10.3強磁材料的磁疇與技術磁化（一）不同材料的磁化特性磁化強度M與外加磁場H之間的關系鐵磁性物質存在自發(fā)磁化，使得相鄰分子或原子磁矩有序排列，晶體有一定的大小與形狀，整個晶體均勻磁化的結果，必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場增加了退磁能。如果分為n個區(qū)域(即n個磁疇)，能量約可減少1/n，但是兩個相鄰的磁疇間的疇壁的存在，又增加了一部分疇壁能。因此自發(fā)磁化區(qū)域(磁疇)的形成不可能是無限的，而是疇壁能與退磁場能的和為極小值為條件。磁疇NSNSSNSNNNSSSSNNNNNNSSSS(a)(c)(b)形成如圖d，e的封閉疇將進一步降低退磁能，但是封閉疇中的磁化強度方向垂直單軸各向異性方向，因此將增加各向異性能。(e)(d)磁疇和磁疇之間的邊界，稱為疇壁。相鄰的兩個磁疇內的磁化強度方向常常是反平行或相互垂直，稱為1800疇壁和900疇壁，在疇壁中磁化矢量是逐步轉變的。疇壁布洛赫疇壁：經(jīng)過疇壁厚度時，Is由其在一個磁疇內的方向逐漸轉到另一磁疇內的方向，在旋轉時，Is保持平行于疇壁平面，因而在疇壁面上無自由磁極。一般在大塊晶體中都屬于這一類型。涅耳疇壁：對于二維薄膜樣品，當膜厚足夠小時，布洛赫壁的形成對能量降低是不利的。磁矩的方向不是在壁平面內逐漸旋轉，而是平行于薄膜表面，逐漸旋轉過去。（二）、鐵磁材料的磁化1、磁化過程：對于鐵磁性材料，磁感應強度B和磁場強度H不成正比，因為材料的磁化過程與磁疇磁矩改變方向有關。在H＝0時，磁疇取向是無規(guī)的；到磁感應強度飽和時（B＝BS）再增大H也不能使M增加，因為形成的單一磁疇的方向已與H一致了。接近于外磁場方向的磁疇長大，遠離外磁場方向的磁疇縮小。疇壁位移過程有可逆和不可逆的區(qū)別。高場下疇壁位移過程完成，只有轉動過程。2、磁滯回線幾個重要參數(shù)：剩磁Br，矯頑磁力HC，回線面積磁滯回線的形狀、大小，均有一定的實用意義。例如：磁滯回線內的面積代表了單位體積磁性材料在一個磁化和退磁周期中的能量損耗，面積愈大損耗愈大。而且，它的大小和形狀決定了磁性材料的特性，從而可把磁性材料分為軟磁、硬磁和磁存儲材料等。10.5、磁性材料及其應用（一）、按材料的磁特性來劃分,有磁性材料有硬磁(永磁)、軟磁、旋磁（微波磁）、矩磁（磁記錄）、特磁等1、硬磁材料硬磁材料的磁滯回線寬肥，它具有高的剩磁，高矯頑力和高飽和磁感應強度。磁化后可長久保持很強磁性，難退磁，適于制成永久磁鐵。因此，除高矯頑力外，磁能積（BH）對硬磁材料而言也是重要的參數(shù)。

硬磁材料分為兩大類：普通硬磁材料和高能硬磁材料。前者主要包括Cu-Ni-Fe合金，Al-Ni-Co合金及鋇鐵氧體、鍶鐵氧體。（BH）值在2－80kJ/m3。后者（BH）超過80kJ/m3。主要有Sm-Co和Nd-Fe-B合金。它們都是金屬間化合物組成的合金。

Nd-Fe-B永磁體是1982年發(fā)現(xiàn)的迄今為止磁性能最強的永磁材料。其主要化學成分為Nd（釹）、Fe（鐵）、B（硼），其主相晶胞在晶體學上為四方結構，分子式為Nd2Fe14B（簡稱2:14:1相）。

用最大磁能積可以全面地反映硬磁材料儲存磁能的能力。最大磁能積越大，則在外磁場撤去后，單位面積所儲存的磁能也越大，性能也越好。此外對溫度、時間、振動和其它干擾的穩(wěn)定性也要好。

剩磁(Br)、矯頑力(Hc)、內稟矯頑力(Hc)、磁能積(BH)m。通常所說的永磁材料的磁性能，指的就是這四項。永磁材料的主要磁性能指標：永磁材料的其它磁性能指標還有：居里溫度(Tc)、可工作溫度(Tw)、剩磁及內稟矯頑力的溫度系數(shù)、回復導磁率、退磁曲線方形度、高溫減磁性能以及磁性能的均一性等。1234常用硬磁材料材料Br(T)HC(A/m)(BH)(kJ/m3)鎢鋼，92.8Fe-6W0.9559002.6銅鎳鐵60Cu-20Ni-20Fe0.5444,00012BaO-6Fe2O30.32240,00036SmCo50.92720,000170Nd2Fe14B1.16848,000255硬磁材料的應用主要用于磁路系統(tǒng)中作永磁以產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，如揚聲器、話筒、電機、霍爾器件、磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖等等。原理為磁力作用、電磁力作用、磁電力作用。2、軟磁材料：軟磁材料的磁滯回線呈狹長型，磁滯回線面積小。由于磁滯回線面積小，所以磁滯損耗小，矯頑力小和初始磁導率高，外加很小的磁場就達到了飽和。故軟磁材料適合于交變磁場的器件，如變壓器的鐵芯，這時，鐵芯的發(fā)熱量少。軟磁材料的矯頑力很小，當外磁場的大小和方向發(fā)生變化時，其磁疇壁很容易運動。因此任何能阻礙磁疇壁運動的因素都能增加材料的矯頑力。晶體缺陷，如非磁化相的粒子或空位，都會阻礙磁疇壁的運動。故軟磁材料中應該盡量減少這些缺陷和雜質含量。

軟磁材料的應用：常用于電感線圈、小型變壓器、脈沖變壓器、中頻變壓器等的磁芯以及天線棒磁芯、錄音磁頭、電視偏轉磁軛、磁放大器等。

不知不覺在我們身邊！軟磁材料主要的類型(1)純鐵；(2)硅鋼（Fe-Si系合金）；(3)坡莫合金（Fe-Ni合金）；(4)仙臺合金（Fe-Si-Al合金)；(5)軟磁鐵氧體（氧化物系列）；(6)非晶態(tài)合金－非常優(yōu)異的軟磁性能高Bs:Fe-Si-B

高頻具有高磁導率和低鐵損：Co-Fe-Si-B硅鋼含硅量在3％左右、其它主要是鐵的硅鐵合金。硅鋼片大量用于中低頻變壓器和電機鐵芯，尤其是工頻變壓器。硅鋼的特點是具有常用軟磁材料中最高的飽和磁感應強度（2.0T以上），因此作為變壓器鐵芯使用時可以在很高的工作點工作（如工作磁感值1.5T）。在常用的軟磁材料中鐵損也是最大的，為了防止鐵芯因損耗太大而發(fā)熱，它的使用頻率不高，一般只能工作在20KHz以下。硅鋼通常是薄片狀的，這是為了在制造變壓器鐵芯時減小鐵芯的渦流損失。

坡莫合金坡莫合金指鐵鎳合金，其含鎳量的范圍很廣，在35％－90％之間。坡莫合金的最大特點是具有很高的弱磁場導磁率。它們的飽和磁感應強度一般在0.6--1.0T之間。

最簡單的坡莫合金是鐵鎳兩種元素組成的合金，通過適當?shù)能堉坪蜔崽幚恚鼈兡軌蚓邆涓邔Т怕?，同時也可以合理搭配鐵和鎳的含量，獲得比較高的飽和磁感應強度。但是，這種坡莫合金的電阻率低，力學性能不好，所以實際應用并不很多。目前大量應用的坡莫合金是在鐵鎳的基礎上添加一些其它元素，例如鉬、銅等。添加這些元素的目的是增加材料的電阻率，以減小做成鐵芯后的渦流損失。同時，添加元素也可以提高材料的硬度，這尤其有利于作為磁頭等有磨損的應用。

鐵氧體是一系列含有氧化鐵的復合氧化物材料（或者稱為陶瓷材料）。鐵氧體的特點是飽和磁感應強度很低（0.5T以下），但導磁率比較高，而且電阻率很高（這時因為鐵氧體是由很小的顆粒壓制成的，顆粒之間的接觸不好，所以導電不佳），因此非常有利于降低渦流損耗。鐵氧體能夠在很高的頻率下（可以達到兆Hz甚至更高）使用，但它的飽和磁感應強度低，因此不適合在低頻下使用。鐵氧體最廣泛的用途是高頻變壓器鐵芯和各種電感鐵芯。Mn-Zn鐵氧體各類軟磁材料性能的對比3旋磁材料定義：磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的穩(wěn)恒磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內部雖然按一定的方向傳播，但其偏振面會不斷地繞傳播方向旋轉的現(xiàn)象。1）金屬、合金材料雖然也具有一定的旋磁性，但由于電阻率低、渦流損耗太大，電磁波不能深入其內部，所以無法利用。2）因此，旋磁性的應用，就成為鐵氧體材料獨有的領域。3）旋磁材料大都與輸送微波的波導管或傳輸線等組成各種微波器件。主要用于雷達、通信、導航、遙測等電子設備中。4）常見器件包括環(huán)行器、隔離器、相移器、微波開關等磁記錄材料是磁記錄技術所用的磁性材料，包括磁記錄介質材料和磁記錄頭材料(簡稱磁頭材料)。寫入：在磁記錄(稱為寫入)過程中，首先將聲音、圖像、數(shù)字等信息轉變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^記錄磁頭轉變?yōu)榇判盘?，磁記錄介質便將磁信號保存(記錄)在磁記錄介質材料中。讀出：即將磁記錄介質材料中的磁信號通過讀出磁頭，將磁信號轉變?yōu)殡娦盘?，再將電信號轉變?yōu)槁曇?類似電話)、圖像(類似電視)或數(shù)字(類似計算機)。4磁記錄材料磁記錄介質材料的磁特性要求主要是：(1)適當高的矯頑力Hc，(2)高的飽和磁化強度Ms，(3)高的剩磁比，(4)高的穩(wěn)定性。目前應用的磁記錄介質材料主要有：(1)鐵氧體磁記錄材料，如γ型三氧化二鐵(γ-Fe2O3)等。(2)金屬磁膜磁記錄材料，如鐵-鈷(Fe-Co)合金膜等。(3)鋇鐵氧體(BaFe12O19)系垂直磁記錄材料等。4磁記錄材料垂直磁記錄水平磁記錄4磁記錄材料對磁記錄頭材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁導率μ；(2)高的飽和磁化強度Ms；(3)低的矯頑力Hc；(4)高的磁穩(wěn)定性。目前應用的磁記錄頭材料主要有：(1)鐵氧體磁頭材料，如錳-鋅-鐵氧體(Mn,Zn)Fe2O4系統(tǒng)等；(2)高硬度磁性金屬磁頭材料，如鐵-鎳-鈮(Fe-Ni-Nb)系磁性合金等；(3)非晶磁頭材料，如鐵-鎳-硼(Fe-Ni-B)系非晶合金等。4磁記錄材料5特磁材料磁致伸縮材料磁致冷材料磁電阻材料磁光材料鐵磁-鐵電功能材料鐵磁-半導功能材料磁-電材料鐵磁-有機材料1.磁致伸縮材料：材料在磁化狀態(tài)改變時，自身尺寸發(fā)生相應變化的一種現(xiàn)象。5特磁材料器件原理：磁致伸縮材料在磁場作用下,其長度發(fā)生變化,可發(fā)生位移而做功或在交變磁場作用可發(fā)生反復伸張與縮短,從而產(chǎn)生振動或聲波,這種材料可將電磁能(或電磁信息)轉換成機械能或聲能(或機械位移信息或聲信息),相反也可以將機械能(或機械位移與信息)轉換成電磁能(或電磁信息),他是重要的能量與信息轉換功能材料。應用領域：聲納的水聲換能器技術,電聲換能器技術、海洋探測與開發(fā)技術、微位移驅動、減振與防振、減噪與防噪系統(tǒng)、智能機翼、機器人、自動化技術、燃油噴射技術、閥門、泵、波動采油等高技術領域有廣泛的應用前景。5特磁材料“宋”級改型潛艇艇首安裝的主動測距及偵察聲納發(fā)射系統(tǒng)反射聲的接受系統(tǒng)回聲信息轉變成電信息與圖像的系統(tǒng)圖像識別系統(tǒng)聲納系統(tǒng)5特磁材料

最新一代聲納技術讓任何硬或者半硬的表面產(chǎn)生聲音，墻面、天花板，窗子和任何平面改變成揚聲器，聲音將平均從整個表面呈現(xiàn)出來。5特磁材料水下?lián)P聲器2.磁致冷材料磁熱效應：在絕熱的情況下，通過改變加在磁性材料上的外場而使該材料的磁熵發(fā)生變化，結果使其內部發(fā)生溫度變化。磁致冷：就是以磁性材料為工質，利用它的磁熱效應使其在等溫條件下與外界發(fā)生熱交換而實現(xiàn)制冷的技術。5特磁材料冰箱、冷柜、空調、制冷機等體積?。汗虘B(tài)工質,它具有較大的熵密度,從而可以使致冷機體積小,只有活塞式壓縮機的一半.環(huán)保：省了壓縮機、膨脹機等運動機械，結構簡單，振動和噪聲大大降低，無污染（氟里昂）高效：固態(tài)工質使得所有的熱交換能在液態(tài)和固態(tài)之間進行,因而功耗低,效率高,可達到氣體致冷機的10倍.5特磁材料4.磁光材料：是激光、光電子學和正在發(fā)展的光子學中所用多種磁光效應器件使用的磁性材料。對磁光材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁光效應，如高的法拉第磁光旋轉角和克爾磁光旋轉角，(2)低的磁光損耗，(3)寬的磁光效應頻帶，(4)高的穩(wěn)定性。當前應用的磁光材料有3大類：(1)金屬磁光材料，如錳-鉍(Mn-Bi)系合金等，(2)鐵氧體磁光材料，如石榴石型鉍-釓-鐵-鎵-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系鐵氧體等，(3)非晶磁光材料，如釓-鈷(Gd-Co)系非晶合金等。5特磁材料鐵磁-鐵電功能材料:可以得到高的磁導率和電容率(介電常數(shù))，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料;鐵磁-半導功能材料:同時具有鐵磁性和半導體的鐵磁-半導功能材料，可以得到高的磁導率和高的載(電)流子遷移率，如銪-硫(Eu-S)系和銪-硒(Eu-Se)系材料。磁-電材料:是一類由磁場可產(chǎn)生磁化強度和電極化強度，由電場可產(chǎn)生電極化強度和磁化強度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3。鐵磁-有機材料:是一類不含磁性金屬的純有機化合物磁性材料，如聚三氨基苯[C6H5(NH3)n]等?？梢哉f多功能磁性材料是正在發(fā)展和擴大的新型磁性材料。5特磁材料

納米磁性材料是指三維空間中至少有一維的尺度在1-100納米范圍的材料，他們應表現(xiàn)出以下共同的基本特征之一：1量子尺寸效應2小尺寸效應3表面效應4宏觀量子隧道效應Nanosize:1---100nm3D1D2D0DNanoMaterial當前比較活躍的研究領域---納米磁性材料量子尺寸效應：材料的能級間距是和原子數(shù)N成反比的，因此，當顆粒尺度小一定的程度，顆粒內含有的原子數(shù)N有限，納米金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散，納米半導體微粒則存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道，能隙變寬。當這能隙間距大于材料物性的熱能，磁能，靜電能，光子能等等時，就導致納米粒子特性與宏觀材料物性有顯著不同。納米磁性材料小尺寸效應

當粒子尺度小到可以與光波波長，磁交換長度，磁疇壁寬度，傳導電子德布羅意波長，超導態(tài)相干長度等物理特征長度相當或更小時，原有晶體周期性邊界條件被破壞，物性也就表現(xiàn)出新的效應，如從磁有序變?yōu)榇艧o序，磁矯頑力變化等。三個納米的鈷粒子，不是通常的六角密堆結構，而是立方結構納米磁性材料納米磁性材料表面效應

當粒子尺寸變小時，位于表面的原子數(shù)相對于內部的原子數(shù)所占比例變大，例如對銅而言，100納米的粒子，比表面積為6.6m2/g,而10納米粒子的比表面積就為66m2/g,當粒子小到1納米時，比表面積就高達660m2/g。表面能很大，極大提高了粒子的活性，造成表面原子輸運和構型的變化，也引起原子自旋構象的變化。極端情況是碳納米管，只有表面原子，沒有內部原子。納米磁性材料宏觀量子隧道效應微觀粒子具有穿越勢壘的能力，稱為量子隧道效應。在馬的脾臟鐵蛋白納米顆粒研究中，發(fā)現(xiàn)宏觀磁學量如磁化強度，磁通量等也具有隧道效應，這就是宏觀量子隧道效應。它限定了磁存儲信息的時間極限和微電子器件的尺寸極限。超順磁性：是磁有序納米材料小尺寸效應的典型表現(xiàn)。

當體積為V的單疇磁性粒子繼續(xù)減小，磁矩取向會因熱運動能量kT比相應的磁能還大，可越過各向異性能勢壘K1V，使粒子的磁化方向表現(xiàn)為磁的“布朗運動”，粒子集合體的總磁化強度為零。稱為超順磁性。只是粒子內不是單個原子或分子的磁矩，而是磁有序的集合體，集合體之間的磁取向混亂排列，其宏觀表現(xiàn)為“順磁性”。

對超順磁性粒子的膠體懸濁液，粒子間只有弱的靜磁作用和范德瓦爾斯力，熱運動既可使粒子內磁化矢量克服磁各向異性能的位壘作旋轉還可將粒子作整體運動。這就是磁性液體。納米磁性材料納米磁性材料零維納米磁性液體及磁性微球一維磁性納米絲及其列陣3二維磁性納米薄膜及其應用4納米晶軟磁性材料5雙相納米復合硬磁性原理6高頻，微波納米材料的設想Nanosize:1---100nm3D1D2D0DNanoMaterial1磁性微球與磁性液體納米磁性粒子通過表面活化劑與抗體，酶，藥物等結合，稱為磁性微球，在生物工程，生物芯片，生物分子標簽等方面有重要應用前景。還可以在生物體內使藥物定向起作用，即生物導彈，是治療癌癥的有效方法。

磁性液體性能與組成1磁性液體與磁性微球磁性液體應用1磁性液體與磁性微球

集聚的磁性液體粒子可起到密封，潤滑等作用，又可相對運動自由，因而在真空，環(huán)保等方面應用廣泛。1磁性液體與磁性微球

磁性液體廣泛用于揚聲器、起散熱，潤滑等作用，極大縮小了揚聲器體積，增加了功率，改善了音質。1磁性液體與磁性微球磁性液體導熱系數(shù)