材料磁学性能unit3-浙江大学材料物理性能笔记

3.1.磁学概论磁偶极子：类似于电偶极子，在磁性材料中由南极和北极组成一个磁偶极子磁矩：Pm=IS静磁能：U=−PB对于通电的密绕螺线管，若螺线管高为l、线圈匝数为N、通过的电流为I，则螺线管内所产生的磁场强度H为：H=NI/lB=μH(μ为磁导率)μr=μ/μ0（相对磁导率）μ0=4π×107H/mB=μ0（H+M）M为磁化强度（A/m）与H单位相同M=Pm/VM=χHμr=1+χχ为磁化率（无量纲）物质的磁性本源是电荷的运动原子磁性包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩磁矩的最基本单位是玻尔磁子μB，μB=9.27×1024A·m2物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起“交换”作用：处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生的特殊相互作用，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用当原子间距Rab与未被填满的电子壳层半径r比Rab/r3时，交换能H为正值，就呈现出铁磁性当Rab/r3时，交换能H为负值，为反铁磁性根据物质磁化率，可以把物质的磁性大致分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性抗磁性：磁化方向与外加磁场方向相反，即当磁化率χ或磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩顺磁性：在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，材料显示极弱的磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正，而且M严格地与外磁场H成正比χ=C/TC为居里常数，磁化率很小铁磁性：无论是否施加外磁场，都具有永久磁矩，且在无外加磁场或较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度反铁磁性：由于“交换”作用为负值，电子自旋磁矩反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的，在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体磁化强度M=0在一定温度TN时，χ达最大值χN。称TN为反铁磁性物质的奈耳温度（Nèeltemperature），它是反铁磁性转变为顺磁性的温度亚铁磁性：由磁矩大小不同的两种离子（或原子）组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列的。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体居里－威尔斯方程：χ=C/T-是威尔斯常数适用温度范围：TTc(居里温度)3.2.铁磁性磁化过程（又称感磁或充磁）：把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时（J0），相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因铁磁性的产生需要两个条件：1）原子内部要有未填满的电子壳层1）Rab/r之比大于3，使交换积分J为正前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构磁畴（domains）：铁磁体中自发磁化至饱和的小区域磁畴壁（domainwalls）：相邻磁畴的界面，磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度磁畴壁可分为两种：一种为180o磁畴壁，另一种称为90o磁畴壁技术磁化过程：外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（或近似外磁场方向）的过程技术磁化是通过两种形式进行的：一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转磁化曲线（OKB）和磁滞回线是技术磁化的结果剩磁Mr，矫顽力HC，CD段称为退磁曲线。退磁过程中M的变化要落后于磁化场强度H的变化，这种现象称为磁滞现象矫顽力HC的大小取决于畴壁反向迁移的难易程度。一般来说，迁移（磁化）和反迁移（退磁）进行的难易是一致的，材料中的夹杂物等比较多，弥散度大，则迁移困难，反迁移也较难，HC就较大。反之，材料愈纯，HC就愈小ΔW=∫HdB外界所做的功，只能是消耗在介质中的能量，即不可逆地转化为其它形式的能量，如热能。这种损耗叫做磁滞损耗磁晶各向异性：指不同晶体方向上磁的性能（如磁极化强度μ0M）不同磁化功：为了使铁磁体磁化，要消耗一定的能量，它在数值上等于下图中阴影部分的面积，称为磁化功磁晶各向异性能：把从易磁化方向的磁化转向难磁化方向所需的功，用EA表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数静磁能：铁磁体在磁场中的能量。它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量，后一种静磁能常称为退磁能形状各向异性：不同形状的不同方向磁化行为不同的现象这一磁场与铁磁体的磁化强度方向相反，起到退磁的作用，因此称为退磁场减小退磁能是磁筹分割（分筹）的基本动力磁致伸缩：铁磁体在磁场中磁化，其形状和尺寸发生变化的现象λ称为线磁致伸缩系数；W称为体积磁致伸缩系数磁弹性能：如果物体在磁化时受到限制，不能伸长（或缩短），则在物体内部产生压应力（或拉应力）。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能物体内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能凡是与自发磁化有关的参量都是组织结构不敏感。与成分、原子结构、相组成有关，与相的结构和成分有关，这些量称为本征参量凡与技术磁化有关的参量都是组织结构敏感的，这些参量为非本征参量，主要与晶粒的形状和弥散度、位向及分布、点阵的畸变等有关加工硬化：引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，从而引起与组织相关的磁性改变晶粒细化：增大矫顽力和磁滞损耗，降低磁导率。3.3.铁氧体的结构与磁性能铁氧体磁性又称为亚铁磁性。尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等6种所有的亚铁磁性尖晶石几乎都是反型的阳离子出现于反型的程度，即x值不是尖晶石的内禀性质，而取决于热处理条件。铁氧体亚铁磁性的来源：金属离子间通过氧离子而发生的超交换作用当两个金属离子在O2离子两旁近似成180o时，这两个轨道重叠最大，超交换最强烈A-B型超交换作用导致了铁氧体的亚铁磁性当A位或B位离子不具有磁矩时，A-B交换作用就非常弱，上述结论不适用石榴石的净磁矩起因于反平行自旋的不规则贡献磁铅石型铁氧体，六角晶系铁氧体具有高的磁晶各向异性，故适宜作永磁铁，它们具有高矫顽力3.4.磁性材料及其应用磁性材料按矫顽力Hc的大小分为两类：矫顽力很小的软磁材料和矫顽力很大的硬磁材料1.软磁材料2.硬磁材料：又称永磁材料，是用于制造各种永久磁铁的磁性材料HdBd称之为最大磁能积最大磁能积是永磁材料的重要性能指标之一，通常用来表征永磁体性能的优劣：材料的(BH)max大，则在相同空气隙条件下，可以得到高的磁场永磁材料要求必须具有高矫顽力HC、高剩磁Br、大的最大磁能积(BH)max3.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稀土-铁赝二元系，如TbFe2、SmFe2具有巨大的磁致伸缩效应，其值为103量级，称为巨磁致伸缩效应4.磁记录材料：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5.高密度磁光存储材料：磁光存储的基本原理：磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂直于膜面，写入是利用热磁效应改变微小区域的磁化矢量的取向，读出是基于磁光克尔效应6.磁致冷材料