磁性材料的研究进展

《磁性材料的研究进展》学院：物理与材料科学学院班级：13级材料物理姓名:王郁学号：B51314019指导老师：李秋菊完成日期：2016年5月11日摘要：目前，磁性材料蓬勃发展，磁性材料的应用已渗透到国防、工业、信息等各个领域，对我们的生活产生了巨大的影响。同时，各种新磁性材料的诞生，也不断推动着现代材料科学的进展。本文对磁性材料进行了概述，并简介了其最新研究进展，尤其是对稀土磁性材料、巨磁电阻材料、纳米微晶磁性材料的研究进展进行了详细论述。关键词：磁性材料铁氧体稀土磁性材料巨磁电阻材料前言磁性材料广义上分为两大类:软磁材料和硬磁材料。软磁材料能够用相对低的磁场强度磁化,当外磁场移走后保持相对低的剩磁。软磁材料的矫顽力为400～0116A・m-1,主要应用于任何包括磁感应变化的场合。硬磁材料是在经受外磁场后能保持大量剩磁的磁性材料,这类磁性材料的典型矫顽力值,Hc为10～1000kA・m-1,具有高Hc值的硬磁材料称为永磁材料,主要用于提供磁场。磁性材料的磁导率、矫顽力、磁致损失、剩磁和磁稳定性是结构敏感性的,这些性能可以通过加工(包括机械加工和热处理)来控制。目前,磁性材料的研究方向主要有软磁材料、硬磁材料、磁力学材料、磁电子材料。磁性材料的进展大致上分几个历史阶段：当人类进入铁器时代时，标志着金属磁性材料的开端。直到18世纪，金属镍、钴相继被提炼成功，这一漫长的历史时期是3d过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段；20世纪初期，FeSi、FeNi、FeCoNi磁性合金人工制备成功，并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业，成为3d过渡族金属磁性材料的鼎盛时期；从20世纪50年代开始，3d过渡族的磁性氧化物(铁氧体)逐步进入生产旺期，由于铁氧体具有高电阻率，高频损耗低等优点，从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料，标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段；1967年，SmCo合金问世，这是磁性材料进入稀土-3d化合物领域的历史性开端。巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土-3d化合物磁性材料的内涵。1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现，更添磁性材料新风采。1988年，磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕．因此从20世纪后期延续至今，磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期，并融入到信息行业，成为信息时代重要的基础性材料之一。1、磁性材料的分类磁性材料从材质和结构上讲，可分为金属及合金磁性材料和“铁氧体磁性材料两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料[1]。从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。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[2]。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。永磁材料即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。永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类：合金类、铁氧体类、金属间化合物类。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。根据使用的需要，永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性之别。软磁材料的功能主要是导磁、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。软磁材料大体上可分为四类。①合金薄带或薄片、②非晶态合金薄带、③磁介质、④铁氧体[3]。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。矩磁材料和磁记录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。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）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体材料；并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的结构和形态[4]。2、磁性材料的研究进展2.1铁氧体磁性材料：铁氧体是从20世纪40年代迅速发展起来的一种新型的非金属磁性材料。与金属磁性材料相比，铁氧体具有电阻率大、介电性能高、在高频时具有较高的磁导率等优点。随着科学技术的发展，铁氧体不仅在通讯广播、自动控制、计算技术和仪器仪表等电子工业部门应用日益广泛，已经成为不可缺少的组成部分，而且在宇宙航行、卫星通讯、信息显示和污染处理等方面，也开辟了广阔的应用空间。在生产工艺上，铁氧体类似于一般的陶瓷工艺，操作方便易于控制，不像金属磁性材料那样要轧成薄片或制成细粉介质才能应用。由于铁氧体性能好、成本低、工艺简单、又能节约大量贵金属，已成为高频弱电领域中很有发展前途的一种非金属磁性材料。铁氧体磁性材料主要分为铁氧体软磁性材料和铁氧体硬磁性材料[5]。软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。典型代表是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。软磁铁氧体是目前各种铁氧体中用途较广、数量较大、品种较多、产值较高的一种铁氧体。由于这类材料具有高的本征电阻率，所以在交流条件下具有许多金属软磁材料所无法比拟的优越性且价格低廉，并可制成各种形状的磁芯，因此，在高频区一般都使用软磁铁氧体材料。用这类材料制成的磁芯被广泛应用于通信、广播、电视、自动控制、航天技术、计算机技术、电子设备及其它产业中来制作各种类型的电感器、变压器、扼流圈、抑制器和滤波器等器件。一般软磁铁氧体的晶体结构都是立方晶系尖晶石型，应用于音频到甚高频段(1KHz-300MHz)[6]。但是具有六角晶系磁铅石型晶体结构的软磁材料却比尖晶石型的应用频率上限提高了好几倍。硬磁材料是相对于软磁材料而言的。它是指磁化后不易退磁，能长时间保留磁性的一种铁氧体材料。因此，有时也称为永磁材料或恒磁材料。硬磁材料的晶体结构大都是六角晶系磁铅石型，典型的代表为钡铁氧体，它是一种性能较好、成本较低而又适合工业生产的铁氧体硬磁材料。这种材料不仅可以用作电讯器件中的录音器、微音器、拾音器、电话机以及各种仪表的磁铁，而且在污染处理、医学生物和印刷显示等方面也得到了应用。硬磁铁氧体材料是继铝镍钴系硬磁金属材料后的第二种主要硬磁材料。它的出现不仅节约了镍、钴等大量战略物资，而且为硬磁材料在高频段(如电视机的部件、微波器件以及其他国防器件)的应用开辟了新的途径。铁氧体磁性材料是一种结构敏感性材料，只有控制微观结构和晶界才能获得高性能的铁氧体材料。在众多的影响铁氧体的生产因素中，关键是原材料的纯度、合适的添加剂和最优化的烧结工艺。近来共喷雾烧结法已用于日本铁氧体工业化生产，采用这种先进工艺可利用成本低的不太纯的原料便可生产出高纯的铁氧体。相信通过新的材料加工工艺和工艺理论控制微观结构可得到性能更高、更可靠的铁氧体新材料。材料的组成与结构的可控性研究是保证材料具有高性能和高可靠性的基础，铁氧体磁性材料的合成与制备中目前存在的问题影响了材料的高性能和高可靠性。近年来软化学方法作为一种先进的材料制备方法，已经在先进功能材料的制备方面开辟了一条新的工艺路线。随着热压成形技术、热压烧结技术、气氛烧结技术、高温自蔓延技术、放电等离子体烧结技术、微波烧结技术等新技术在制备铁氧体磁性材料中的应用与发展，可望获得晶粒细小、显微结构均匀致密、较好地保持原始材料组成与结构的铁氧体磁性材料，从而最终实现铁氧体磁性材料组成、结构与性能的可调控性[7]。2.2稀土磁性材料稀土元素由于其独特的4f电子结构，大的原子磁矩，很强的白旋轨道耦合磁矩等特性决定了它具有广泛的用途，特别是当稀土元素与其它元素形成配合物时，具有丰富的磁学、电学及光学特性[8]。目前．稀土磁性材料的研究重点主要在以下几个方面：一是加强稀土磁性材料的理论研究，完善现有的工艺理论体系；二是发掘新的稀土磁性材料，开发其新功能；三是缩短实验室研究与工业化时间，加强产业开发。而稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。稀土永磁材料已在机械、电子、仪表和医疗等领域获得了广泛应用。现分为第一代（RECo5）、第二代（RE2TM17）和第三代稀土永磁材料（NdFeB）。新的稀土过渡金属系和稀土铁氮系永磁合金材料正在开发研制中，有可能成为新一代稀土永磁合金[9]。稀土永磁材料广泛应用于计算机、汽车、仪器、仪表、家用电器、石油化工、医疗保健、航空航天等行业中的各种微特电机，核磁振共振设备、电器件、磁分离设备、磁力机械、磁疗器械等需产生强间隙磁场的元器件。2.3巨磁电阻材料：巨磁电阻（GMR）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显著变化的现象[10]。超巨磁电阻材料从发现就倍受科研人员青睐，十年后仍是科学前沿的研究热点，这和其潜在的市场应用价值是密切相关的。由于计算机、信息技术的飞速发展，工业界和科学界将面临新的挑战就是如何进一步提高存储密度，巨磁电阻材料则为此提供了可能。人们在CMR材料中发现一系列新效应，导致了新的应用。CMR效应在随机存储器中具有广泛的应用目前广泛采用的RAM是半导体动态存储器和静态存储器[11]。半导体动态存储器的容量已有每个芯片40亿位(4Gbit／chip)，速度可达1～20ns；而静态存储器容量已达每个芯片400万位(4Mbit／chip)。速度比半导体动态存储器快一个数量级，达2ns[12]。但无论半导体动态存储器和静态存储均为易失性的，机器断电时，所存数据会全部丢失，且抗辐射性能差，给使用带来极大的不便。而利用CMR效应制作的随机存储器和现有的半导体RAM相比，最大的优点是非易失、抗辐射、长寿命、结构简单和低成本，基本上可以不限次数的重写。由于使用了CMR材料，每位尺寸的减少并不影响读取信号的灵敏度，可实现最大的存储密度。CMR效应在计算机硬盘中也具有重要的应用计算机硬盘由于其容量大、体积小、读写速度快、数据传送率高，至今仍然是计算机外存储器的首选装置[13]。为进一步扩大容量，满足计算机网络和多媒体计算机发展的需要，要求不断增加计算机硬盘的记录密度。研究表明，当面密度超过每平方英寸6亿位(600Mb／in2)以上时，薄膜感应式磁头