磁性材料应用与进展

磁性材料应用与进展庞丽丽(萍乡学院，13级无机非金属材料1班，学号13461025)摘要磁性材料广泛的用在我们的生活之中，特别在节约能源方面的应用。新型的纳米结构自旋电子学材料已是磁性材料领域中的传奇。关键词磁性材料、自选电子学、永磁、软磁。Abstract:Magneticmaterialsarewidelyusedinourlives,particularlyintheapplicationofenergyconservation.StructureofnewNano-spintronicsmaterialislegendaryinthefieldofmagneticmaterials.Keywords:Magneticmaterials.Spinelectronics.Permanentmagnet.Softmagnetic.1引言磁性材料，通常所说的磁性材料是指强磁性物质，是古老而用途十分广泛的功能材料。而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。而通常认为，磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。20世纪80年代在(Fe/Cr/Fe)n纳米多层膜中发现了巨磁电阻效应,其物理本质是薄膜厚度小于自旋扩散长度,因此电子在输运过程中将保持自旋方向,通过外磁场可以改变自旋方向,从而改变电阻值,这发现开拓了在电子输运过程中通过调控自旋,显示与利用自旋特性的新领域,从而产生重要的自旋电子学新学科,利用调控自旋的特性,首先制备成高灵敏度的磁盘读出磁头,使磁盘的记录密度提高千倍,至今保持着信息存储的主流地位,其产值超过300亿美元,此外各种利用磁电阻效应的新颖传感器脱颖而出,其应用领域十分宽广。与微电子技术相结合,目前已研发成磁随机储存器,MRAM,不同类型的MRAM如STT-MRAM;MeRAM等可统称为自旋芯片，自旋芯片属于核心高端芯片,是科技关键核心技术,可军民两用,具有高达上千亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片。[1]2磁性材料-分类[2]磁性材料具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。磁性是物质的一种基本属性。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。2.1永磁材料一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)(即给空间提供的磁场能量)大。相对于软磁材料而言,它亦称为硬磁材料。永磁材料有多种用途。①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。2.2软磁材料它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好,但饱和磁感应强度Bs则越大越好。软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。2.3矩磁材料主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。2.4旋磁材料具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧体器件）。2.5压磁材料这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，故又称磁致伸缩材料，它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器和电脉冲信号延迟线等，与微波技术结合则可制作微声（或旋声）器件。非晶态合金中新出现的有较强压磁性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材料。3磁性材料的应用磁性材料是生产、生活、国防科学技术中广泛使用的材料。如制造电力技术中的各种电机、变压器，电子技术中的各种磁性元件和微波电子管，通信技术中的滤波器和增感器，国防技术中的磁性水雷、电磁炮，各种家用电器等。此外，磁性材料在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。3.1磁性技术在节约能源方面的应用[3]3.1.1节能的永磁材料降低现有磁性材料的损耗，研发更低损耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各种电机和电器中节约能源。例如，用永磁体代替电流在空间形成1个静磁场（如永磁电机中的定子磁场或转子磁场，扬声器和仪器仪表中的气隙磁场等），这样，不但节省了电能，降低了温度，而且省去1部分电源及控制系统、冷却系统。如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积和重量减小40％～70％，效率提高50％以上，并可节省铜材和电力。将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90％以上。在人类活动中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁体之间的排斥力和吸引力，做成各种磁悬浮系统，如果再将系统中的空气抽出，则摩擦力几乎按近于零。例如，利用磁悬浮原理制成新型磁轴承，其能源可降低90％以上，转速可达每分钟几十万转。3.1.2奇特的非晶态磁性合金非晶态磁性合金就是磁性玻璃。这种非晶态合金材料是将熔融的金属用每秒近100万℃的超急冷方法直接喷在高速旋转的风轮上，使熔化的液态合金立即凝固成薄带，来不及结晶而形成非晶态。非晶态合金具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等特点。在漏电保护器、电感滤波器、电力配电变压器和开关电源等方面已获得广泛应用。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10％左右，损耗每降低1％，每年可节约上百亿度电，其节能效果十分显著。3.1.3磁性节能器件磁水器在锅炉和热交换系统中的使用，不但提高了热效应，节约了能源，而且还减少了管道和设备的除垢工作。如果采用磁力除垢器或磁水器均可节约能源并提高维护保养水平。我国某油田用磁水器处理石油，使石油除蜡降粘，热洗周期由12天增加到140天，单井年节电达1.4万度，年节约天然气1.8万m3，年增产原油180吨，多获利2万元。3.1.4绿色节能磁冰箱利用“绝热去磁”（给1种磁性材料施加磁场时发热，去掉磁场时冷却）全新原理工作的磁冰箱，其致冷工作效率为常规气体致冷机的2倍～4倍，能耗低，可节电50％。由于使用固体工质，故而体积小、重量轻，又无压缩机，很少有零件磨损和挤压现象。即使有运动部件，其转速也十分缓慢，故而省电、便于维护、寿命长、无振动噪音，没有氟里昂对环境的污染，可保护臭氧层，因此被称为绿色冰箱。3.1.5其它节能实例电子镇流器只需传统式镇流器的70％的电功率便能令萤光灯发出同样的光度。由于使用较小的磁性电感器，不需要启动器，可节能30％，具有快速、重量轻、噪音低的特点，效率高达65％～85％。不用水和色浆的磁性染色工艺就是利用磁力和分散染料升华作用的1种连续染色法，可用于染素色和图案印花。它无需使用水、溶剂和印花纸，且能耗大大减小。没有火患的安全灶——电磁炉，是1种新型“冷加热”电气灶具。这是通过高频交变磁场与铁锅（或不锈钢锅）相互作用来加热的，其热效率高，节省电力。目前在我国已经实用化、商品化。利用磁场制作的水泥，具有松散，不结块的特点。由于磁场的作用使水泥旋转，只要在水泥中添加1种可与水泥吸附在一起的铁磁材料，使之具有韧性和弹性。因无转动部件，磨损极小，耗能少。磁性水泥混凝土的形状和大小不受限制，具有良好的持久性，在水中和海洋工程方面，可用于磁性定位；在危险地区可作成磁性地段，便于检测；在路面上作磁性标记以引导盲人步行，使汽车通行无阻。4研究发展[4]磁性材料是国民经济的重要支柱与基础，应用十分广泛，而且近年来磁性材料的发展十分迅速，特别是新型磁性材料的不断出现，对现代工业技术进步起着巨大的推动作用,因此，它已经成为世界各国科学家们争相探索和研究的热点领域之一，在今后的几年中，磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面：1、虽然基础和应用基础研究工作比较繁杂和辛苦，短期内不易见到效益，而且还有一定的风险性，但是只有加强基础和应用基础研究，增加研究的投入，才能为今后磁性材料的研究和发展打下坚实的基础。2、改造和完善现有的磁性材料，提高其磁性能，优化制备工艺，降低生产成本发展新型的磁性材料，特别是纳米磁性材料。3、纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料，应用广泛，性能优异，特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位，其基础研究和应用开发正方兴未艾。4、加强研究、生产、应用三方面的结合，不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展。5展望自旋电子学器件涉及到电子的自旋极化，极化自旋注入到半导体材料，极化自旋的输运与控制以及极化自旋的检测，是磁与半导体的有机结合，自旋电子学已成为一门颇受青睐的新学科。磁性材料是古老而年青的重要功能材料．磁性材料的应用已渗透到国民经济、国防工程等各个领域中。磁性材料发展的总趋势将由3d趔渡族合金、化合物向3d一4f，4d，5f．．·多元合金、化合物物方向发展；由无机向有机方向发展；由三维向低维方向发展。纳米磁性材料将成为重要的性功能材料，自旋电子学将成为纳(米)电子学要分支。[5]磁性半导体材料和磁敏材料和器件可以应用于遥感、遥则技术和机器人。人们正在研究新的非晶态和稀土磁性材料（如FeNa合金）。磁性液体已进入实用阶段。某些新的物理和化学效应的发现（如拓扑效应）也给新材料的研制和应用（如磁声和磁热效应的应用）提供了条件。参考资料[1]都有为，磁性材料进展概览《功能材料》,2014(10):1-4[2]胡双锋黄尚宇周玲吕书林期刊论文磁学的发展与重要磁性材料的应用-稀有金属材料与工程-200736(z3)[3]余声明磁性技术在现代能源中的应用中国西部磁性材料论坛,2002:1-4[4]毕见强，孙康宁，尹衍升磁性材料的研究和发展趋势《山东大学学报:工学版》,2003,33(3):225-228[5]都有为。磁性材料进展与展望中国仪器仪表学会仪表材料学会理事会暨功能材料若干领域研发态势专题学术研讨会,2002