材料性能与测试课件-第十章材料的磁性能.

12§引言中国是磁的故乡；远古的慈石、战国的司南、四大发明之一的指南针；材料料磁学性能也是材料物理性能的重要组成部分。磁性不仅是磁性材料的一种使用性能，而且也是许多材料的重要物理参数；磁性材料具有能量转换、能量存储功能，广泛应用于计算机、通讯、自动化、电机、仪器仪表、农业、医疗等领域，是重要的功能材料；因此，发展新型磁性材料是材料科学的一个重要方向。本章概括地介绍磁性的分类和特点，重点介绍磁性材料的特性参数、测量方法以及主要磁性材料的应用。3§目录§10.1基本磁学性能及磁性分类§10.2抗磁性与顺磁性§10.3铁磁性与反铁磁性§10.4材料的动态磁性能§10.5磁性测量及常用磁性材料4§10.1基本磁学性能及磁性的分类§10.1.1磁性基本量1、材料磁性的本质材料磁性是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的任一封闭电流都具有磁矩，大小为电流强度乘以环流面积，方向右手法则；2、电子磁矩分为轨道磁矩和自旋磁矩；轨道磁矩ml：由电子循轨运动产生的磁矩，垂直于电子运动的轨道平面；自旋磁矩mS：电子自旋运动产生的磁矩，方向平行于自旋轴；5BiiSBiilmSSmmllm)1(2)1(l为轨道角量子数，S为自旋量子数，mB为波尔磁子9.27×10－24J/T(Am2)，运动电子的磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和;6分子、原子产生磁矩由分子、原子的结构决定原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩只有原子中存在未被排满的电子层时，原子才具有磁矩(固有磁矩）3、原子磁矩4、磁化和磁介质磁化：物质在磁场中由于受磁场作用呈现出磁性现象；磁介质：凡是能被磁场磁化的物质；75、磁化强度M物质在外磁场中被磁化的程度，单位体积内磁矩大小，A/m，物体的磁化未改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向；HHMHBHmVMrl000)1()(16、磁感应强度B通过磁场某中点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度；B单位T；χ磁化率，反映了物质本身磁化特性；μ0：真空磁导率，4π×10－7H/m;μr:相对磁导率；都反应磁化速度8§10.1.2磁性分类按照物质磁化率分为三类:抗磁性材料、顺磁性材料(包括反铁磁)、铁磁性材料(包括亚铁磁)；抗磁反铁磁顺磁亚铁磁铁磁MHO1、抗磁体：磁化率χ为10-6量级负数，附加磁矩与外磁场方向相反，减弱磁场；金属中约一半是抗磁体；Ag、Cu、Au、Hg、Zn、Bi等2、顺磁体：磁化率χ为10－3－10-6量级正数，略微增强磁场；Li、Na、Pt、Pd、K等磁化曲线示意图93、铁磁体：在较弱的磁场下就能产生很大的磁化强度，磁化率χ为很大的正数，且与外磁场非线性变化，Fe、Co、Ni等，有临界转变温度Tc－居里温度；4、亚铁磁和反铁磁：亚铁磁：磁化率χ值没有铁磁那么大，通常指磁铁矿(Fe3O4，古代谓之慈石，司南、指南针用)、铁氧体；反铁磁：磁化率χ值很小的正数，与温度有关系；如Mn、Cr、氧化镍、氧化锰等10§10.2.1抗磁顺磁的物理本质§10.2抗磁性和顺磁性1抗磁性材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩1)电子轨道磁矩大小为mHreml42202)电子抗磁矩电子在磁场中循轨运动时受向心力Fc和洛伦兹力影响,增大了向心力(mrω2),电子质量半径不变，角速度ω增加，轨道磁矩ml增加，与外加磁场的方向相反，单个电子增加的附加磁矩即抗磁矩：221reml113)原子抗磁矩Z个电子，每个电子产生抗磁矩，轨道半径区别，一个原子的抗磁矩为任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性ziiatomrmHem122042顺磁性1)材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩2)磁矩与磁场作用，具有较高的静磁能．降低静磁能，磁矩改变与磁场的夹角3)要使原子磁矩转向磁场方向，克服原子热运动所造成的无序磁矩无序分布；4)通常顺磁磁化进行十分困难121314§10.2.2抗磁顺磁的影响因素1、原子结构的影响１)自由电子的主要贡献是顺磁性２)惰性气体原子磁矩为0，典型的抗磁性物质３)绝大多数非金属没有固有磁矩，是抗磁性物质，只有氧和石墨是顺磁性物质．４)金属只有当内层电子末被填满,自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性金属Ｃu、Ag、Au、Cd、Hg等，离子抗磁大于自由电子的顺磁，是抗磁性的碱金属都是顺磁性的．碱土金属(除Be外)也都是顺磁性的3价金属也是顺磁性的稀土金属顺磁性较强，磁化率较大，有自旋磁矩；Ti、Ｖ、Ｃr、Ｍn等过渡族元素，3d电子自旋磁矩大，有强烈的顺磁性，有些合金铁磁性；152、温度的影响１)温度对抗磁性影响：基本无影响２)温度对顺磁性影响：顺磁的磁化克服原子分子热运动使磁矩沿外畴方向排列的结果。影响大顺磁物质原子的磁化率与温度的关系：居里定律固溶体、过渡族金属符合居里-外斯定律TCTCC居里常数，Δ常数；铁磁性物质在居里点(居里温度)以上是顺磁性的163、相变及组织转变的影响１)当材料发生同素异构转变时，由于晶格类型及原子间距发生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化２)加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，使材料的抗磁性减弱３)退火与加工硬化的作用相反4、合金成分与组织的影响由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化合金形成中间相(金属化合物)时，其磁化率将发生突变17用磁称法测量磁化率Gouy磁天平：试样是顺磁材料，产生拉力；抗磁材料则相反§10.2.3抗磁顺磁磁化率的测量dZdHVHFz18§10.3铁磁性和反铁磁性Fe、Co、Ni及其合金，镧系Pr、Gd、Dy，亚铁磁铁氧体很容易磁化，磁化率大，如纯Fe在10-6T，磁化强度可达1T，而顺磁的硫酸亚铁在10-6T下，其磁化强度仅有0.001A/m;铁磁性来源于原子中未被抵消的电子自旋磁矩；Mn、Cr等也有剩余的自旋磁矩，但不是铁磁金属，原因是不满足自发磁化条件；定义：在没有外磁场的情况下，材料的自旋磁矩自发的同向排列；§10.3.1自发磁化与技术磁化一、自发磁化1920金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的，当两个原子相接近时，3d和4s层电子相互交换位置，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。交换能：因交换作用产生的附加能量；能使相邻院子内d层未抵消的自旋磁矩同向排列；其本质使静电力，作用的效果和外磁场类似，叫外斯分子场；cos22221ASSASEexA：交换积分常数；S1、S2两个电子的自旋动量矩；Φ是夹角，S是S1、S2的模；A＞0，φ＝0时，Eex最小，自旋磁矩自发排列同一方向，即产生自发磁化。A＜0，φ＝180°时，Eex也最小，自旋磁矩呈反向平行排列，即产生反铁磁性。21根据量子力学推出交换积分常数和a/r的关系曲线，当a／r＞3时，A＞0；当a／r＜3时，A＜0铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向；总之：铁磁性产生条件是1)原子内部要有未填满的电子壳层；原子本征磁矩不为零2)a/r大于3，使交换积分系数A为正。要有一定的晶体结构；a－原子间距；r－参加交换作用的电子与原子核的距离，即电子壳层半径22沿不同晶轴方向的磁化强度不同，称为磁晶各向异性能磁化矢量沿易磁化方向时能量最低磁化矢量沿难磁化方向时能量最高特点一：磁各向异性特点二：磁致伸缩效应铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短1）磁致伸缩系数λλ＞0，表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称为正磁致伸缩λ＜0，表示沿磁化方向的尺寸缩短2）饱和磁致伸缩系数磁化强度达到饱和值时的磁致伸缩系数23外斯认为：自发磁化以小区域磁畴存在；磁畴(domain)：磁矩同方向的小区域；磁畴壁(domainboundary，wall):磁畴边界，磁畴壁磁矩方向逐渐改变，每一晶粒可能有多于1的磁畴；二、磁畴磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能、退磁能的影响：如单晶中交换能造成自发磁化，但也产生磁极，有退磁场，必然要限制自旋磁矩的同向排列，若晶体分为两个反向磁化区(磁畴)，退磁能大大降低；闭合磁畴时，可使退磁能降为零；闭合磁畴的出现，一方面使退磁能下降为零，另一方面由于闭合磁畴和基本磁畴的磁化方向不同，产生一定的磁致伸缩能；24磁畴是根据交换能最低的原则，使相邻原子未抵消的自旋磁矩同向排列而形成的。交换能要使磁矩同向排列形成一个单一的磁畴，但同向排列的结果形成了磁极，造成很大的退磁能而阻止自旋磁矩的同向排列。为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。当铁磁晶体形成磁畴时，虽然降低了退磁场能，但增加了畴壁能。对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。25LorentzelectronmicrographofaSm(Co,Fe,Cu,Zr)magnet.Themagneticdomainwallbetweentwodomainswithoppositemagnetization(brightanddarkcells)ispinnedontheprecipitationstructure.26若晶粒尺寸逐渐减小，体系的自由能中畴壁能的比重增长，以至当其与因分畴而减小的退磁场能相比拟或超过它时，整个晶粒不分畴在能量上将更有利，这就是单畴颗粒。单畴颗粒的临界尺寸由晶粒自由能的极小值确定。通过计算得到的铁、钴、镍单畴颗粒的临界尺寸的数量级为10－2埃。畴壁27三、技术磁化定义：外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。两种方式：畴壁的迁移、磁畴的旋转可逆迁移区不可逆迁移区旋转区28第一部分：弱磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢增大，磁化是可逆的；第二部分：随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率增长非常快，并且出现极大值，磁化是不可逆的第三部分：随外磁场强度H进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难磁导率减小，并趋向稳定当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值四、磁化曲线29四、磁滞回线磁化到饱和磁化状态后．当H＝0时，磁感应强度B并不等于零，而是保留一定大小的数值Br，铁磁金属的剩磁现象；要使B值继续减小，必须加一个反向磁场-H，当H等于一定值Hc时，B=0。Hc为去掉剩磁的临界外磁场，称为矫顽力．反向磁场继续增大，B将沿着de曲线变化为-Bs．从-Bs改为正向磁场，随着磁场强度的增大，B沿efgb曲线变化为+Bs301)磁滞效应磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一磁滞效应的存在，磁化一周得到一个闭合回线2)磁滞损耗磁滞回线所包围的面积,相当于磁化一周所产生的能量损耗3)退磁曲线磁滞回线中，第二象限部分也称为退磁曲线磁能积BH:磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量隆起度(凸出系数):r＝BHmax/BrHc、回复系数tanα=△B/△H3132