磁性材料课件2.ppt

1、第8章 磁性材料1第1页，共67页。8.1 材料的磁性材料的磁性磁性材料和磁化率：磁性材料分类u按导电性差异,可分为：金属和铁氧体磁性材料；u按磁性能差异，可分为：软磁、永磁、旋磁、压磁以及磁光材料等；u按磁化率大小和符号，可分为抗磁性材料、顺磁性材料和铁磁性材料。8.1.1 抗磁性和顺磁性n 抗磁性 0且绝对值很小，惰性气体，许多有机化合物，部分金属（Bi，Zn，Ag等）和非金属pHM2第2页，共67页。n顺磁性 0且绝对值很小，居里定律 居里-外斯定律 顺磁材料典型的有稀土金属和铁族元素的盐类8.1.2 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性n铁磁性n有一类材料在一定温度下，只要很小的外加磁场就能被磁

2、化到饱和，其磁化大率大于零，数值为10106数量级，M与H的关系是非线性的函数关系，反复磁化时出现磁滞现象；n原子磁矩来源于电子自旋磁矩（S）和轨道磁矩（L）；n自发磁化和磁畴n铁磁性材料和顺磁性材料的区别：有无自发磁化现象；铁磁性元素不多，但具有铁磁性的合金和化合物很多。pTTCPpTCp3第3页，共67页。n反铁磁性n另一类材料，当TTN时，磁化率与温度的关系遵从居里-外斯定律（Tp通常小于零），当TTN时，磁化率不是继续增大，而是减小，并在TN处出现极大值，TN称为奈尔温度，这类磁性称为反铁磁性；n内部离子之间存在交换相互作用，只是不同次晶格的离子磁矩反平行排列，且大小相等；n反铁磁性材

3、料主要有过渡金属元素的盐类及化合物。n亚铁磁性反铁磁外材料中的次晶格磁矩相互抵消。如果次晶格磁矩虽然反平行排列，但大小不同，从而出现未被抵消的净磁矩，其宏观磁性跟铁磁性相同，这类磁性称为亚铁磁性磁化率约在100104数量级，铁氧体是典型的亚铁磁性材料；超交换相互作用抗磁性、顺磁性和反铁磁性属于弱磁性范畴，铁磁性和亚铁磁性属于强磁性范畴。4第4页，共67页。n8.1.3 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线n磁化曲线(B-H或M-H曲线）5第5页，共67页。n磁滞回线n剩余磁化强度Mr和剩余磁感应强度Brn内禀矫顽力MHC和感应强度矫顽力BHC MHC BHCn矫顽力表征材料磁化后保持磁化状态的能力n按

4、BHC的大小，材料分为：软磁材料 BHC 8108102 Am-1 永磁材料 BHC 8103 8105 Am-1 半永磁材料BHC介于软、永磁材料之间6第6页，共67页。8.2 软磁材料8.2.1 软磁材料的特性n软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁导率i高，矫顽力Hc小，既容易获得也容易失去磁性，是极其重要的一类磁性材料。n分类：按电阻率的不同，可分为金属软磁材料（主要用于频率较低的场合）铁氧体软磁材料（主要用于频率较高的场合）n衡量软磁材料性能优劣的主要参数n起始磁导率(i)，其中 表征储能特性，表征能量损耗特性 材料的i越高，在相同电感量要求下，器件体积可以越小，线圈匝数也可减小，并越有利

5、于减小漏磁。j7第7页，共67页。n2.磁损耗磁损耗n产生原因:软磁材料在弱交变磁场，一方面会受磁化而储能，另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗，即材料从交变磁场中吸收能量并以热能形式耗散.n定义 来表征，还常用比损耗系数 来表征 在低频弱场下，所以n交变磁场中软磁材料的损耗主要来自三方面：磁滞损耗(tanh)，涡流损耗(tane)和剩余损耗(tanr)，总损耗为：tanchetantantantantaniQii1tantan8第8页，共67页。3.磁导率的温度稳定性n磁导率的温度系数 n实际应用中，常用比温度系数 来表征4.磁导率的减落n软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、

6、磁、光、热和机械等冲击后畴壁易于移动，表现出较高的磁导率。当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降。这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化。n磁导率的表征n减落Dn减落系数d减落因子DF)()(1Crefrefrefi121DttDd12lg1dDF 9第9页，共67页。5.磁老化n由于材料结构的变化而引起的不可逆变化；n磁老化系数n磁老化系数的大小与材料的值和制造工艺有关6.截止频率n软滋材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的 值降为起始值的 一半且 达到峰值时的频率，称为截止频率fr它与材料的组成和显微结构有关。121Ia 10

7、第10页，共67页。8.2.2 铁氧体软磁材料1.1.晶体结构与金属离子的分布晶体结构与金属离子的分布n铁氧体是铁和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物，其磁性属于亚铁磁性；n磁性来源于被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换相互作用，它使处于不同晶格位置上的金属离子磁矩反向排列，磁矩不相等时，表现出强磁性；n铁氧体的晶体结构类型n尖晶石型AFe2O4，主要有NiZn和MnZn，主要作为软磁材料。n磁铅石型MFe12O19，M2+：二价金属离子，主要有BaFe12O19 和SrFe12O19，主要作为永磁材料。n石榴石型R3Fe5O12，R3+：三价稀土金属离子，主要作为旋磁材料。11第11

8、页，共67页。甲甲n尖晶石型铁氧体n分子式：MeFe2O4，其中Me为二价金属离子，Fe3可部分被Al3 或Cr3+取代nAB2O4晶体结构A A位置金属离子位置金属离子 B B位位置金属离子置金属离子O2-2-位置位置尖晶石晶胞的部分结构示意图尖晶石晶胞的部分结构示意图甲甲甲甲甲甲乙乙乙乙乙乙乙乙12第12页，共67页。氧离子密堆积中的氧离子密堆积中的A，B位置位置A位四面体位四面体B位八面体位八面体O2-A位金属离子位金属离子 B位金属离子位金属离子13第13页，共67页。点阵常数a及氧参数un点阵常数a:u单位晶胞(8个子晶格)的棱边长;u理想尖晶石结构:，ro(氧离子半径)；ro=1.

9、32。理论：a=7.5;实际:a=8.08.9 注:点阵常数为判定物相的一个重要参数，可通过X射线衍射测 a 值。点阵常数还可用作求尖晶石理论密度：d=8M/Noa3 (M：分子量；N0:阿佛加德罗常数）n氧参数u：nO2-离它最近子晶格面的距离，单位为a，用u表示；n它是描写尖晶石铁氧体中O2-真实位置的一个参数。理论时:=0.375a;实际:=0.3790.385a roa2414第14页，共67页。n实际尖晶石铁氧体常为多元铁氧体，分子式可表示为：组成遵循电中性原则：x(nA)+y(nB)+z(nc)+=8 当x+y+z+=3，形成正分化合物 当x+y+z+3，电性显示为P型 当x+y+

10、z+3，电性显示为N型对于尖晶石铁氧体：对于尖晶石铁氧体：分子式分子式 MeFe2O4 分布式分布式:(MexFe1-x)Me1-xFe1+xO4 ，其中（其中（）内的）内的离子占离子占A A位，位，内的离子占内的离子占B B位位 x=1：(Me2+)Fe23+O4 -正尖晶石正尖晶石 x=0：(Fe3+)Me2+Fe3+O4 -反型尖晶石反型尖晶石 0 x.按特喜位分布，有B位趋势的先占B位,把趋势弱的赶入A位金属离子占位的倾向性：Zn2+,Cd2+,Mn2+,Fe3+,V5+,Co2+,Fe2+,Cu+1,Mg2+,Li+1,Al3+,Cu2+,Mn3+,Ti4+,Ni2+,Cr3+两种以

11、上金属离子的复合铁氧体，按特喜位分布；趋势差不多时，按A、B均出现。同时特喜占A位或B位的金属离子进行置换可在很大程度上改变金属离子的原来分布 2.考虑轨道磁矩淬灭及离子价变化情况;3.受温度影响;占占A A位趋向性增强位趋向性增强占占B B位趋向性增强位趋向性增强20第20页，共67页。21第21页，共67页。n 多元铁氧体的分子磁距多元铁氧体的分子磁距n 含Zn2+的多元铁氧体(Zn2+xFe3+1-x)Ni2+1-xFe3+1+xO4 -Zn2+占A位,nZn2+=0;0K时,nB=10 x+2.3(1-x)=7.7x+2.3 22第22页，共67页。含Al3+的多元铁氧体(Fe3+)N

12、i2+Fe3+1-xAl3+x O4 -Al3+占B位,0K时,nB=2.35x;一般x,nB,可能出现成分补偿点.23第23页，共67页。单位体积饱和磁化强度MS 式中n B为分子的磁矩数；M为 分子量;d x:为X射线密度;S为比饱和磁化强度。)(5585mA1dndMxBxSsM24第24页，共67页。n制备一种高频Ni-Zn铁氧体软磁材料，其基本配方为：Fe2O3=50mol%，NiO=22 mol%，CoO=6mol%，ZnO=22mol%。请计算及分析：写出该材料的化学分子式与占位结构分布式 各组分的质量分数；计算0K时的比饱和磁化强度s；注：分子量：Fe2O3=159.7,NiO

13、=74.7 CoO=75,ZnO=81.4离子磁矩：Co2+=3.7B,Ni2+=2.3B,Fe3+=5B,Fe2+=4B解：设化学式为：ZnNiCoFe2O4 则 +=1 :=0.22:0.22:0.06 =0.44 =0.44 =0.12 化学式化学式：Zn0.44Ni0.44Co0.12Fe2O4 占位结构分布式占位结构分布式:（Zn2+0.44Fe 3+0.56）Ni 2+0.44Co 2+0.12Fe 3+1.44O425第25页，共67页。n各组分的质量分数 Fe2O3 wt.%=67.27%NiO wt.%=13.85%CoO wt.%=3.79%ZnO wt.%=15.09%n

14、0K时的比饱和磁化强度s 分子磁矩 nB=(2.30.44)(3.70.12)(51.44)(50.56)=1.0120.4447.22.8=5.856(B).(78.13737.237856.555855585kgAm12MSnB26第26页，共67页。n饱和磁化强度与温度的关系分子场理论近似地推广到亚铁磁性；有效分子场系数：尖晶石型铁氧体的三种不同类型的MsT曲线)(MMWABA)(MMWBAB27第27页，共67页。TMMB0MBMsTMAMA0MMB0 f fTMAMBMsMsMBMATMQ型曲线型曲线N型曲线型曲线P型曲线型曲线铁氧体不同类型的铁氧体不同类型的MsMsT T曲线曲线n

15、 f 高低取决于超交换相互作用的强弱；n 影响f 高低因素有：磁性离子与氧离子间的距离和夹角；磁性离子对键数目；磁性离子种类。f28第28页，共67页。232221223222321222110)(KKKEK3尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩n磁晶各向异性磁晶各向异性n磁化的难易程度与晶体对称性相关的现象。n磁晶各向异性能（Ek)对于立方晶系尖晶石型铁氧体：其中是i 磁化矢量与i晶轴夹角的方向余弦；Ki 是磁晶各向异性常数。忽略常数项和高次项后，当K1 0时，100为易磁化方向；当K1 0时，111为易磁化方向；)(2322232122211KEK29第

16、29页，共67页。n产生磁晶各向异性的原因n原子核与电子的相对运动所产生的磁场，迫使电子自旋倾向于取垂直于电子运动轨道平面的方向；n当离子处于晶体场中时，晶体电场又将电子的轨道运动约束在一定的方向；n这种自旋-轨道-晶体场联合作用，导致离子的磁矩相对于晶轴的取向具有不同的能量，其宏观表现就是磁晶各向异性。n磁致伸缩磁致伸缩n磁性物体磁化状态的改变引起其形状、尺寸改变的现象；n饱和磁致伸缩系数s，其数量级约为105 106，对于立方晶系 式中，100、111分别为沿着立方体晶轴100和111方向的磁致伸缩系数；i 与i分别表示饱和磁化方向与测量磁致伸缩方向相对于三个晶轴的方向余弦。)(3)31(

17、23131332322121111232322222121100S30第30页，共67页。n当100=111=S0时，并假设测量方向和磁化方向的夹角为，n对于多晶体，当0时，n应力能为：式中，为磁化方向与应力方向之间的夹角n磁致伸缩的微观物理本质磁致伸缩的微观物理本质:由于晶格中离子的电子云为非球面对称，当自旋方向改变时，自旋-轨道的耦合，电子云的状态将随之变化，因此，离子间的作用力在晶格的不同方向发生变化，有的变强，有的变弱，结果引起晶格形变，对整个晶格而言，则表现出伸长或缩短。)31(23cos20Ss5321111000SSsin223SE31第31页，共67页。4尖晶石铁氧体的电特性尖

18、晶石铁氧体的电特性n绝大多数铁氧体的导电特性属于 半导体类型；n电阻率 其中，E称为激活能，代表电子从一个 离子跃迁到相邻离子上所需的能量；P为 温度T时的电阻率。n在各种尖晶石铁氧体中，Fe3O4电阻 率最低；n尖晶石铁氧体的介电常数随组成离 子的浓度而改变，随应用频率的升高 而产生剧烈频散。)(expTkE32第32页，共67页。5.软磁铁氧体材料的性能参数及改善途径软磁铁氧体材料的性能参数及改善途径n起始磁导率in跟饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数Kl以及磁伸缩系数s等密切相关，可以表示为：n要得到高i低Hc的软磁铁氧体的途径：n提高Ms值；n降低Kl、s和值；n减小另相，提高密度，增

19、大晶粒尺寸。SSiKM231233第33页，共67页。n磁谱磁导率的频率稳定性n磁谱：在交变磁场作用下，软软磁材料的磁导率成为复数 磁导率随频率变化的曲线。n对于立方系软磁材料，式中，为磁旋比MfSir31)1(j34第34页，共67页。n磁损耗nLegg公式 其中，Rm为相应于磁损耗的电阻，Bm为最大工作磁感应强度；f为工作频率；e为涡流损耗系数；a为磁滞损耗系数；C为剩余损耗系数。n磁损耗的改善途径u降低涡流损耗的方法主要从提高晶粒内部和晶界电阻率；u对于磁滞损耗，在弱场下主要是通过减少不可逆壁移的方法来降低，在较强场下主要是靠提高i，降低Hc来实现磁滞损耗的降低；u降低剩余损耗，一方面要

20、防止电子、空位、离子等的扩散，尤其是Fe2和Fe3之间的电子扩散，另一方面要在应用条件下避开磁后效峰。CBafeLfRmimimtan235第35页，共67页。n磁导率的温度稳定性温度升高到居里点附近时，i呈现峰值(I峰)，达到居里点时，i剧降到1；Fe3O4等铁氧体在居里温度以下出现II峰；利用K1(T)的变化规律，控制材料II峰出现的温度，从而在居里点和II峰出现的温度之间找到i (T)曲线较为平坦的区域。36第36页，共67页。n磁导率的时间稳定性磁导率随时间的增加而逐渐下降由结构变化引起的不可逆的磁老化和可逆的减落组成；降低磁减落的措施是防止阳离子空穴的产生。6.常用软磁铁氧体常用软磁

21、铁氧体（1）MnZn铁氧体材料（2）NiZn铁氧体材料（3）平面六角晶系铁氧体软磁材料37第37页，共67页。8.2.3 金属软磁材料1.工业纯铁nBs=2.15T,TC=770，m约为20103，最纯的多晶铁m 达280103，单晶铁m 可达14300103n恒定磁场中的优良的磁导体和磁屏蔽材料，低电阻率限制了其在交变磁场中的应用；n工业纯铁主要有：电解铁、阿姆柯铁和羰基铁38第38页，共67页。8.3 永磁材料永磁材料8.3.1 永磁材料的特性n永磁材料 指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料；n退磁曲线n磁能积(BH)和最大磁能积(BH)max (BH)max衡

22、量材料性能好坏的重要参数n凸出系数n回复磁导率HBBHCBr)(maxtgHBrec39第39页，共67页。n永磁材料的特性n高Br；n高(BH)maxn高MHc和BHc；n凸出系数趋于1；n回复磁导率rec趋于1温度、磁场和时间的稳定性好。40第40页，共67页。8.3.2 金属永磁材料n按形成高矫顽力的机理来划分，可分为：淬火硬化型；（已很少使用）析出硬化型；时效硬化型；有序硬化型；单畴微粉型。n析出硬化型永磁材料nAlNiFe系合金n在1000以上是单相的固溶体，晶体结构为体心立方结构在900以下时，分解为两相1+2；n制造工艺中，可以通过控制冷却速度来实现 1十2，析出或分解过程的控制

23、。41第41页，共67页。nAlNiCo系合金n合金从高温冷却到900附近时为单相固溶体，继续冷却并适当控制冷速的情况下，于850以下发生失稳分解，分解为两相1十2。n回火处理：回火处理：当于600进行回火时，合金中不仅发生1相长大(呈伸长形)，同时由于2相中过溶的Fe和Co在回火温度下容易向1相中扩散，即发生回溶现象，另一方面，1相又将过溶的Ni和Al扩散到2相，发生Ni、A1的脱溶，使合金中1和2相之间的成分和磁化强度差别增大，从而导致合金获得良好的永磁性能。n磁场热处理：磁场热处理：高温固溶后的AlNiCo合金在900一780的控速冷却过程中，如果对合金外加磁场，则合金的磁滞回线将发生显

24、著的变化，尤其是退磁曲线的凸出系数明显提高。1相的长轴顺着磁场方向排列，具有感生单轴各向异性。影响磁场热处理效果的因素影响磁场热处理效果的因素：磁场热处理的有效温度范围；冷却速度；外加磁场大小。42第42页，共67页。2.稀土永磁材料n 发展历程n20世纪60年代出现RCo5型第一代稀土永磁材料；n70年代出现R2Co17型第二代型稀土永磁材料；n80年代出现R-Fe-B系第三代稀土永磁材料（今磁能积最高的永磁材料）n稀土永磁材料内部交换作用；nTM-TM(3d-3d)，最强nR-R (4f-4f)，最弱nR-TM(4f-3d)43第43页，共67页。nRCo5型稀土永磁材料n最早SmCo5，

25、随后发展了PrCo5，(Sm0.5Pr0.5)Co5，Ce(Co,Cu,Fe)5等；nRCo5型稀土永磁材料具有CaCu5型晶体结构，属六角晶系，由Co原子层和Co、R混合原子层相间重叠而成，其c轴为易磁化轴。nSmCo5的制备注意事项n由于稀土元素容易挥发和氧化，在配方时应补足可能发生的损量以免成分偏析。n制粉应在介质(如甲苯、航空汽油等)保护下进行振动球磨；n烧结中应添加适量的液相合金并注意控制烧结温度和降温模式；nSmCo5永磁在500-800范围内回火，或在此区间缓慢冷却，其矫顽力大幅度降低、这称为“750回火效应”，若再在900950加热并淬火，则其矫顽力又可部分或全部回复。44第4

26、4页，共67页。nR2Co17型稀土永磁材料n首先得到研究的是Sm2Co17，用Fe部分取代Co而成为Sm2(Col-xFex)l7合金。两者均为单相合金，其矫顽力由反磁化畴形核、长大的临界场决定。后来加入其他元素，形成Sm-Co-Cu-Fe-M系永磁材料，其矫顽力机理属时效硬化型，其中Sm2(Co，Cu，Fe，Zr)17合金磁性能最好，其缺点是Sm和Co的含量仍然较高，且工艺复杂。nR2(TM)17化合物在低温区大多具有Th2Zn17型结构，属于菱方晶系。nR-Fe-B型稀土永磁材料nNd-Fe-B永磁材料组成中不含Co，以Nd2Fe14B化合物为基，含富Nd相和富B相。Nd2Fe14B晶体

27、属四方晶系；获得优良磁性能的Nd-Fe-B永磁的组成大约为Nd15Fe77B8。它含有适量的非磁型富Nd相和富B相。45第45页，共67页。n稀土永磁材料n20世纪90年代，出现了两类新的稀土永磁材料。n一类是R2Fel7N1-型(03)其晶体结构与R2Co17相同，但N原子作为间隙原子进晶胞中，晶格膨胀67，并使得Tc和Bs显著提高(Tc=476，Bs=1.54T)，磁晶各向异性场HA约为Nb-Fe-B的两倍。另一类是RFe12Mx型，其中M为Ti、V、Cr、Mo、W和Si等，它具有ThMn12型四方结构。M的加人促使晶体结构稳定，并可提高材料的饱和磁化强度Ms。46第46页，共67页。8.

28、3.3 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料1晶体结构与离子取代nBaO-MeO-Fe2O3三元体系中，六角晶系结构的化合物有M、W、X、Y、U、Z型。n作为铁氧体永磁材料的化合物是磁铅石结构的M型，主要有BaM，SrM以及PbM；nBaM的化学组成为BaFe12O19n对于BaM而言，可以通过离子取代来改善其电磁性能；n 取代不需要电荷补偿；n 取代需要电荷补偿；47第47页，共67页。2提高铁氧体永磁材料性能的方法n通过磁场取向成型造成各向异性材料并尽可能地减少气孔、提高密度，才能有效地提高铁氧体永磁材料的剩磁Br。n将材料做成单畴集合体以提高材料的内禀矫顽力MHC。单畴临界半径3常用铁氧体永磁材

29、料n各向同性钡铁氧体n 工艺简单、成本低廉n 制备的注意事项n BaO与Fe2O3的比例。n烧结温度对磁性能的影响。MRswc20948第48页，共67页。n各向异性钡铁氧体永磁材料n 性能高、应用广；n 通过磁场中取向成型，使各晶粒的易磁化轴趋于一致排列，则B r将比各向同性材料约提高1倍，(BH)max将近提高4倍。n 要使各向异性铁氧体永磁材料的性能提高，应注意：成型粉体必须具有铁磁性：每个颗粒应是单晶单畴；单畴颗粒应能自由转动，取向外加磁场。49第49页，共67页。n铁氧体永磁材料的发展（1）CaLa铁氧体永磁材料 M型六角晶系CaLa系铁氧体的分子式为(CaOnFe2O3)100-x

30、(La2O3)x，其中n=5.66.24，x=04，最佳成分为(CaO6Fe2O3)97(La2O3)3 优点：价格低廉和工艺稳定（2）W型六角铁氧体永磁材料 分子式：AB18O27，如BaFe18O27=BaO2Fe2+O8Fe2O3简称Fe2M，Fe2+被Zn2+、Ni2+取代，形成Zn2M、Ni2M50第50页，共67页。8.3.4 复合永磁材科复合永磁材科n为了改善机械性能使永磁材料变为易加工、柔软可曲的材料，将具有永磁特性的粉体与有机材料混合，通过模子或注射成型制作具有可塑性的粘结永磁，其中填充了体积分数力1015的非磁性质。1.复合钡和锶铁氧体复合钡和锶铁氧体 将BaM或SrM永磁

31、粉末在9001000下热处理1h，以消除颗粒表面缺陷提高Hc和Br，然后，与粘结剂复合，得到的各向同性永磁体的性能不高。2复合稀土永磁材料复合稀土永磁材料51第51页，共67页。8.3.5 永磁材料的磁性能稳定性1金属永磁材料的温度特性2铁氧体永磁材料的温度特性n铁氧体永磁材料Br(T)曲线近似为直线，随着温度上升而剩磁Br下降；n永磁铁氧体低温不可逆现象3永磁材料的稳定性处理n处理方法主要有：人工时效处理；交流退磁处理；磁接触稳定处理；温 度循环稳定处理MaTkMKMdcSsw200120036952第52页，共67页。8.3.6 磁记录用薄膜磁性材料n连续薄膜型垂直磁记录介质，包括nCo-

32、V、Co-Ru、Co-Sm、Fe-Cr、BaM铁氧体等的溅射膜；nCo-Cr、Co-Fe的蒸镀膜；nNi-Co-P、Co-Ni-Mn-Re-P等的化学镀膜或电镀膜。n1.Co-Cr合金薄膜n2.BaFe12O19铁氧体薄膜53第53页，共67页。8.4 旋磁材料旋磁材料n旋磁材料是指适用于微波频段(102一105MHz)的旋磁媒质。其中，主要是旋磁铁氧体材料，实际应用中有尖晶石型、石榴石型，以及应用于毫米波段的磁铅石型。8.4.1 石榴石型铁氧体的晶体结构与离子取代石榴石型铁氧体的晶体结构与离子取代n石榴石型铁氧体的分子式为R3Fe5O12常称为RIGn石榴石型铁氧体属立方晶系，具有体心立方晶

33、格，占位结构式：R3Fe2(Fe3)O12n实际应用中，往往通过离子取代来改善材料的性能，离子取代除应满足摩尔数比和保持电价平衡条件外，其占位倾向性也应由金属离子半径、化学键及晶体场等因素决定。54第54页，共67页。n8.4.2 石榴石铁氧体的饱和磁化强度n在石榴石结构中存在着由金属离子占据的c、a、d三种间隙位置，因此，有六种类型的超交换相互作用：a-a、d-d、a-d、a-c和d-c，其大小取决于两个磁性离子跟氧离子间构距离与夹角。理论和实验表明，最强超交换相互作用存在于a-d之间，次强d-c。n对于R3Fe5O12来说，0K时的分子磁矩为：n B=mc(mdma)=3mR5 Bn在0K

34、时，若mc(mdma)，多数RIG在居里点f以下存在抵消点 c；n单元石榴石铁氧体的居里点f 十分接近，约为550一560 K；55第55页，共67页。8.4.3 石榴石铁氧体磁晶各向异性及磁致伸缩特性石榴石铁氧体磁晶各向异性及磁致伸缩特性nYIG和GdIG的磁晶各向异性和磁致伸缩系数均很小；n具有轨道角动量的稀土离子所形成的RIG表现出较大的磁晶各向异性和磁致伸缩，而且对温度有强烈的依赖性，通常在低温时急剧上升；n100K以上，全部RIG的K10，即易磁化力向处于 111方向；nEuIG具有正的100 及111，SmIG、ErIG及TmIG具有正的100 及负的111；56第56页，共67页

35、。8.4.4 旋磁材料的技术要求旋磁材料的技术要求1高旋磁性n铁氧体的旋磁特性与饱和磁化强度Ms有关，Ms 越高，旋磁特性越强，但Ms 的增加易使铁氧体在微波信号作用下发生自然共振，低场损耗增加；n自然共振的的吸收频带 式中为Hk磁晶各向异性场；为磁旋比。n为了避免低场损耗的影响，应采用低Ms 材料，使上式中的上限频率低于工作频率工作。2.低损耗n旋磁材料的损耗分为n磁损耗，主要来源于自然共振和铁磁共振，用线宽H表示。n电损耗，主要来源于介电损耗(tan)，与电阻率有关，提高电阻率可以降低介电损耗。)(MHHskk自57第57页，共67页。3高功率负荷n对高功率微波铁氧体器件，要求材料能承受高

36、峰值功率与平均功率。这就要求提高材料产生高功率效应的阈值(hc)，为此需要增加材料自旋波线宽Hk。Hk表示波数为k的自旋波损耗的参量。4.高稳定性n旋磁材料的居里点f 影响着微波铁氧体器件的温度稳定性。尤其是在高功率或高温环境中应用时，为了提高温度稳定性，通常使用高居里点材料。5磁化曲线及磁滞回线n对于在低场区应用的旋磁材料，材料的磁化强度将依赖于外加恒磁场，其变化关系即为静态基本磁化曲线。在这种情况下，磁化曲线是旋磁材料的一个指标。对于工作在剩磁状态的材料，要求其磁滞回线呈矩形。58第58页，共67页。8.4.6 常用旋磁铁氧体材料常用旋磁铁氧体材料1.石榴石型n共性n这类材料具有优异的共振

37、特性:非常低的铁磁共振线宽、介电损耗；n磁晶各向异性很弱；n降低MS时仍可保持较高的居里点f；n通过离子的置换能较独立地改变MS、H、Hk等参量。nYIG铁氧体(Y3Fe5O12)n配方可写为(Y2O3)3+X(Fe2O3)5n材料成分比、纯度、晶格缺陷以及表面粗糙度对性能的影响很大。nYAlIG铁氧体n在Y3AlxFe5xO12系列中，非磁性的Al3+主要进入四面体位置，所以此材料的MS和居里点均随x的增加而下降，但H变化不大。这类材料在低频微波铁氧体器件中应用较为广泛。59第59页，共67页。n YGdIG铁氧体(Y3-xGdxFe5O12)n 这类材料在应用上的主要目的是降低室温时的饱和

38、磁化强度MS，尤其是获得在使用温度范围内MS 的温度稳定性很好的材料。n 与YAlIG相比可用于较高的微波功率。n 钙钒系列石榴石铁氧体n YCaVIG (Y3-2xCa2xFe5-xVXO12)n BiCaVIG (Bi3-2xCa2xFe5-xVXO12)n 成本低廉、性能优良60第60页，共67页。2六角晶系铁氧体(磁铅石型)n在毫米波及亚毫米波段，可利用六角晶系高磁晶各向异性所决定的内场来降低所需的外加恒定磁场；可通过缺铁加锰的配方，来提高电阻率、降低介电损耗。3尖晶石型n Mg系铁氧体n由MgFe2O4和MnFe2O4、以适当比例组成的MgMn固溶体；该类材料具有较低的磁损耗与介电损

39、耗，且价格低廉。61第61页，共67页。n Ni系铁氧体n 具有良好的温度稳定性，适用于高功率或环境温度高的器件。n通过添加少量Mn、Co、Cu等成分，可提高电阻率、降低H。n Li系铁氧体n 单元Li0.5Fe 0.25O4的居里点高，f 670，是旋磁铁氧体中f 最高的材料，因而具温度稳定性好。n 材料的磁致伸缩系数s 小，磁晶各向异性常数K1较大，适于作微波锁式相移器及高功率器件材料。n 其介电损耗及磁损耗降低，Hc降低。62第62页，共67页。8.5 压磁材料n8.5.1 金属压磁材料n发展历程n早期的Ni基合金和Fe-Co-V合金，s小，后来出现了在室温和低磁场下即可获得很大磁致伸缩

40、系数的TbFe和DyFe组成的补偿三元稀土铁化合物，即超磁致伸缩材料，如Tb0.27 Dy0.73Fe2。n超磁致伸缩材料的特点J 优点优点：s特别大；能量密度高；应变产生的推力大；能量转换效率高；响应速度快，-H曲线线性好，弹性模量可调；频带宽可在几十Hz15kHz范围工作；工作电压低；稳定性好，可靠性高。L 缺点缺点：高频特性差、磁导率较低并且易脆。63第63页，共67页。8.5.2 铁氧体压磁材料n目前广泛使用的是以NiFe2O4为基的压磁铁氧体材料(如NiZn、NiCu、NiMg等系列），可通过添加少量的Co、Li元素来降低温度系数。64第64页，共67页。8.6 光磁材料光磁材料n磁

41、光效应n当光透过透明的磁性物质或者被磁性物质反射时，由于存在自发磁化强度Ms，将产生光的各向异性，故可以观测到各种特殊的光学现象(如偏振状态发生变化)，这些现象总称为磁光效应，例加法拉第(Faraday)效血，克尔(Kerr)效应等。n磁光薄膜的种类n稀土-过渡族(R-TM)磁光薄膜n非晶态薄膜，n石榴石薄膜nn磁光薄膜的应用n信息存储材料，如磁光盘65第65页，共67页。8.6.1 稀土-过渡金属(R-TM)磁光薄膜nR-TM非晶薄膜的R和TM金属原子磁矩反平行排列，其饱和磁化强度Ms、居里温度f 和补偿温度c强烈依赖于薄膜成分。n垂直于膜面的晶各向异性常数Ku，与薄膜淀积参数有关；n单轴各

42、向异性产生于自旋-轨道藕合极子相互作用，磁光效应来源于稀土金属原子d-f电子交换和过渡金属原子的d-d电子交换。66第66页，共67页。8.6.2 氧化物及MnBi系磁光薄膜n氧化物材料和MnBi系中不少材料(如MnBi、MnBiAl、MnAlGe、MnGaGe、PtMnSb、MnBiAlDy)具有较大的磁光效应、在石榴石系列中以Bi代石榴石为主，如BiGaIG、CeGaDyIG。8.6.3 多层调制磁光薄膜nPt/Co，Pd/Co多层调制膜是新型的磁光材料之一。薄膜中的Co提供磁性和磁光效应，Pt和Co层间的界面效应提供单轴磁各向异性；n其磁光性能与溅射气体种类、膜层周期数跟各层膜厚度有关。67第67页，共67页。