1、北京航空航天大学北京航空航天大学功 能 材 料李李 岩岩北京航空航天大学材料科学与工程学院北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期年春季学期北京航空航天大学北京航空航天大学第二章第二章 磁性材料磁性材料（三）几种典型磁性材料（三）几种典型磁性材料北京航空航天大学北京航空航天大学主要内容主要内容一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料二、磁阻材料二、磁阻材料三、磁记录材料三、磁记录材料四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料概念一、磁致伸缩材料概念对于长度为对于长度为L L的磁体，磁的
2、磁体，磁致致伸缩系数伸缩系数=L L / / L L。材料的。材料的值值通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，值也值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以s s表示。表示。磁致伸缩：磁致伸缩： 磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩（和缩短，这一现象称为磁致伸缩（magnetostrictive）。）。是材是材料的本征特性。料的本征特性。可以实现电可以实现电/磁能与机械能之间的相互转化。磁能与机械能之间的相互转化。北京航
3、空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料发展一、磁致伸缩材料发展 1842年，焦耳发现磁致伸缩现象；年，焦耳发现磁致伸缩现象； 1940年代，年代，Ni和和Co的多晶磁致伸缩材料应用的多晶磁致伸缩材料应用s10-5 19631965年，重稀土单晶金属年，重稀土单晶金属Tb和和Dy等等s10-3 1972年，年，TbFe2金属间化合物室温下金属间化合物室温下s10-3（0.10.2） 1973年，美国人年，美国人AE Clark发现发现Tb0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)s（0.25%） 1990年代，年代， Tb0.3Dy0.7Fe2中加入合金元素改性。中加入合金元素改性。 2
4、000年左右，新型年左右，新型FeGa合金合金s（25010-6）北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料种类一、磁致伸缩材料种类超超磁磁致致伸伸缩缩u超磁致伸缩材超磁致伸缩材料典型代表：料典型代表：稀土铁系金属间稀土铁系金属间化合物，化合物，如：如：TbFe2、 DyFe2北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料特性一、磁致伸缩材料特性稀土铁磁致伸缩材料稀土铁磁致伸缩材料饱和磁场强度高饱和磁场强度高磁致伸缩符号不同磁致伸缩符号不同北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料RFe2的结构的结构在在Laves相化合物中，沿最密排相化合物中，沿最密排 方向的磁
5、致伸缩量最大方向的磁致伸缩量最大北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 Tb0.3Dy0.7Fe2u超磁致伸缩材料超磁致伸缩材料Tb0.3Dy0.7Fe2是由磁晶各向异性相反的化是由磁晶各向异性相反的化合物合物TbFe2和和DyFe2混合而成。混合而成。u混晶降低了超磁致伸缩材料的磁晶各向异性能，使其在低混晶降低了超磁致伸缩材料的磁晶各向异性能，使其在低的磁场下即可达到磁饱和的磁场下即可达到磁饱和。北京航空航天大学北京航空航天大学施加一定施加一定的压应力可的压应力可以提高磁致以提高磁致伸缩量。伸缩量。一、磁致伸缩材料应力效应一、磁致伸缩材料应力效应外加压应力对磁致伸缩
6、材料的磁致伸缩外加压应力对磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的影响。特性的影响。北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料工艺与性能一、磁致伸缩材料工艺与性能制备工艺对磁致伸制备工艺对磁致伸缩性能影响缩性能影响北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料组织结构与特性一、磁致伸缩材料组织结构与特性TbDyFe合金可以制合金可以制备成多种晶体形式。备成多种晶体形式。不同机构对应不同不同机构对应不同性能。性能。北京航空航天大学北京航空航天大学 超磁致伸缩材料的制备方法超磁致伸缩材料的制备方法 （1） 定向结晶法定向结晶法 a. 布里奇曼法布里奇曼法 b.垂直悬浮区域熔化法垂直悬浮区域熔化法 c.
7、丘克拉斯基法丘克拉斯基法 （2）粉末烧结法）粉末烧结法 （3）粘结法）粘结法 （4）薄膜制备技术）薄膜制备技术 一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 制备方法制备方法北京航空航天大学北京航空航天大学 a. 布里奇曼法布里奇曼法原料置入石英坩锅内原料置入石英坩锅内感应加热，熔体自下而感应加热，熔体自下而上移出加热区，使其发上移出加热区，使其发生顺序凝固，形成定向生顺序凝固，形成定向结晶。结晶。一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 制备方法制备方法优点：优点： 设备简单，操作容易。设备简单，操作容易。缺点：缺点：稀土容易烧损，难以实现高的温稀土容易烧损，难以实现高的温 度梯度，因此对凝固组织不利。度梯度，
8、因此对凝固组织不利。北京航空航天大学北京航空航天大学b.垂直悬浮区域熔化法垂直悬浮区域熔化法扁平线圈加热，线圈或扁平线圈加热，线圈或样品以一定速度移动。样品以一定速度移动。一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 制备方法制备方法优点：优点：熔化时间短，稀土烧损少，成分熔化时间短，稀土烧损少，成分 容易控制，性能优良。容易控制，性能优良。缺点：缺点：设备要求高，实际操作困难。设备要求高，实际操作困难。北京航空航天大学北京航空航天大学c.丘克拉斯基（丘克拉斯基（Czchralski ）法（提拉法）法（提拉法）耔晶固定在钨棒上，插入熔体耔晶固定在钨棒上，插入熔体中，边旋转边提拉，熔体便以中，边旋转边提拉，
9、熔体便以籽晶为基底形成定向结晶。籽晶为基底形成定向结晶。一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 制备方法制备方法优点优点：可以获得较大的产品。：可以获得较大的产品。缺点缺点：提拉速度慢，效率低，稀土烧损：提拉速度慢，效率低，稀土烧损 严重，成分不均匀，性能难以控制。严重，成分不均匀，性能难以控制。北京航空航天大学北京航空航天大学 TbDyFe合金的缺点：合金的缺点：脆性大，饱和磁场高，成本高脆性大，饱和磁场高，成本高 FeGa（Al）等合金：）等合金：塑性好，饱和磁场小，成本低：成为新型磁弹性材料塑性好，饱和磁场小，成本低：成为新型磁弹性材料一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 Fe基合金特点与发展 早
10、期：早期：Fe-Al和和Fe-Be合金有可观的低场磁致伸缩性能，合金有可观的低场磁致伸缩性能，良好的机械强度和韧性：良好的机械强度和韧性： 1965年：年：001 取向的取向的Fe-15at%Al合金合金s =14010-6； 1993年：室温下年：室温下Fe-3.1Be合金合金s 5510-6，而，而Fe-6.8Be的的s = 10110-6 ； 2000年：年： Fe85Ga15单晶单晶s 25010-6北京航空航天大学北京航空航天大学1.A.E.Clark,et al. IEEE Trans On Magnetics, 36 (2000) 3238部分部分Fe基合金的磁致伸缩性能基合金的
11、磁致伸缩性能一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 Fe基合金性能北京航空航天大学北京航空航天大学A.E.Clerk, Magnetostrictive properties of Fe-Ga alloys under large compressive stresses, IEEE 2000, BS-12 室温下室温下Fe85Ga15单晶在单晶在100取向上的（取向上的（a）磁致伸）磁致伸缩特性和（缩特性和（b）磁化曲线与）磁化曲线与应力的关系。应力的关系。一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 FeGa合金北京航空航天大学北京航空航天大学Fe100-xGax合金经过合金经过800oC热处理水淬（空心方
12、）和热处理水淬（空心方）和炉冷（黑三角）后的磁致伸缩性能与成分关系。炉冷（黑三角）后的磁致伸缩性能与成分关系。一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 FeGa合金在在Ga含量为含量为17%时，磁致伸缩性能时，磁致伸缩性能最好。最好。对于相同成分的对于相同成分的合金，水淬比热处合金，水淬比热处理状态的磁致伸缩理状态的磁致伸缩性能高。性能高。北京航空航天大学北京航空航天大学 45.3MPa外加应力下外加应力下Fe81Ga19单晶在不同单晶在不同温度下的磁致伸缩温度下的磁致伸缩 温度升高后磁致温度升高后磁致伸缩下降伸缩下降一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 FeGa合金北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁
13、致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料应用1.大应变、大应力（并具有相应的强度）大应变、大应力（并具有相应的强度）2.高响应速度高响应速度3.软磁性软磁性4.低驱动磁场低驱动磁场5.高居里温度高居里温度6.对温度变化不敏感对温度变化不敏感7.高可靠性高可靠性从应用角度，超磁致伸缩材料应具备的条件：从应用角度，超磁致伸缩材料应具备的条件：北京航空航天大学北京航空航天大学超磁致伸缩材料和压电陶瓷的性能比较超磁致伸缩材料和压电陶瓷的性能比较 Tb0.3Dy0.7Fe1.9压电陶瓷压电陶瓷s 1061500-2000400居里温度居里温度Tc 380300机电耦合系数机电耦合系数k330.720.68能量密度
14、能量密度 J/m31400025000960密度密度 g/cm39.257.5抗拉强度抗拉强度 MPa2876相对原料费用相对原料费用301一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 性能比较性能比较北京航空航天大学北京航空航天大学应用领域应用领域振动主动控制振动主动控制大功率低频声纳系统大功率低频声纳系统 新型飞机自适应机翼新型飞机自适应机翼 高精度快速微位移致动器高精度快速微位移致动器微型机械功率源微型机械功率源 滤波器件滤波器件军事军事航天航天航空航空工业工业民用民用特点特点： 应变值高应变值高, ,能量密度大能量密度大, ,响应快响应快, ,精度高精度高新型换能材料新型换能材料磁能磁能/电能电能
15、 机械能机械能/声能声能一、磁致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料应用北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料 TbDyFe合金合金定向凝固定向凝固TbDyFe合金合金北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料应用在精密控制方面：在精密控制方面：通过调整磁致伸缩量通过调整磁致伸缩量的大小控制喷嘴流量的大小控制喷嘴流量北京航空航天大学北京航空航天大学TbDyFe材料可通过作动器的形式实现其功能材料可通过作动器的形式实现其功能MagActMagAct型作动器实物图型作动器实物图MagAct MagAct 型作动器实物图型作动器实物图一、磁致伸缩材料应用一
16、、磁致伸缩材料应用北京航空航天大学北京航空航天大学 水下发射型声纳是稀土超磁水下发射型声纳是稀土超磁致伸缩材料最早和最重要的应致伸缩材料最早和最重要的应用，主要用于水下通讯、探测、用，主要用于水下通讯、探测、侦察、伪装和制导等军事用途，侦察、伪装和制导等军事用途，还可用于捕渔、海底测绘、油还可用于捕渔、海底测绘、油井井深探测、输油管道堵塞探井井深探测、输油管道堵塞探测等其它用途。测等其它用途。磁磁 - - 声换能器声换能器 一、磁致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料应用北京航空航天大学北京航空航天大学超声波释放器超声波释放器增加采油量增加采油量一、磁致伸缩材料应用一、磁致伸缩材料应用北京航空航天大学
17、北京航空航天大学二、磁阻材料二、磁阻材料北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料磁致电阻效应二、磁阻材料磁致电阻效应横磁致电阻效应：施加的磁场与电流垂直引起电阻减少横磁致电阻效应：施加的磁场与电流垂直引起电阻减少纵磁致电阻效应：施加的磁场与电流平行引起电阻增加纵磁致电阻效应：施加的磁场与电流平行引起电阻增加起源于自旋起源于自旋轨道相互作用轨道相互作用。磁致电阻效应（磁致电阻效应（magneto-resistance effect）:MR0000()/()/HHRRRRH(H)为磁场为为磁场为H时的电阻（率）时的电阻（率）R0(0)为磁场为为磁场为0时的电阻（率）时的电阻（率）表征磁致电阻大
18、小的物理量为表征磁致电阻大小的物理量为MR比，即磁电阻系数比，即磁电阻系数。北京航空航天大学北京航空航天大学uMR效应：效应： 26，如：，如：坡莫合金（坡莫合金（Ni-Fe合金）及合金）及Ni-Co合金。合金。u1988年，巨磁致电阻效应年，巨磁致电阻效应GMR （ gaint magneto-resistance effect ）：）： 可达可达50，如：，如： Fe/Cr纳米金属多层纳米金属多层膜（金属超晶格）。膜（金属超晶格）。二、磁阻材料各种磁致电阻效应二、磁阻材料各种磁致电阻效应用途：小型化、微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和用途：小型化、微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和
19、传感器传感器u1993年，超巨磁电阻效应年，超巨磁电阻效应CMR（ colossal magneto-resistance effect ）：）： 103106，如：类钙钛矿结构锰氧化，如：类钙钛矿结构锰氧化物。物。北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应 法国科学家法国科学家阿尔贝阿尔贝费尔费尔（左）和德国科学家（左）和德国科学家彼得彼得格林贝格尔格林贝格尔（右）因（右）因先后独立发现了先后独立发现了“巨磁电阻巨磁电阻”效应，分享效应，分享2007年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 北京航空航天大学北京航空航天大学金属超晶格的巨磁电阻效应金属超晶
20、格的巨磁电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应n金属超晶格具有金属超晶格具有GMR效应的三效应的三个条件：个条件：（1）在铁磁性导体）在铁磁性导体/非磁性导体超非磁性导体超晶格中，构成反平行自旋结构。晶格中，构成反平行自旋结构。（如右图）（如右图）（2）金属超晶格的周期（每一个）金属超晶格的周期（每一个重复层的厚度）应比载流子电子的重复层的厚度）应比载流子电子的平均自由程短。平均自由程短。（3）自旋取向不同的两种电子）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上的（向上和向下），在磁
21、性原子上的散射差别必须很大。散射差别必须很大。磁性层：磁性层：Fe、Co、Ni及其合金及其合金非磁性导体层：非磁性导体层：Cu、Ag、Au贵金属、贵金属、Cr北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应n金属超晶格金属超晶格GMR效应的特点：效应的特点：（1）电阻变化率大；）电阻变化率大；（2）负效应：随磁场增加，电阻只是）负效应：随磁场增加，电阻只是 减小而不增加，无横纵效应之分；减小而不增加，无横纵效应之分；（3）电阻变化与磁化强）电阻变化与磁化强磁场之间磁场之间 角度无关；角度无关；（4）对非磁性导体隔离层厚度十分敏感；）对非磁性导体隔离层厚度十分
22、敏感；（5）具有积层数效应：如）具有积层数效应：如Fe/Cr系，在系，在60 层以下，随积层数增加，层以下，随积层数增加，MR比比 增加，逐渐趋于最大。增加，逐渐趋于最大。北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料巨磁致电阻效应二、磁阻材料巨磁致电阻效应n典型的金属超晶格系统典型的金属超晶格系统Co/Cu、(Co-Fe)/Cu，Co/Ag(Ni-Fe)/Ag、 (Ni-Fe)/Cu、 (Ni-Fe-Co)/Cu(Ni-Fe-Co)/Cu/Co北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料超巨磁致电阻效应二、磁阻材料超巨磁致电阻效应n 1993年超巨磁电阻效应：年超巨磁电阻效应： （ colos
23、sal magneto-resistance effect ）：）： 103106，如：钙钛矿结构氧化物：，如：钙钛矿结构氧化物：La2/3Ba1/3MnO3n 机制：磁场使系统的绝缘体状态转变成具有金属特性状态所致。机制：磁场使系统的绝缘体状态转变成具有金属特性状态所致。北京航空航天大学北京航空航天大学二、磁阻材料超巨磁致电阻效应二、磁阻材料超巨磁致电阻效应北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料三、磁记录材料北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料概述三、磁记录材料概述n 磁记录：在磁记录介质铁磁性材料上，对应要磁记录：在磁记录介质铁磁性材料上，对应要记录的信息，记录下不同的残
24、留磁化强度。记录的信息，记录下不同的残留磁化强度。磁记录是在磁性介质表面，按信号要求，形成微小永磁体磁记录是在磁性介质表面，按信号要求，形成微小永磁体北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁记录模式三、磁记录材料磁记录模式北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁头材料三、磁记录材料磁头材料通过读写磁头通过读写磁头在磁盘上记录或在磁盘上记录或获取信息获取信息北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁头工作原理三、磁记录材料磁头工作原理磁记录材料磁记录材料磁头材料磁头材料磁记录介质材料磁记录介质材料北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁头种类三、磁记录材料磁头种类北
25、京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁头材料三、磁记录材料磁头材料北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁头材料三、磁记录材料磁头材料北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁记录介质北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁记录介质北京航空航天大学北京航空航天大学三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁记录介质北京航空航天大学北京航空航天大学n 磁记录介质制备工艺：磁记录介质制备工艺：1. 电镀法。电镀法。2. 真空蒸镀法（生产效率高）真空蒸镀法（生产效率高）3. 溅射法溅射法三、磁记录材料磁记录介质三、磁记录材料磁
26、记录介质北京航空航天大学北京航空航天大学四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料北京航空航天大学北京航空航天大学四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料Fe16N2经典的经典的SLATER-PAULING曲线说明曲线说明3d过渡金属系最过渡金属系最高磁化强度为高磁化强度为2.45T北京航空航天大学北京航空航天大学四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料Fe16N2Fe16N2北京航空航天大学北京航空航天大学四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料Fe16N2 ”-Fe16N2 Fe4N+ -FeFe16N2为准稳定相，为准稳定相，400以上共晶分解以上共晶分解北京航空航天大学北京航空航天大学四、巨磁化强度材料
27、四、巨磁化强度材料Fe16N2InGaAs单晶基板上分子束外延制备单晶基板上分子束外延制备Fe16N2单晶薄膜单晶薄膜晶格常数匹配好，几乎不产生失配位错。晶格常数匹配好，几乎不产生失配位错。北京航空航天大学北京航空航天大学思考题思考题1.概念：磁致伸缩、磁阻效应、概念：磁致伸缩、磁阻效应、2.三种典型单晶生长方法的特点；三种典型单晶生长方法的特点；3.金属超晶格具有金属超晶格具有GMR效应的条件及其特点；效应的条件及其特点；4.了解典型巨磁阻材料特点；了解典型巨磁阻材料特点；5.各种磁记录模式的特点和对磁记录介质的性能要求；各种磁记录模式的特点和对磁记录介质的性能要求；6.巨磁化强度材料的结构和性能特点。巨磁化强度材料的结构和性能特点。北京航空航天大学北京航空航天大学功能材料谢 谢！
