感應強度B的方向與面積S的垂線方向之間的夾角。7、磁導率μ第一節材料的磁性磁性材料磁導率定義為μ=B/μ0HB與H的比值稱為絕對磁導率μ絕對。μ絕對=B/H=μ0μ磁導率就等於材料的絕對磁導率μ絕對與真空磁導率之比，故也稱為相對磁導率。磁性材料二、磁性的分類1、抗磁性物質呈抗磁性，或稱逆磁性。＜0，M與H方向相反；磁化率很小，-10-5～-10-6，且不隨溫度變化。屬於這類物質的金屬有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Mg。物質按磁化率以及在磁場中的行為可以分為五類，即抗磁性物質、順磁性物質、鐵磁性物質、反鐵磁性物質、亞鐵磁性物質。第一節材料的磁性2、順磁性物質呈順磁性。＞0，M與H方向相同；磁化率在10-3～10-5。第一節材料的磁性磁性材料其特徵是組成這些物質的原子具有恒定的與外磁場無關的磁矩。屬於這類物質的金屬有：La、Pr、MnAl、除Be以外的鹼金屬和鹼土金屬以及居裡溫度以上的鐵磁性元素Fe、Ni、Co等。3、鐵磁性物質呈鐵磁性。＞＞0，磁化率在可達104數量級。自發磁化：鐵磁體的原子磁矩在不加外磁場時，由於一種自身力量的作用而互相平行排列，呈飽和磁化的狀態。磁疇:這種自發磁化不是整體飽和，而是分成許多小區域，在每個小區域內飽和，這種飽和的小區域稱為磁疇。第一節材料的磁性磁性材料磁性材料鐵磁物質的原子結構特點：（1）原子存在未填滿的內電子層（例如3d或4f層），在此層中未對消的電子自旋磁矩產生原子磁矩。（2）原子間距與未滿電子層半徑之比值要求有一定的大小，這樣才能夠有足夠大的交換力，使物質中原子磁矩同相排列，才能形成鐵磁性。第一節材料的磁性磁性材料第一節材料的磁性鐵磁性物質是一種磁性很強的物質。是磁性材料的物質基礎。常見的鐵磁性金屬有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co組成的合金等。4、反鐵磁性物質＞0，M與H方向相同；磁化率在10-5～10-3。第一節材料的磁性磁性材料反鐵磁性物質原子之間的磁矩不同與鐵磁性物質是平行的，而是反平行排列的。這種反方向的磁矩相互抵消，結果使總的磁矩為零。常見的反鐵磁性物質有：Mn、Cr,部分鐵氧體ZnFe2O4如和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。5、亞鐵磁性物質＞＞0第一節材料的磁性磁性材料亞鐵磁性物質的原子磁矩之間也存在反鐵磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。從而也引起一定程度的自發磁化。常見的亞鐵磁性物質有：尖晶石型晶體、石榴石型晶體等幾種結構類型的鐵氧體，稀土鈷金屬之間的化合物和一些過渡金屬。磁性材料三、鐵磁性物質的特性1、內稟特性參數（1）自發磁化強度Ms：鐵磁性物質中的原子磁矩按一定規律排列在晶格中，與相鄰近原子發生相互作用，使鄰近原子的磁矩方向趨於與某一晶軸方向平行，自發地產生磁化強度。Ms的大小決定於鐵磁性物質的原子結構和鄰近原子間的相互作用，並隨溫度而變化。第一節材料的磁性第一節材料的磁性磁性材料（2）居裡溫度Tc當在某溫度以下，迫使鄰近原子取向一致的相互作用超過原子熱運動的破壞作用，則在該溫度以下，可以形成一定程度的自發磁化，該溫度叫做居裡溫度（居裡點）。居裡溫度以上時，原子熱運動超過了原子磁矩取向一致的作用，而變為混亂狀態，呈順磁性。第一節材料的磁性磁性材料（3）磁各向異性參數K1晶體磁性材料在不同的晶軸方向的磁性能是不一樣的，這個性質稱為磁各向異性。易於磁化的晶軸方向稱為易磁化方向；難於磁化的晶軸方向稱為難磁化方向。磁各向異性參數K1：表徵了某鐵磁性物質在外磁場下磁化時的難易程度。第一節材料的磁性磁性材料（4）飽和磁致伸縮係數λs當鐵磁性物質在外磁場作用下被磁化時，鐵磁性物質發生尺寸及形狀的變化，這種現象稱為磁致伸縮現象。飽和磁致伸縮係數λs：表示某一物質在外磁場作用下沿磁場方向測量到最大長度或形狀的變化。第一節材料的磁性磁性材料2、磁化鐵磁物質在外磁場作用下的磁化過程是不可逆的，這就是磁滯現象。（1）關於磁化的幾個重要概念磁化曲線表徵的是鐵磁物質在外磁場作用下所具有的磁化規律，又稱為技術磁化曲線。自發磁化：鐵磁性物質的自旋磁矩在無外加磁場條件下自發地取向一致的行為。磁性材料第一節材料的磁性磁滯回線是當磁場在正負兩個相同數值之間變化時，磁感應強度的變化回線。這個回線的大小隨磁場的正負最大值而不同。從飽和磁化狀態開始的磁滯回線叫基本磁滯回線。磁化曲線和磁滯回線有兩種標記法：一種是磁感應強度B對磁場H的曲線。這是工程技術中常用的表示方法；另一種是磁化強度M對磁場H的曲線，這是磁學中常用的表示方法。磁性材料第一節材料的磁性Bs—飽和磁感應強度Hc－矯頑力Br—剩餘磁感應強度μ—磁導率μm－最大磁導率（2）與磁化過程有關的特性參數Bs—飽和磁感應強度，是指用足夠大的磁場來磁化磁性物質時，其磁化曲線接近水準不再隨外磁場的加大而增加時的相應B值，單位為T或Gs；Hc－矯頑力，是指當磁性物質磁化到飽和後，由於有磁滯現象，故要使B減為零需有一定的負磁場，單位為安/米（A/m）或（Oe）；磁性材料第一節材料的磁性磁性材料第一節材料的磁性Br—剩餘磁感應強度，是指當以足夠大的磁場使磁性物質達到飽和後，又將磁場減小到零時的相應的磁感應強度；Br/Bm—矩形比，是指剩餘磁感Br與規定磁場強度所對應的磁感強度Bm的比值。一般以Br/Bs之比為標準；μ—磁導率，是B-H曲線上任意一點的B和H的比值，μ＝B/H，單位是H/m或Gs/Oe；μ0—初始磁導率，是指當H0時的磁導率；μm—最大磁導率，是指以原點作直線與B-H曲線相切，切線的斜率即為μm。磁性材料第一節材料的磁性磁性材料四、磁致伸縮和磁彈性能隨著溫度的升高，一般磁致伸縮的絕對值會減小，並在自發磁化消失的居裡點處變為零。磁彈性能：因磁致伸縮現象而產生的形變能為磁彈性能。第一節材料的磁性第二節軟磁材料及應用磁性材料磁性材料的分類：按材料組分和結構特點分類金屬磁性材料鐵氧體磁性材料金屬磁性材料晶態合金磁性材料非晶態合金磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料按材料磁性能特點分類硬磁合金軟磁合金矩磁合金壓磁合金矩磁合金和壓磁合金都具有很低的矯頑力，接近軟磁合金的特點。Hc0.8kA/mHc0.8kA/m第二節軟磁材料及應用磁性材料軟磁材料：容易反復磁化，且在外磁場去掉後，容易退磁的材料。特點：軟磁材料磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。圖3.2軟磁合金的磁化曲線用途：發電機、電動機、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質；電腦磁心等。要求：高的飽和磁感應強度、高的最大磁導率、高的居裡溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導磁材料，高導磁材料，高硬度、高電阻、高導磁材料，矩磁材料，恒磁導率材料，磁溫度補償材料，磁致伸縮材料。第二節軟磁材料及應用磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料分類：金屬軟磁材料電工用純鐵電工用矽鋼片合金非晶態合金軟磁鐵氧體鐵鎳合金鐵鈷合金鐵鋁合金第二節軟磁材料及應用磁性材料在強磁場下工作的磁性部件，如電力工業中大量使用的電動機、發電機、大功率變壓器、電磁鐵等，要求所用的磁性材料應具有高的飽和磁感強度，價格便宜，生產工藝簡單，便於大批生產。在通訊技術中常用的變壓器、換能器的鐵心、磁遮罩材料以及開關等磁性元件，絕大部分在弱磁場下工作，它要求材料應具有高的磁導率。作為金屬軟磁材料，由於它們工作條件不同，對材料的要求也不一樣：磁性材料一、電工用純鐵含碳量極低，其純度在99.95％以上，在退火狀態，起始磁導率為300~5000，最大磁導率為6000~120000，矯頑力Hc為40～95A/m。第二節軟磁材料及應用影響純鐵磁性能的因素：晶粒和結晶軸對磁化方向的取向關係，純鐵中的雜質，晶粒大小，金屬的塑性變形，加工過程中的內應力等.磁性材料第二節軟磁材料及應用主要用途：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀錶的各種零件，揚聲器的磁路，電話中的振動膜，磁遮罩等。性能特點：電工用純鐵具有矯頑力低、磁導率高、導熱性和加工性好、易焊接並有一定的耐腐蝕性和價格便宜等優點，被廣泛地用於直流應用中。最常見的是電磁純鐵，名稱為電鐵(代號DT)，含碳量低於0.04%的Fe-C合金，Bs達2.15T，其供應狀態包括鍛材、管材、圓棒、薄片或薄帶等。去應力退火：消除加工應力。保護條件下860～930℃，保溫4小時後隨爐冷卻。去除雜質處理：純鐵中的雜質（C，Mn，Si，P，S，N等）會顯著降低材料的磁導率和矯頑力。通過去雜質退火處理來降低材料中雜質的含量。在純乾燥氫氣或真空(10-2帕以下)中，於1200～1300℃溫度保溫5～10小時。工業純鐵的熱處理：純鐵材在加工成元件後必須經過熱處理才能獲得好的軟磁性能磁性材料第二節軟磁材料及應用人工時效處理：克服純鐵嚴重的自然磁時效現象，為保持純鐵元件的磁穩定性，須在熱處理後進行100℃，保溫100小時的人工時效處理。或選擇低時效敏感性的材料。純鐵的自然磁時效現象：即隨著時間的增長，材料的矯頑力上升，磁導率下降。純鐵的時效在130℃附近特別明顯。引起時效的原因是由於在Fe中含有N，逐漸形成鐵的氮化物所致。純鐵的缺點：電阻率低，使用時產生很大的渦流損耗，不適於製