1、 第三章第三章 磁性材料磁性材料 磁性材料是功能材料的一个重要组成部分。按化学组成，传统磁性材料有金属磁性材料和铁氧体两类。近年来，开展了聚合物磁性材料的研究。按性能用途，分为软磁、硬磁及一些特殊用途的磁性材料。3-1 物质磁性概论物质磁性概论一、物质磁性一、物质磁性 根源：原子内部电荷运动。原子磁矩包括：核磁矩、电子磁矩（前者小三个量级）主要是电子磁矩：包括轨道磁矩与自旋磁矩 任何物质都有磁性。但由于不同原子结构上的差异以及原子间相互作用不同，物质磁性的强弱又与物质本身有关。1、交换作用、交换作用 磁矩为0的原子具有抗磁性 对磁矩不为 0的原子须考虑近邻原子共用电子（交换电子）所引起的静电作
2、用即交换作用。交换作用用交换能“A”表示，它取决于近邻原子未满取决于近邻原子未满的电子壳层相互靠近的程度，的电子壳层相互靠近的程度，并决定原子磁矩排列方式和物质基本磁性。理论研究表明：（1）当A0时，交换作用导致相邻原子磁矩平行排列，产生生铁磁性铁磁性。（2）当A0时，交换作用导致相邻原子磁矩反平行排列，产生反铁磁性反铁磁性。总磁矩为0，抵消，宏观上表现顺磁性。（3）当A很小（原子间距大），交换作用不足以克服热运动干扰，原子磁矩无序排列。在外磁场下取向排列。表现为顺顺磁性。磁性。（4）对铁氧体，表现为亚铁磁性亚铁磁性。这类材料中，金属离子不直接发生交换作用。而通过氧原子间接发生交换作用。亚铁磁
3、性和铁磁性相似，有磁滞，以自发磁化为基础。2、抗磁性、抗磁性 抗磁性抗磁性介质在外磁场中产生与外磁场方向相反的附加磁场的性质。原因：在外磁场中，电子轨道原因：在外磁场中，电子轨道磁矩将发生变化引起与外场相反的磁矩将发生变化引起与外场相反的附加磁矩。附加磁矩。0Bmp0vefLfi 电子（电子（负电荷负电荷）在轨道上加速转）在轨道上加速转动，相当于正电荷反向加速，产生与动，相当于正电荷反向加速，产生与转动方向相反的附加电流转动方向相反的附加电流i0/()mpB0Bmpv0i 附加磁矩总与外磁场相反。抗磁性存在于一切物质之中。分子固有磁矩为0的物质才表现抗磁性，其他物质抗磁性被掩盖。抗磁性物质分类
4、：抗磁性物质分类：（1）弱抗磁性：惰性气体，Cu、Zn、Ag、Au、Hg等610（2）反常抗磁性：Bi、Ga、Sb、石墨等。451010（3）超导抗磁性：超导体表面感应电流产生磁场完全抵消外磁场。1 3、顺磁性、顺磁性 顺磁性顺磁性介质在外磁场中产生与外磁场方向相同的附加磁场的性质。原子、离子、分子由于具有未填满的电子壳层，分子固有磁矩不为0。在外磁场中取向排列。0BB360,1010很小弱磁性三类：三类：（1）朗之万顺磁性T随而 O2、NO气体，许多金属盐及居里温度以上的铁、亚铁磁性物质。（2）泡利顺磁性T很小，不随 变化 碱金属Li、Na、K、Rb、Cs（3）超顺磁性MH 常态下是铁磁性物
5、质，当为超细或纳米颗粒时，矫顽力 几乎无磁滞。产生朗之万顺磁性，粒子内自发磁化本身热振动。0CH T随而4、强磁性、强磁性 在很小的外磁场下能获得很大磁性并保留剩磁的物质。原子间交换作用使原子磁矩有序排列，即自发磁化。许多自发磁化小区域磁畴磁畴。很大（1）铁磁性）铁磁性 3d或4f电子的交换作用，使相邻原子平行有序排列。T CTT排列混乱自发磁化消失顺磁性Fe、Co、Ni及其合金（2）亚铁磁性）亚铁磁性 磁性比铁磁性低一个量级 过渡金属氧化物，铁氧体，如Fe3O4、NiFe2O4等 Fe2+、Fe3+两种亚点阵，每个亚点阵原子磁矩各自平行排列（通过氧离子间接作用），不同亚点阵原子磁矩反向排列。
6、两种磁矩大小不等，不能抵消。表现强磁性。不同价态金属离子分别占据氧八面体和四面体间隙。（3）弱铁磁性）弱铁磁性23Fe O在倾斜方向有微弱自发磁化。5、反铁磁性、反铁磁性 原子磁矩具有完全抵消的有序排列。自发磁化强度为0，但在外磁场作用下仍然具有强顺磁性（弱磁性）。T nTT有序排列破坏（反铁磁居里点，尼尔温度），完全混乱。转化为顺磁性。几种类型：（1）正常反铁磁性 MnO、NiO、FeS等（2）螺旋反铁磁性 相邻晶面，原子磁矩转角20-400（3）自旋密度波（SDW）原子磁矩密度（自旋密度）具有正弦周期性调制结构。6、物质磁性分类、物质磁性分类原子磁矩排列典型磁性磁化率磁化行为无序有序抗磁性
7、顺磁性反铁磁性 铁磁性 亚铁磁性 弱铁磁性抗磁弱磁弱磁强磁3610104810103510104110二、与磁有关的物理效应二、与磁有关的物理效应1、磁致伸缩、磁致伸缩B 磁性材料在磁化过程中，在磁化方向上伸长（缩短），而在与之垂直的方向上缩短（伸长）该现象叫磁致伸缩磁致伸缩。（可逆弹性形变）磁致伸缩率磁致伸缩率ll 随外磁场增加而趋于稳定。最大的磁致伸缩率称为饱和磁致伸缩率饱和磁致伸缩率s 具有高 的材料叫磁致伸缩材料磁致伸缩材料s 伸缩原因伸缩原因：磁晶各向异性能与点阵应变状态有关引起。与材料特性、磁畴结构、化学成分、热处理状态均有关。磁致伸缩材料磁致伸缩材料：Fe，Co，Ni，Fe3O4
8、，Fe2O3，CoFe2O4，NiFe2O4，Fe、Co、Ni与稀土元素化合物 用途：用途：磁致伸缩可引起机械振动（交变磁场）。用于超声发生器与接收器；力、加速度、速度传感器；磁声储存器；滤波器等。2、法拉第效应、法拉第效应 电磁波通过磁介质时，偏振面发生旋转的现象。KMddM厚度磁化强度原因：左旋、右旋电磁波以不同相速度传播所致用途：微波铁氧体器件3、克尔效应、克尔效应 偏振光投射到磁介质表面反射时，偏振面发生旋转。RK M用途：磁光调制器等4、维拉力效应、维拉力效应 强磁性材料在力（拉伸、压缩）作用下，或 变化：、正磁致伸缩材料 拉力使 ，压力使、负磁致伸缩材料 拉力使 ，压力使用途：压力
9、测量等5、磁热效应、磁热效应 在绝热条件下，铁磁材料受突然增加的磁场作用，温度升高。:1,:2NiTCFeTC三、磁各向异性三、磁各向异性 磁性能与方向有关1、磁晶各向异性、磁晶各向异性 由于晶体结构的各向异性所产生的磁各向异性 例如，强磁晶体在不同点阵方向上，磁化难易程度不同易磁化方向易磁化方向 Fe（体心）100 111 Ni（面心）111 100 Co（密排六方）0001 1010 所以，通过定向铸造方法使晶粒易磁化方向沿磁体磁极方向排列，以提高永磁合金的永磁特性。2、应力各向异性、应力各向异性 应力使材料磁化具有单轴各向异性。即磁致伸缩方向与应力方向一致时，磁化具有最低弹性势能（易磁化
10、）四、磁性材料的磁化过程四、磁性材料的磁化过程 1、磁化与磁滞、磁化与磁滞 磁性材料在外场作用下由宏观上无磁状态转变为有磁状态的过程磁化磁化。（1）磁畴与磁化过程）磁畴与磁化过程 磁畴磁畴强磁性物质包含许多自发磁化小区域自发磁化小区域。无外场时，磁畴取向任意，磁体磁化强度为0。有外场时，与磁场同向的磁畴磁化能低，与磁畴反向的磁畴磁化能高。与磁场同向的磁畴通过畴壁运动，吞并其他磁畴而长大，使磁畴取向一致，达到饱和。（2）磁滞回线）磁滞回线BHSBrBCHCHmHmHmax()BHm起始磁化曲线起始磁化曲线 起始磁化曲线原点附近斜率初始磁导率i 从原点作起始磁化曲线最大斜率最大磁导率m 饱和磁场强
11、度 饱和磁感应强度mHSB 相对于 ，变化滞后磁滞BH 剩余磁感应强度矫顽力CHrB 磁积能（内部储存能量大小的尺度）max()BH12wBHi2、损耗问题、损耗问题 交变磁场（电磁波）作用下cosmHHtcos()mBBtj tmHH e()jtmBB ejmmBBeHHj介质复磁导率 反复磁化要损耗能量，损耗角和损耗因子可以表征损耗大小。损耗角tg损耗因子损耗机制损耗机制：a、涡流损耗（交变磁场产生交变电场，形成涡流）b、磁滞损耗（反复磁化，磁畴转向，“摩擦”）c、剩余损耗（畴壁共振，自然共振，尺寸共振、磁后效）3-2 软磁材料软磁材料HB一、软磁材料用途与性能一、软磁材料用途与性能 软磁
12、材料软磁材料也叫高导磁材料或磁芯材料。主要用于变压器、发电机、电动机、电磁铁、电感元件、磁记录中磁头材料等。共性要求共性要求：（1）磁滞回线细长，高 ，Hc小，Bs大，易磁化、易去磁。（2）损耗小 （3）电阻率大，饱和磁致伸缩系数 小s （4）冲压、焊接性好，烧结后尺寸精度高二、典型软磁材料二、典型软磁材料1、电工纯铁、电工纯铁 纯度99.95%以上，起始磁导率 300-500 ，i00600 1200m39.895.5/CHA m 用于电磁铁芯和磁极等 主要在直流磁场下工作（直流电机），交变磁场中损耗大。2、电工硅钢片、电工硅钢片 铁中加Si，可用于交流电机磁芯（提高电阻率，减小涡流损耗），
13、但Si4%,变脆。表面绝缘涂层，以减小涡流。3、Fe-Ni合金合金 Ni含量30%-90%的Fe-Ni合金，通常称为坡莫合金坡莫合金。还有FeAl，Fe-Al-Si，Fe-Al-Si-Ni 用途用途：电讯工业、仪表、计算机、微电机、互感器等4、软磁铁氧体、软磁铁氧体 NiZnFeO4、MnZnFeO4等用途：用途：磁头、变压器铁芯等5、非晶磁性合金、非晶磁性合金 Fe基、Co基、Fe-Ni基 特点：结构无序决定了其优良的软磁性能，高磁导率，低矫顽力，损耗小，磁滞伸缩小。3-3 硬磁材料硬磁材料一、硬磁材料用途与性能一、硬磁材料用途与性能 也叫永磁材料。要求要求：高Bs，高Hc。通常强的磁晶各向
14、异性。最大的max()BH 用途：用途：各种旋转机械（电动机、发电机等），小型音响机械，玩具，保健器材，装饰品、体育用品等二、典型硬磁材料二、典型硬磁材料阿尔尼科磁铁（Al、Ni、Co，其余Fe）铁氧体，以Fe3O4为主要成分的复合铁氧体BH 稀土类Co系磁铁（RCo5）钕铁硼永磁合金（Nd2Fe14B、Nd2Fe7B6）3-4 磁记录材料磁记录材料一、磁记录原理一、磁记录原理 磁记录系统磁记录系统：换能器（磁头）+存储介质（磁带）+传送装置+电子线路磁记录材料 磁记录原理磁记录原理：电信号（由声音和图像转换而得）使磁头（缝隙）产生与信号一致的磁场（溢出）磁带恒速通过磁头 磁带被磁化（磁滞、剩
15、磁Br）磁带上各处Br变化与信号变化一致（记录电信号）。放出放出：已经记录了的磁带通过磁头，磁带上磁粉的Br变化引起铁芯内磁通量变化。进而在线圈内产生同步变化的感应电流。电流经放大，再经电声或电像转换得到原纪录的声音和图像。二、磁头材料二、磁头材料1、磁头工作原理、磁头工作原理磁头结构如图线圈线圈后隙后隙前隙前隙铁芯铁芯原理原理：磁场写入（磁记录）读出感应读出（利用感应电流变化读出信息）磁阻效应读出（利用电阻变化读出磁带上信息）2、性能要求、性能要求 高 ，高Bs，低Br和Hc，高电阻率（减小磁损耗），耐磨性。3、材料种类、材料种类 合金：Mo-Ni-Fe，Fe-Si-Al，Fe-Al等 非晶
16、合金：Fe基、Co基 薄膜磁头：Ni-Fe薄膜三、磁记录介质三、磁记录介质要求要求：Br高，Hc适当高，磁滞回线矩形，磁层均匀，厚度适当。磁性粒子均匀，单畴状态，易分散，磁致伸缩小。磁性对温度不敏感。两类介质颗粒（磁粉）涂布型连续薄膜型（镀膜）3-5 磁性液体磁性液体一、什么是磁性液体一、什么是磁性液体M活性剂活性剂 由磁粉通过界面活性剂高度分散于载液中而均匀构成的稳定胶体体系。既有流动性，又有磁性，在重力、电磁力作用下能长期稳定地存在，不产生沉淀与分层磁性液体由三部分组成：磁性微粒、界面活性剂、载液磁性微粒、界面活性剂、载液载液：载液：水、聚苯基醚等活性剂：活性剂：不饱和脂肪酸、油酸等二、应
17、用二、应用1、利用磁场可以使液体流动到任何位置、利用磁场可以使液体流动到任何位置 磁场加到磁液中，磁场与磁液内每个胶体颗粒形成的磁矩发生作用，在整个体积内形成一种力（体积力）用途：磁液陀螺；机器人筋肉；工业机械手；显示磁带磁迹；密封，磁液轴承；磁液研磨；拉拔加工装置等磁液磁液永磁体永磁体软磁回路软磁回路轴承：磁液密封、润滑轴承：磁液密封、润滑 磁液聚集于磁场梯度最大处，形成O型环，造成液堵而密封。无机械部件接触磨损，对轴承偏心、粗糙度要求不高。2、加热、冷却磁液（磁热效应）可以产生热循环，、加热、冷却磁液（磁热效应）可以产生热循环，实现热能转换（加热泵）实现热能转换（加热泵）3、粘度随磁场增加而增加，阻尼作用增加，可以、粘度随磁场增加而增加，阻尼作用增加，可以作惯性阻尼器、减震器、制动器、阀门等作惯性阻尼器、减震器、制动器、阀门等 4、具有双折射、二向色性、旋光等特性，可以作光、具有双折射、二向色性、旋光等特性，可以作光传感器、磁强计、光快门等传感器、磁强计、光快门等 5、有的磁液磁化强度随温度线性变化，可以作温度、有的磁液磁化强度随温度线性变化，可以作温度传感器。传感器。
