第二章

磁性功能材料第二章磁性功能材料本章主要內容

磁學理論簡介——物質的磁性、磁性的基本物理量

磁性材料——軟磁材料、永磁材料

磁性材料的基本性能與應用

著名大學，研究所，公司本章主要內容磁學理論簡介——物質的磁性、磁性的基本物理磁性材料——具有較強磁性的材料。工業(yè)上最早應用的磁性材料:軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀六十年代:非晶態(tài)、納米晶軟磁材料、稀土永磁材材料計算機及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶；電工產(chǎn)品：變壓器、電機，以及通訊、無線電、電器、各種電子裝置磁性材料——具有較強磁性的材料。工業(yè)上最早應用的磁性材料:軟第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(一)磁矩一個圓電流的磁矩定義為：i：電流強度

S：圓電流回線包圍的面積。其方向可以用右手定則來確定1.1物質的磁性(一)磁矩1.1物質的磁性

物

質分

子原

子原子核核外電子原子磁矩主要來源于電子磁矩物質分子原子原子核核外電子原子磁矩主要來源物質磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質磁性原子磁矩＝Σ物質表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場的作用物質磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性（二）基本磁性參量磁場強度(H)：磁化強度(M，σ):磁感應強度(B):電流強度為i的電流在一個每米有N匝線圈的無限長螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場強度

H

為：距離永磁體r處的磁場強度

H

為：m1為磁極的磁極強度，；r0是r的矢量單位；單位體積磁性材料內原子磁矩的矢量和物質在外磁場H作用下，其內部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內部外磁場與附加磁場的和。（二）基本磁性參量磁場強度(H)：磁化強度(M，σ):磁感應在真空中：在磁性材料中：

磁化強度與外磁場的關系：

在真空中：在磁性材料中： 磁化強度與外磁場的關系： 第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(三）物質磁性的分類物質磁性分類順磁性鐵磁性抗磁性與外加磁場的關系反鐵磁性亞鐵磁性(三）物質磁性的分類物質磁性分類順磁性鐵磁性抗磁性與外加磁場抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化⑴抗磁性χ：

－（10-5–10-6

）抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化⑴抗磁性χ：－（1抗磁性：

磁化率小于零，在外磁場的作用下產(chǎn)生一個與外磁場方向相反且很小的附加磁場，其值和溫度無關。抗磁性物質：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等抗磁性：磁化率小于零，在外磁場的作用下產(chǎn)生一個與外磁場順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化

（2）順磁性χ：10-4-10-5順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（2）順磁性χ：10原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質沿外場方向產(chǎn)生一定強度的附加磁場。磁化率雖小，但大于零。磁化強度隨溫度的升高而下降。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。順磁性：原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，（3）反鐵磁性χ：10-2-10-4反鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（3）反鐵磁性χ：10-2-10-4反鐵磁性物質的磁結構及磁Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和溫度的關系在涅耳點(TN)有一轉折。在TN點以下為反鐵磁性,χ隨溫度升高而升高。在TN以上，χ隨溫度升高而下降，表現(xiàn)如順磁性行為。反鐵磁性物質中有A、B兩個次晶格，其原子磁矩反平行排列，且大小相等，自發(fā)磁化強度相互抵消，總磁矩為零。

反鐵磁性：Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化(4)鐵磁性χ：102-106鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化(4)鐵磁性χ：1在不大的磁化場下，該物質有較高的磁化強度，并達到飽和狀態(tài)；磁化率隨磁場非線性變化；飽和磁化強度隨溫度升高而下降，并在一定溫度Tc（居里溫度）下，鐵磁性消失，變成順磁性。鐵磁性：鐵磁性物質：①Fe、Co、Ni等純金屬。某些稀土元素如Gd（釓gá）等②含F(xiàn)e、Co、Ni的合金及化合物；③某些過渡元素組成的合金。在不大的磁化場下，該物質有較高的磁化強度，并達到飽和狀態(tài)亞鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（5）亞鐵磁性χ

：

102

–106

亞鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（5）亞鐵磁性χ：

也有兩個次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，但大小不等，總的磁矩為兩反平行排列磁矩的和，不為零。

大量使用的鐵氧體亞鐵磁性：也有兩個次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，物質磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：102

–106

鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：10-4-10-5被磁化后，磁化場方向與外場方向相反，χ：

－（10-5–10-6

）抗磁性與外加磁場的關系反鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：10-2-10-4亞鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：102-106弱

磁

性強

磁

性物質磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：1磁性材料——具有較強磁性的材料。磁性材料——具有較強磁性的材料。第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁化曲線：磁感應強度B或磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關系的曲線。（四）

磁化曲線和磁滯回線H,A/mM,kA/mMs1000200048鐵磁性材料的磁化曲線磁化曲線：磁感應強度B或磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關磁滯現(xiàn)象：當強磁性材料達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介質的磁化強度M（或磁感應強度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。磁滯現(xiàn)象：當強磁性材料達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁

抗磁、順磁或反鐵磁材料無磁滯現(xiàn)象，M絕對值低，隨H增加，抗磁性物質的M為負值。（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁抗磁、順磁或反鐵磁材料無磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。磁晶各向異性，單晶體的磁性各向異性稱為磁晶各向異性單晶體的易磁化和難磁化方向

（五）磁晶各向異性

磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。單晶體的易磁化和難第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù)λ表示，即

：

λ=Δl/l

式中，Δl和l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長。當磁場強度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時，磁致伸縮系數(shù)λ稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用λs表示。

對于3d金屬及合金:λs約為

10-5—10-6。

（五）磁致伸縮磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化

反鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化1.2磁化過程與技術磁參量抗磁性物質的磁結構及磁化率隨磁性功能材料培訓課件(一)磁疇結構理論和實驗均已證明，在居里溫度以下，在沒有外磁場的作用下，鐵磁性材料內部分成若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內原子磁矩自發(fā)的磁化飽和，即原子磁矩平行排列。每一個磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個磁疇。實際材料中的籌結構，受到材料的尺寸，晶界，應力，參雜和缺陷等的影響，因而情況比較復雜(一)磁疇結構實際材料中的籌結構，受到材料的尺寸，晶界，應1.通常情況下磁疇尺寸？

寬度10-3cm，體積10-9cm3,1014原子2.軟磁性物質在通常情況下不顯示磁性？

磁性功能材料培訓課件磁疇結構磁疇疇壁（磁疇壁）103原子磁疇結構磁疇疇壁（磁疇壁）103原子布洛赫疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側的原子磁矩的旋轉平面與疇壁平面平行布洛赫疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側的原子磁矩的旋轉奈爾疇壁奈耳（Neel）磁疇壁疇壁內原子磁矩的旋轉平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面（3）混合磁疇壁奈爾疇壁奈耳（Neel）磁疇壁疇壁內原子磁矩的旋轉平面與兩磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運動來實現(xiàn)的。（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程磁化過程：（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程各磁疇內部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動。受外磁場作用時，疇內整齊排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場方向轉動。外場愈強，材料的磁晶各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。疇內磁化方向轉動疇壁移動運動方式各磁疇內部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。在增大磁化場時,疇壁移動和磁疇轉動示意圖圖(a)表示一塊鐵磁體在磁化場H=0時的疇結構，它表示各個自發(fā)磁化區(qū)的磁化矢量(用矢號表示)相互抵消，總體上磁化強度為零；圖(b)、（c）和（d）表示在外磁場H逐漸增大時的疇結構，在圖的下邊用斜向上方的矢號表示H的方向和大小；圖(b)示明在較弱外磁場H=H1時疇壁位移的情況：和外場方向接近的疇長大，和外場方向相反或方向相差較多的疇縮小。圖(c)表示在H=H2時疇壁位移完了時的情況，此時在整個試樣中不存在疇璧，合并成一個磁疇，但其磁化方向和外場H不一致。圖(d)表示在更高的外場H3作用下，磁疇的磁化矢量轉到與外場的方向一致，此時達到飽和磁化。

在增大磁化場時,疇壁移動和磁疇轉動示意圖圖(a)表示一塊鐵磁（三）磁化曲線

磁化過程四階段：（1）OA階段，M隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2）AB階段，M

隨H急劇增長，不可逆疇壁移動過程（3）BC階段，M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉到最接近于H

方向的晶體易磁化方向，M的增長主要靠可逆轉動過程來實現(xiàn)。（4）CD階段，趨近飽和過程或稱平行過程。磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態(tài)。（三）磁化曲線磁化過程四階段：（1）OA階段，M隨H

反磁化過程退磁曲線和磁滯回線

在磁滯回線上，由C點的磁化狀態(tài)到C’點的磁化狀態(tài)，稱為反磁化過程。與反磁化過程相對應的BH曲線稱為反磁化曲線。

反磁化過程反磁化過程退磁曲線和磁滯回線在磁滯回線上，由C點第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性（三）鐵磁體中的磁自由能交換能靜磁能退磁場能磁晶各向異性能磁彈性能（三）鐵磁體中的磁自由能交換能⑴交換能：

交換能屬于近鄰原子間的靜電相互作用能。它比其它各項磁自由能大102-104數(shù)量級。

它使強磁性物質相鄰原子磁矩有序排列，即自發(fā)磁化。其他各項磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質，而僅改變其磁疇結構。⑴交換能：在3d金屬如Fe，Co，Ni，中，當3d電子云重疊時，相鄰的3d電子存在交換作用。交換能Eex與兩個電子自旋磁矩的取向有關，表達為σ是以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動量。Φ為相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角遵循能量最小原理。

為什么鐵磁性材料中會出現(xiàn)磁疇呢？在3d金屬如Fe，Co，Ni，中，當3d電子云重疊時，⑵靜磁能：強磁性物質的磁化強度與外磁場的相互作用能稱為靜磁能M—磁化強度；H—外磁場；θ—M

和H的夾角⑵靜磁能：強磁性物質的磁化強度與外磁場的相互作用能稱為靜磁

（3）磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉到難磁化方向所需做的功叫磁晶各向異性能EK對于不同的晶體結構有不同的表達式。立方晶體：（3）磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉到難磁（4）磁彈性能Eσ當鐵磁體內存在內應力或有外應力作用時，磁致伸縮與應力發(fā)生相互作用，與此相關的能量稱為磁彈性能。（4）磁彈性能Eσ當鐵磁體內存在內應力或有外應力作用時，磁致（5）

退磁場能退磁場

在開路狀態(tài)下，一個有限大小的樣品被外磁場磁化時，在它的兩端將產(chǎn)生一個磁場。該磁場的方向與磁體的M方向相反，并使磁體產(chǎn)生退磁傾向，叫做退磁場Hd。退磁場能：物質的磁化強度和其自身的退磁場的相互作用能稱為退磁場能。

N稱為退磁因子，與鐵磁體的形狀有關

沿長軸磁化的細長樣品，N≈0，

短粗的樣品，N則很大（5）退磁場能退磁場能：物質的磁化強度和其自身的退磁場的相宏觀磁體內磁疇？？交換能磁晶各向異性能退磁場能

宏觀磁體內磁疇？？第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(四）磁性材料的技術磁參量技術磁參量MS:飽和磁化強度Tc：居里溫度Hc：矯頑力Mr：剩磁主要取決于材料的化學成分對材料結構（如晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷、摻雜物等）敏感，可以通過適當?shù)墓に嚫淖兺夥A磁參量:Hc、Mr，磁導率，磁損耗磁能積等內稟磁參量:MS、Tc(四）磁性材料的技術磁參量技術磁參量MS:飽和磁化強度主要飽和磁化強度MS

有兩個鐵磁相時居里溫度Tc:

鐵磁性或亞鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度飽和磁化強度MS居里溫度Tc:鐵磁性或亞鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘恼承源艑收承源艑熟o態(tài)磁導率：直流磁場中測得的磁導率起始磁導率：磁化曲線起始點的斜率（技術上規(guī)定）最大磁導率：B-H曲線上B與H比值的最大值。靠近臨界場，與材料內摻雜物，內應力等有關，是組織敏感參量動態(tài)磁導率：在交流磁場中測得的磁導率

彈性磁導率，與磁性材料存貯的能量成正比。磁導率：B-H曲線上任何一點的B與H的比值都稱為磁導率。決定功能器件的靈敏度粘性磁導率粘性磁導率靜態(tài)磁導率：直流磁場中測得的磁導率彈性磁剩磁：

鐵磁體磁化到技術飽和并去掉外磁場后，在磁化方向保留的Mr或者Br統(tǒng)稱為剩磁。Mr稱為剩余磁化強度，Br稱為剩余磁感應強度矯頑力：

鐵磁體磁化到技術飽和后，使它的磁化強度或者磁感應強度降低到零所需要的反向磁場稱為矯頑力。剩磁：磁損耗：

軟磁材料在磁化和反磁化過程中所損失的能量。由渦流損耗We，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即

W=We+Wh+Wr

磁損耗：渦流損耗We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關系如下:渦流損耗We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內產(chǎn)生的磁滯損耗Wh：在循環(huán)磁化條件下，材料每循環(huán)磁化一周所消耗的能量，它也以熱的形式表現(xiàn)出來，其大小與磁滯回線的面積呈正比。剩余損耗Wr

：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分磁滯損耗Wh：在循環(huán)磁化條件下，材料每循環(huán)磁化一周所消耗的能磁能積（BH）

：磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度。Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2

式中Vm、Bm和Hm分別是磁鐵的體積、磁感強度和磁場強度，Vg、Hg是氣隙的體積和磁場強度。最大磁能積（BH）max：退磁曲線上磁能積最大的一點，工程應用中通常將(BH)max稱為磁能積。磁能積（BH）：磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度。第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性（五）磁性材料的穩(wěn)定性衡量磁性材料的磁參量隨外界因素作用產(chǎn)生的變化，主要考慮Mr和Hc。（1）溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化。（2）時間穩(wěn)定性：在某一特定工作環(huán)境下長期工

作過程中磁性隨時間的變化。

（3）化學穩(wěn)定性：在腐蝕介質的環(huán)境中磁性隨時

間的變化。顯微組織變化引起的組織時效性能不穩(wěn)定的原因磁疇結構變化引起的磁時效可逆，再次充磁時材料能恢復原來的磁性不可逆

（五）磁性材料的穩(wěn)定性衡量磁性材料的磁參量隨外界因素作用產(chǎn)生第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.3磁性材料分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc<100A/m(1.25Oe)Hc

:100～1000A/m(1.25～12.5Oe)Hc>1000A/m(12.5Oe)按矯頑力分類1.3磁性材料分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁致伸縮材料磁屏蔽材料變壓器、繼電器錄音機通訊儀器、電器磁帶、磁盤傳感器按用途分類鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁致伸縮材料磁屏蔽材料變壓器、繼電主要磁性材料分類主要磁性材料分類磁性功能材料培訓課件演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第二章

磁性功能材料第二章磁性功能材料本章主要內容

磁學理論簡介——物質的磁性、磁性的基本物理量

磁性材料——軟磁材料、永磁材料

磁性材料的基本性能與應用

著名大學，研究所，公司本章主要內容磁學理論簡介——物質的磁性、磁性的基本物理磁性材料——具有較強磁性的材料。工業(yè)上最早應用的磁性材料:軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀六十年代:非晶態(tài)、納米晶軟磁材料、稀土永磁材材料計算機及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶；電工產(chǎn)品：變壓器、電機，以及通訊、無線電、電器、各種電子裝置磁性材料——具有較強磁性的材料。工業(yè)上最早應用的磁性材料:軟第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(一)磁矩一個圓電流的磁矩定義為：i：電流強度

S：圓電流回線包圍的面積。其方向可以用右手定則來確定1.1物質的磁性(一)磁矩1.1物質的磁性

物

質分

子原

子原子核核外電子原子磁矩主要來源于電子磁矩物質分子原子原子核核外電子原子磁矩主要來源物質磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質磁性原子磁矩＝Σ物質表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場的作用物質磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性（二）基本磁性參量磁場強度(H)：磁化強度(M，σ):磁感應強度(B):電流強度為i的電流在一個每米有N匝線圈的無限長螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場強度

H

為：距離永磁體r處的磁場強度

H

為：m1為磁極的磁極強度，；r0是r的矢量單位；單位體積磁性材料內原子磁矩的矢量和物質在外磁場H作用下，其內部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內部外磁場與附加磁場的和。（二）基本磁性參量磁場強度(H)：磁化強度(M，σ):磁感應在真空中：在磁性材料中：

磁化強度與外磁場的關系：

在真空中：在磁性材料中： 磁化強度與外磁場的關系： 第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

磁矩

磁性的來源

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(三）物質磁性的分類物質磁性分類順磁性鐵磁性抗磁性與外加磁場的關系反鐵磁性亞鐵磁性(三）物質磁性的分類物質磁性分類順磁性鐵磁性抗磁性與外加磁場抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化⑴抗磁性χ：

－（10-5–10-6

）抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化⑴抗磁性χ：－（1抗磁性：

磁化率小于零，在外磁場的作用下產(chǎn)生一個與外磁場方向相反且很小的附加磁場，其值和溫度無關?？勾判晕镔|：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等抗磁性：磁化率小于零，在外磁場的作用下產(chǎn)生一個與外磁場順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化

（2）順磁性χ：10-4-10-5順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（2）順磁性χ：10原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質沿外場方向產(chǎn)生一定強度的附加磁場。磁化率雖小，但大于零。磁化強度隨溫度的升高而下降。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。順磁性：原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，（3）反鐵磁性χ：10-2-10-4反鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（3）反鐵磁性χ：10-2-10-4反鐵磁性物質的磁結構及磁Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和溫度的關系在涅耳點(TN)有一轉折。在TN點以下為反鐵磁性,χ隨溫度升高而升高。在TN以上，χ隨溫度升高而下降，表現(xiàn)如順磁性行為。反鐵磁性物質中有A、B兩個次晶格，其原子磁矩反平行排列，且大小相等，自發(fā)磁化強度相互抵消，總磁矩為零。

反鐵磁性：Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化(4)鐵磁性χ：102-106鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化(4)鐵磁性χ：1在不大的磁化場下，該物質有較高的磁化強度，并達到飽和狀態(tài)；磁化率隨磁場非線性變化；飽和磁化強度隨溫度升高而下降，并在一定溫度Tc（居里溫度）下，鐵磁性消失，變成順磁性。鐵磁性：鐵磁性物質：①Fe、Co、Ni等純金屬。某些稀土元素如Gd（釓gá）等②含F(xiàn)e、Co、Ni的合金及化合物；③某些過渡元素組成的合金。在不大的磁化場下，該物質有較高的磁化強度，并達到飽和狀態(tài)亞鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（5）亞鐵磁性χ

：

102

–106

亞鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化（5）亞鐵磁性χ：

也有兩個次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，但大小不等，總的磁矩為兩反平行排列磁矩的和，不為零。

大量使用的鐵氧體亞鐵磁性：也有兩個次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，物質磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：102

–106

鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：10-4-10-5被磁化后，磁化場方向與外場方向相反，χ：

－（10-5–10-6

）抗磁性與外加磁場的關系反鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：10-2-10-4亞鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：102-106弱

磁

性強

磁

性物質磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：1磁性材料——具有較強磁性的材料。磁性材料——具有較強磁性的材料。第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁化曲線：磁感應強度B或磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關系的曲線。（四）

磁化曲線和磁滯回線H,A/mM,kA/mMs1000200048鐵磁性材料的磁化曲線磁化曲線：磁感應強度B或磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關磁滯現(xiàn)象：當強磁性材料達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介質的磁化強度M（或磁感應強度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。磁滯現(xiàn)象：當強磁性材料達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁

抗磁、順磁或反鐵磁材料無磁滯現(xiàn)象，M絕對值低，隨H增加，抗磁性物質的M為負值。（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁抗磁、順磁或反鐵磁材料無磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。磁晶各向異性，單晶體的磁性各向異性稱為磁晶各向異性單晶體的易磁化和難磁化方向

（五）磁晶各向異性

磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。單晶體的易磁化和難第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù)λ表示，即

：

λ=Δl/l

式中，Δl和l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長。當磁場強度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時，磁致伸縮系數(shù)λ稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用λs表示。

對于3d金屬及合金:λs約為

10-5—10-6。

（五）磁致伸縮磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性

（一）

物質的磁性

磁矩

（二）

基本磁參量

（三）

物質磁性分類

（四）

磁化曲線

磁滯回線

（五）

磁晶各向異性

（六）

磁致伸縮1.2磁化過程與技術磁參量1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

抗磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化順磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化

反鐵磁性物質的磁結構及磁化率隨溫度的變化1.2磁化過程與技術磁參量抗磁性物質的磁結構及磁化率隨磁性功能材料培訓課件(一)磁疇結構理論和實驗均已證明，在居里溫度以下，在沒有外磁場的作用下，鐵磁性材料內部分成若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內原子磁矩自發(fā)的磁化飽和，即原子磁矩平行排列。每一個磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個磁疇。實際材料中的籌結構，受到材料的尺寸，晶界，應力，參雜和缺陷等的影響，因而情況比較復雜(一)磁疇結構實際材料中的籌結構，受到材料的尺寸，晶界，應1.通常情況下磁疇尺寸？

寬度10-3cm，體積10-9cm3,1014原子2.軟磁性物質在通常情況下不顯示磁性？

磁性功能材料培訓課件磁疇結構磁疇疇壁（磁疇壁）103原子磁疇結構磁疇疇壁（磁疇壁）103原子布洛赫疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側的原子磁矩的旋轉平面與疇壁平面平行布洛赫疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側的原子磁矩的旋轉奈爾疇壁奈耳（Neel）磁疇壁疇壁內原子磁矩的旋轉平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面（3）混合磁疇壁奈爾疇壁奈耳（Neel）磁疇壁疇壁內原子磁矩的旋轉平面與兩磁第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運動來實現(xiàn)的。（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程磁化過程：（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程各磁疇內部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動。受外磁場作用時，疇內整齊排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場方向轉動。外場愈強，材料的磁晶各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。疇內磁化方向轉動疇壁移動運動方式各磁疇內部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。在增大磁化場時,疇壁移動和磁疇轉動示意圖圖(a)表示一塊鐵磁體在磁化場H=0時的疇結構，它表示各個自發(fā)磁化區(qū)的磁化矢量(用矢號表示)相互抵消，總體上磁化強度為零；圖(b)、（c）和（d）表示在外磁場H逐漸增大時的疇結構，在圖的下邊用斜向上方的矢號表示H的方向和大小；圖(b)示明在較弱外磁場H=H1時疇壁位移的情況：和外場方向接近的疇長大，和外場方向相反或方向相差較多的疇縮小。圖(c)表示在H=H2時疇壁位移完了時的情況，此時在整個試樣中不存在疇璧，合并成一個磁疇，但其磁化方向和外場H不一致。圖(d)表示在更高的外場H3作用下，磁疇的磁化矢量轉到與外場的方向一致，此時達到飽和磁化。

在增大磁化場時,疇壁移動和磁疇轉動示意圖圖(a)表示一塊鐵磁（三）磁化曲線

磁化過程四階段：（1）OA階段，M隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2）AB階段，M

隨H急劇增長，不可逆疇壁移動過程（3）BC階段，M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉到最接近于H

方向的晶體易磁化方向，M的增長主要靠可逆轉動過程來實現(xiàn)。（4）CD階段，趨近飽和過程或稱平行過程。磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態(tài)。（三）磁化曲線磁化過程四階段：（1）OA階段，M隨H

反磁化過程退磁曲線和磁滯回線

在磁滯回線上，由C點的磁化狀態(tài)到C’點的磁化狀態(tài)，稱為反磁化過程。與反磁化過程相對應的BH曲線稱為反磁化曲線。

反磁化過程反磁化過程退磁曲線和磁滯回線在磁滯回線上，由C點第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性（三）鐵磁體中的磁自由能交換能靜磁能退磁場能磁晶各向異性能磁彈性能（三）鐵磁體中的磁自由能交換能⑴交換能：

交換能屬于近鄰原子間的靜電相互作用能。它比其它各項磁自由能大102-104數(shù)量級。

它使強磁性物質相鄰原子磁矩有序排列，即自發(fā)磁化。其他各項磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質，而僅改變其磁疇結構。⑴交換能：在3d金屬如Fe，Co，Ni，中，當3d電子云重疊時，相鄰的3d電子存在交換作用。交換能Eex與兩個電子自旋磁矩的取向有關，表達為σ是以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動量。Φ為相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角遵循能量最小原理。

為什么鐵磁性材料中會出現(xiàn)磁疇呢？在3d金屬如Fe，Co，Ni，中，當3d電子云重疊時，⑵靜磁能：強磁性物質的磁化強度與外磁場的相互作用能稱為靜磁能M—磁化強度；H—外磁場；θ—M

和H的夾角⑵靜磁能：強磁性物質的磁化強度與外磁場的相互作用能稱為靜磁

（3）磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉到難磁化方向所需做的功叫磁晶各向異性能EK對于不同的晶體結構有不同的表達式。立方晶體：（3）磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉到難磁（4）磁彈性能Eσ當鐵磁體內存在內應力或有外應力作用時，磁致伸縮與應力發(fā)生相互作用，與此相關的能量稱為磁彈性能。（4）磁彈性能Eσ當鐵磁體內存在內應力或有外應力作用時，磁致（5）

退磁場能退磁場

在開路狀態(tài)下，一個有限大小的樣品被外磁場磁化時，在它的兩端將產(chǎn)生一個磁場。該磁場的方向與磁體的M方向相反，并使磁體產(chǎn)生退磁傾向，叫做退磁場Hd。退磁場能：物質的磁化強度和其自身的退磁場的相互作用能稱為退磁場能。

N稱為退磁因子，與鐵磁體的形狀有關

沿長軸磁化的細長樣品，N≈0，

短粗的樣品，N則很大（5）退磁場能退磁場能：物質的磁化強度和其自身的退磁場的相宏觀磁體內磁疇？？交換能磁晶各向異性能退磁場能

宏觀磁體內磁疇？？第一節(jié)

鐵磁學基礎1.1物質的磁性1.2磁化過程與技術磁參量

（一）磁疇結構

（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程

（三）鐵磁體中的磁自由能

（四）磁性材料的技術磁參量

（五）磁性材料的穩(wěn)定性1.3磁性材料分類第一節(jié)鐵磁學基礎1.1物質的磁性(四）磁性材料的技術磁參量技術磁參量MS:飽和磁化強度Tc：居里溫度Hc：矯頑力Mr：剩磁主要取決于材料的化學成分對材料結