南昌大学材料性能学重点第三章材料磁学性能

第三章材料磁学性能摘要：本章将论述材料磁性产生的机理；材料底顺磁性，抗磁性；材料磁学性能系数及其相互关系；铁磁性及物理本质；技术磁化。具体内容安排如下：第一节磁性及物理本质掌握电子自旋磁矩、电子轨道磁矩、原子磁矩、分子磁矩；磁化强度、磁感应强度、磁化率磁导率的基本概念及相互关系。理解物质磁性的分类方法及磁性类型。第二节顺磁性与抗磁性理解顺磁性和抗磁性的机理和影响因素。第三节铁磁性及物理本质理解磁化曲线的三个阶段特点；理解磁滞回线的特征；掌握自发磁化理论－外斯假说；理解温度对磁性的影响。第四节铁磁性内能磁性的三大特点：磁各向异性；磁滞伸缩；磁形状各向异性。磁体具有磁各向异性能；磁弹性能；磁各向异性能。第五节磁畴及磁畴结构理解磁畴是如何形成的、磁畴的结构以及内部的本质问题。第六节技术磁化理解技术磁化三个阶段及其机理分析；理解杂质、气孔对磁化有何影响。第七节影响金属及合金因素介绍了影响金属磁性的因素，重点分析温度、应力、热处理对磁性的影响。第八节前沿课题和讨论让学生了解磁性在生活中的应用，提高学生兴趣。包括永磁材料、磁致冷材料、磁记录材料。（共12个学时）第一节磁性及其物理本质一、原子的本征磁矩在磁场中放入一种物质，会使物质所占有的空间磁场发上改变，有的使空间磁性增强，（例如Fe）：有的使空间磁性减弱（Cu）；根据物质磁化后对磁场的影响，把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁物质；使磁场增强的物质称为顺磁性物质；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。㈠原子的磁性任何物质都是有于原子构成的，原子又是带正电的原子核与带负电的电子构成。电子绕原子核作循轨运动产生磁矩。同时在自族运动时也会产生磁矩。①轨道磁矩Bllmcehl4.L为轨道角动量，e为单位电荷，h为普郎克常数，m为电子质量，c为光速。②电子的自旋磁矩由于电子的自旋运动而产生的磁矩称为自旋磁矩。Bssmcehs22.s为自旋角动量，B为波尔磁子。*原子核也是有磁矩的，不过它的磁矩很小，仅为电子磁矩的20001，可忽略不计。③物质的磁性，L原子磁矩。电子磁矩是电子的轨道磁矩和自旋磁矩之和。原子磁矩是所有的电子磁矩之和。当原子中的一个电子层已经排满时，这个层电子的磁矩的总和就等于0，若一个原子的电子层未被排满，这时电子磁矩的总和就不为零，原子就有了磁矩了。分子磁矩是各原子磁矩之和。二、磁性的基本参数及其性质。物质没有外加磁场，各磁矩取向为无序状态，自旋磁矩和轨道磁矩之和为零，物质不表现出磁性。当物体加上外磁场后，物质磁矩受磁场作用而转向外场方向，就表现出磁性了。磁性的强弱用磁矩表述。⑴磁矩物体内所有自旋磁矩，轨道磁矩和附加磁矩之和。⑵磁化强度（I），或M单位体积德磁矩称为磁化强度VPI（单位安·米-1）⑶磁化率(X)XHIHIXX的大小反映了物质磁化的难易程度.XA每摩尔的磁化率；XV单位体积的磁化率；Xg,每克物质的磁化率；,AXVXXgVAv为摩尔体积,A为原子量.}X可正可负,X为正是顺磁性物质,X为负为抗磁性物质.⑷磁感应强度(B)变化后的总磁场为B,B为磁感应强度,物质磁化后引起的磁场变化为HOB为变化前的磁场.HHBOoH为附加磁场强度.HIHXIHBooo)1(o为真空磁导率.令r为相对磁导率，Xr1⑸相对磁导率r，Xr1三、磁化率与物质磁性分类.磁矩（I，M）M=有三种表达形式为摩尔磁化率，为单位体积的磁化率问每克物质的磁化率。根据磁化率符号与大小，可以把物质的词性氛围五类1、抗磁体为很小，且，根据抗磁体与温度关系，把抗磁体分为“经典”抗磁体，不随T变化，如铜、银、汞。反常抗磁体，随T变化，如等。2、顺磁体X0，约为，很小，根据X与T的关系，顺磁体可分为：正常顺磁体：X与T成反比关系。X与T无关系的顺磁体，如锂、钾、铷等。3、反铁磁体X为很小的正数。4、铁磁体X很大，在数量级，X随外磁场大小而变化，在H不大时，X很大，能产生很大的M，故铁磁体在磁场中强烈被磁化。5、亚铁磁体X小，例如磁铁矿等。第二节顺磁性与抗磁性一、抗磁性.原子的磁矩取决与未填满的电子的自旋磁矩和轨道磁矩。对于电子壳层填满的原子，虽然其轨道磁矩和自旋磁矩的总和为0，但在外磁场条件下，也会显示出磁矩来，这是由于电子的循轨运道在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩（△P）的缘故。两个电子，其循轨运动方向相反，且与H垂直。在无外加磁场时，电子的循轨运动相当于一个不形电流，产生的磁矩22re为角速度，r为轨道半径。电子在做循轨运动时，受到一个向心力F，加上一个磁场之和。电子在磁场作用下，产生一个附加力F，F=BVqF该称为落磁力，总的向心力为F+FF+F=2)(mr即增加一个，增加一个，与的方向相同，但是与外磁场的方向相反，如（ａ）图所示。对于(b)图，产生一个与外加磁场相反的磁矩=Hmcre2226对于一个原子，有N个电子，这些电子分布在不同的壳层上，一个原子的磁矩是N个电子的抗磁矩之和.a=Niirmcre122226a与H的方向总相反，大小和H成正比，H=0时，a=0.即撤除外加磁场，抗磁场磁矩自行消失.抗磁矩是由电子作循轨运动产生的，任何物质的电子都作循轨运动，所以任何物质都是有抗磁性，但并非是抗磁性物质。二、顺磁性当物质的电子磁矩抗磁磁矩时，即物质表现出顺磁性。1）无外加磁场H=0由于热运动，原子磁矩的取向无规则，无序的。此时物质的总磁矩为0。2）在外加磁场下，H0此时原子磁矩取向排列，原子排矩排向磁场方向，总磁矩大于0。在室温下，顺磁物质的原子的热运动产生无序倾向很大，进行磁化很困难，达到81010安.米13）顺磁磁化率与温度关系满足居里定律X=TCC是常数对于过渡族元素，则满足居里-外斯定律X=TC三、金属的抗磁性与顺磁性金属由点阵离子和自由电子构成，金属的磁性包括点阵离子的抗磁性与顺磁性，自由电子的抗磁性与顺磁性。只有内层电子未被填满时，自旋磁矩未被抵消，才产生较强的顺磁性。（1）金属Cu,Au,Ag,Cd,Hg等，抗磁性大于自由电子顺磁性，因而是抗磁性的。（2）非金属是抗磁性的，如S,P.（3）对于共价键化合物，电子的自旋磁矩互相抵消，因而是抗磁性的。（4）碱金属，碱土金属是抗磁性的。（5）稀土金属，由于4f层或5d层没有添满，存在未成对电子，因而顺磁性较强。（6）过渡族元素：3d层未添满，自旋磁矩较大，有些是铁磁性的。四、影响金属抗磁与顺磁的因素1、温度：磁场强度对抗磁性影响很小，但是金属熔化。等变化时，会使抗磁性磁化率发生改变。熔化：抗磁体的磁化率一般减小，Bi降低12.5％，但Ge,Au,Ag熔化时，磁化率是升高的。2、范性变形：范性变形可使抗磁性减弱，退火又可使抗磁性恢复。3、晶粒细小在晶粒细小时，可由抗磁性变化顺磁性4、同素异构体白锡灰锡由顺磁转变为抗磁性。5、合金的相结构及组织，对磁性影响较复杂。6、固熔体有序化时原子间结合力要发生改变，引起原子间距变化和磁性变化。当形成CuAu有序合金抗磁性减弱，形成Cu3Au,Cu3Pd等合金时抗磁性增强。7、形成中间相与化合物X与成分的曲线上有极大或极小值四、磁化率的测量第三节铁磁性及其物理本质一、磁化曲线当H很小时，M也小，磁化曲线分为三个阶段I阶段：H很小时，B随H增加缓慢上升，这部分是可逆的。当去除磁场后，B回到0，此阶段是可逆的。II阶段：磁场H增加，很大，并迅速达到一个最大值，称为最大磁导率，此阶段是不可逆的，去除H后，B不再沿磁化曲化变化。III阶段：H，B缓慢上升，逐渐接近磁饱和强度Bs，磁导率降低趋于一个极限值，这部分是不可逆的。斜率为磁导率。二、磁滞回线①磁饱和后的磁性材料，逐渐减小外磁场强度，这时，曲线不沿原来变化，并且降低很慢磁滞②当H=0时，M0，Mr称为剩余磁化强度。③反向增加磁场，M，达到-Hc时，M=0，Hc称为矫顽力。④增加反向磁场，则物质反向磁化，当H=Hs，达到反向磁饱和。⑤反向减小磁场，最终形成一闭合曲线一磁滞回线。回线包围的面积为磁滞损耗。因此，铁磁性磁化不与H成正比，存在磁饱和现象。抗磁和软磁的磁化是可逆的，而铁磁性磁化是不可逆的；抗磁物质和软磁物质磁化困难，而铁磁性的磁性较容易些。,Mr,Hc是对材料组织敏感的磁参数。三、铁磁物质的物理本质——自发磁化理论1907年，法国科学家外斯提出了铁磁性假说——自发磁化理论1、外斯假说他认为在铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在这种“分子场”作用下，原子磁矩趋于同向排列，即自发磁化饱和，——磁化。铁磁质自发磁化成若干小区域，由于各个区域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此抵消，大块铁磁体不显示磁性。2、自发磁化理论铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎没有贡献。Fe,CoNi是铁磁性的，他们的3d层未被填满，铁的3d层有四个自旋未被抵消，Co有三个。Ni有两个，原子存在未被抵消的自旋词句是产生铁磁性的必要条件。*仅有自旋磁矩还不一定会产生铁磁性，例如Mn，要成为铁磁性物质还必须使这些自旋自发的排列在一个方向上，产生自发磁化。——这是铁磁性产生的充要条件。铁磁体自发磁化是由于电子间的静电互相作用产生的。当原子互相接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要互相交换位置。对过渡族金属，原子的3s层和4d层能量相差不大，因此它们的电子云重叠时引起43层电子再分配，发生交换作用，这种交换产生的静电作用力称为交换力，交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。由交换作用产生的附加能量成为交换能，用Ex表示。交换作用使自旋反向平行排列比同向平行排列的能量高，交换能为正值。交换能为正值，这是铁磁性的充分条件。A=EKQ2Q为居里点E为配位数。只有A为正值才能实现自发磁化。理论分析表明：A不仅与电子的波函数有关，而且还依赖于原子核间的距离Rab和未填满壳层半径r。即A与原子的电子结构和晶体的点阵结构有关。当Rab3时，A为正值。如Fe,Co,Ni对于稀土元素A0但rRab3，原子间距太大，电子云很少重叠，电子间的静电交换作用好弱，故称为软磁性；当rRab3，A0，原子磁矩反平行排列。3、温度的影响当温度升高时，原子的热运动加剧，破坏了原子磁矩的规则、排列取向，自发强度降低，转变为顺磁性X=CTC温度升高时，原子间距增大，交换作用降低。同时热运动也破坏了原子磁矩的规则取向，故自发强度降低，到居里点时，已完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁化不存在，材料由铁磁性转变为顺磁性。四.反铁磁性相邻原子间的静电交换作用使原子磁矩有序排列。当交换积分为负值时，原子磁矩取反向平行排列；1）反铁磁性若相邻原子磁矩相等，则相互抵消，自发磁化强度趋于零。例如Mn，Cr等。MnO,Cr2O3,CuO,NiOX的极大值称为居里点，以TN表示，TTN时，X服从居里--外斯定律。2）亚铁磁性晶体由两个亚点阵组成，每个亚点阵的离子磁矩平行排列，但相互之间的磁矩方向都反平行。但不能完全抵消，这是亚铁磁性。例如Fe2O3.在铁氧体内部存在很强的自发磁化，这种自发磁化并不是由于磁性离子间直接交换作用，而是通过夹在磁性离子间的氧离子而形成的见解交换作用——超交换作用。这种超交换作用使每个亚点阵内离子磁矩平行排列，两个亚点阵磁矩方向相反，大小不等，抵消了一部分，剩余部分表现为自发磁化第四节铁磁性内能一、磁晶各向异性和各向异性能沿不同的晶向磁化的难易程度不同。沿Fe［100］,Ni［111］,Co［0001］方向极易磁化，在很小的磁场下可达到饱和，即易磁化方向。沿Fe［111］,Ni［100］,Co［1010］方向磁化，则需要非常强的磁强才能达到磁饱和，故是难磁化方向。这种在单晶体不同晶向上，磁性能具有不同的性质，称为磁性的各向异性。为使铁磁体磁化需消耗一定的能量——称为磁化功，如右图阴影部分所示。沿不同方向磁化功不相同，沿易磁化方向能量最低；沿难磁化轴方向能量最高。磁