[材料科学]磁性材料及其应用

材料的磁学性能第三节磁性材料及其应用磁性材料的分类主要应用的强磁材料其他功能磁性材料磁记录材料磁性材料永磁材料软磁材料磁致伸缩材料磁致电阻材料磁效应：物质的磁性和磁场会影响到物质其他物理性质的变化，同时，物质其他性质的变化也会引起物质磁性的变化。磁学性质磁－力效应磁－声效应磁－热效应磁－电效应磁－光效应其他磁效应力学性质声学性质热学性质电学性质光学性质其他物理性质一、软磁材料起始磁导率高矫顽力HC小饱和磁感应强度MS高磁损耗小稳定性好与MS平方成正比；与K1和λS成反比；与内应力σ和杂质浓度β成反比降低HC的方法与提高μi的方法相一致调节配方在磁场作用下，这类材料非常容易磁化，而取消磁场后又很容易去磁。1、性能特点2、改善软磁材料磁性能的途径高的磁导率和小的矫顽力要求材料的结构尽量均匀，没有缺陷，在磁学上各向同性。若要在交变磁场中用作软磁材料，铁磁体应有较大的电阻率，这可以通过材料的合金化来做到，如铁-硅合金、铁-镍合金等。改善材料的显微结构，降低杂质和气孔的含量，增大晶粒尺寸。降低内应力σHM磁滞回线示意图3、软磁材料的分类及其应用软磁材料金属软磁铁氧体软磁非晶及纳米晶软磁•电工纯铁•硅钢•坡莫合金•其它软磁合金（Fe-Al、Fe-Si-Al、Fe-Co）•MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石型铁氧体•Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体•3d过渡金属（T）－非金属系•3d过渡金属（T）－金属系•过渡金属（T）－稀土类金属（R）系软磁材料主要用于动力工程、高性能电子学、通信技术、航空及空间技术等，来制造磁导体，增加磁路的磁通量，降低磁阻。二、永磁材料永磁材料又称硬磁材料，是用于制造各种永久磁铁的磁性材料。1、性能特点剩磁高矫顽力大最大磁能积大MCBCHH矫顽力大最为重要100%ZZHC，Br等参量H磁滞回线示意图M最大磁能积(BH)max0(BH)maxBB0BH0HSNSNSN永磁体在退磁曲线上稳定下来的一点B和H的乘积的2倍，它代表永磁体能量的大小，称为磁能积。2、改善永磁材料磁性能的途径定向结晶塑性变形磁场成型磁场处理使晶粒长大方向和易磁化轴方向一致形成择优取向和织构使易磁化轴沿磁场取向热处理过程中析出的磁性颗粒沿磁场取向细化晶粒在材料中出现有效的钉扎点，形成晶格缺陷3、永磁材料的分类及其应用永磁材料金属永磁材料铁氧体永磁材料稀土永磁材料淬火硬化型磁钢析出硬化型磁钢时效硬化型永磁有序硬化型永磁六角晶系铅石型铁氧体MO-xFe2O3(M＝Ba、Sr、Ca、Pb)1:5型SmCo5磁体2:17型Sm2TM17磁体R2Fe14B型Nd-Fe-B磁体磁控管电机三、磁致伸缩材料磁致伸缩材料：是指随磁化状态变化而自身尺寸相应改变的一类磁性材料。磁致伸缩？磁致伸缩的三种表面形式？磁致伸缩系数？铁磁及亚铁磁材料的磁致应变的范围从铁基非晶的10-5到稀土金属的10-2。稀土-铁赝二元系，如TbFe2、SmFe2具有巨大的磁致伸缩效应，其值为10-3量级，称为巨磁致伸缩效应。1、稀土金属3、非晶薄膜合金2、稀土-过渡金属间化合物4、稀土氧化物5、锕系金属化合物磁致伸缩量大，但居里温度低解决了稀土距离温度低的问题优良的软磁性，低磁场下磁致伸缩性能优良在低温下，有很大的磁致伸缩在低温下，有很大的磁致伸缩，但居里温度低超磁致伸缩机制磁致伸缩量4f电子云原始晶胞磁致伸缩后的晶胞111方向RFe2晶胞发生111方向磁致伸缩后的变形铁磁体的磁致伸缩已在技术上得到利用，例如具有高磁致伸缩系数的材料已被用来做超声波换能器（接受和产生超声波）、传感器、延迟线和存储器等。磁致伸缩用于声纳磁致伸缩液位仪磁致伸缩液位仪工作原理伺服机构在机器人技术中的应用磁致伸缩可用于制备称重、测力、扭矩传感器等四、磁记录材料我们已经进入信息社会？“知识大爆炸”？记忆靠人脑？磁记录：是使用记录磁头在磁记录介质内写入磁化强度图纹作为信息存储，用同一或另外记录磁头可从磁化强度图纹读出所储存的信息。（b）（a）（c）抹音磁头录音磁头放音磁头驱动器磁记录的基本过程1、磁头与磁头材料磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件。体型磁头薄膜磁头磁电阻磁头磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合金、Fe-Al合金和Fe-Al-B合金；铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体MIG磁头：铁氧体磁芯间隙中沉积一层软磁合金薄膜工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度窄，故可提高记录速度和读出分辨率利用磁电阻效应制成电磁感应原理铁氧体磁头材料：镍锌铁氧体和锰锌铁氧体合金磁头材料：含钼坡莫合金和仙台斯特合金磁电阻磁头材料：坡莫合金多层膜磁头材料：Fe-C/Ni-Fe；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N等微晶薄膜磁头材料：Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等非晶态磁头材料：Co-(Zr，Hf，Nb，Ta，Ti)二元系合金薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜磁头材料2、磁记录介质及介质材料颗粒状涂布介质结构涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成。Al2O3微颗粒带基记录层有机粘接剂及润滑剂磁性粉Al2O3粉/铁丹粉/碳粉涂布型磁带结构示例涂布型磁盘结构示例基板记录层有机粘接剂磁性粉Al2O3补强剂常用磁盘分硬盘和软盘两大类：硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层。软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层。-Fe2O3：矫顽力范围为20～32kA/m包覆Co的-Fe2O3：矫顽力范围为55～70kA/mCrO2：矫顽力范围为35～50kA/m金属磁粉磁：硬化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀纯铁的，MS＝1700kA/m氮化铁：矫顽力可达51kA/m钡铁氧体：矫顽力范围为100～900kA/m磁性粉薄膜介质基底附加层磁性层保护层薄膜记录介质的一般结构薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。保护层可以是单层的，也可以是多层的。在保护层上还可以增加一层润滑层高密度存储要求：磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；再生时获得足够大的输出保持相对稳定的磁化状态对记录介质进行有效地磁化有效地再生记录信号磁头：高磁通密度，高磁导率五、磁性液体磁性液体：由纳米级的磁性颗粒，通过界面活性剂高度地分散、悬浮在载液中，形成稳定的胶体体系。磁性颗粒表面活性剂载液超细磁性颗粒：Fe3O4、-Fe2O3、Fe、Co、Ni、Fe-Co-Ni合金、-Fe3N及-Fe4N等表面活性剂：羧基、胺基、羟基、醛基、硫基等载液：水、矿物油、酯类、有机硅油、氟醚油及水银等固态磁体（a）和磁性液体（b）的磁化曲线MH（b）MH（a）无磁场时，磁液显示超顺磁性；有磁场时，磁性颗粒同向排列，磁液显示磁性磁化曲线：无剩磁、无矫顽力磁化特性：界面特性磁性液体的表面在外加磁场的作用下会产生变形。当外加磁场垂直于磁性液体的表面时，磁性液体的表面出现无数的“针形磁花”。“针形磁花”的方向与磁力线的方向相同。此时，磁场力、磁性液体的表面张力和重力平衡。磁液密封特点：不泄漏，可耐高真空；耐高速旋转；无机械磨损，寿命长；发热量小磁液扬声器磁性液体：对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散。磁液选矿磁液的表观密度随外磁场的变化而改变，可用来筛选比重不同的非磁性矿物。通常采用水基磁性液体，可重复使用。