1、1,稀土磁性材料,2,一 材料磁性能的基本知識(shí),1.1 磁學(xué)基本量 磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率：,3,磁化強(qiáng)度和磁化率,磁場(chǎng)強(qiáng)度 H ：外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度（A/m）； 磁感應(yīng)強(qiáng)度 B ：通過(guò)磁場(chǎng)中某點(diǎn)、垂直于磁場(chǎng)方向單位面積的磁力線數(shù)（T，特斯拉），它與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比； 磁化強(qiáng)度 M ：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)原子固有磁矩矢量和（A/m）,4,1.2 磁性的分類與宏觀表現(xiàn),按物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)進(jìn)行磁性分類,5,磁性分類及特征,6,磁性宏觀表征, 鐵磁性物質(zhì) 具有極高的磁化率，磁化易達(dá)到飽和的物質(zhì)。 如Fe，Co， Ni， Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。,磁矩的排列與磁性的關(guān)系,7, 亞鐵磁性物質(zhì) 如鐵氧體(

2、M2+Fe23+O4)等， 是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。 它們相鄰原子磁矩反向平行，但彼此的強(qiáng)度不相等，具有高磁化率和居里溫度。,磁矩的排列與磁性的關(guān)系,8, 順磁性物質(zhì) 存在未成對(duì)電子 永久磁矩。Pr，MnAl，F(xiàn)eSO47H2O， Gd2O3 ；在居里溫度以上的鐵磁性金屬Fe, Co, Ni等。 居里溫度 由鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度(Tc)。,磁矩的排列與磁性的關(guān)系,9, 抗磁性物質(zhì) 不存在未成對(duì)電子 沒有永久磁矩。惰性氣體，不含過(guò)渡元素的離子晶體，共價(jià)化合物和所有的有機(jī)化合物，某些金屬和非金屬。,磁矩的排列與磁性的關(guān)系,10, 反鐵磁性物質(zhì) FeO，

3、FeF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強(qiáng)度相等，沒有磁性。,磁矩的排列與磁性的關(guān)系,11,1.3 鐵磁性的的宏觀表征,（1）磁化曲線 1）在微弱的磁場(chǎng)中，B 和 M 均隨 H 的增大而緩慢上升。M 與 H 之間近似呈線性關(guān)系，并且磁化是可逆的； 2）隨 H 繼續(xù)增大，B 和M 急劇升高，磁導(dǎo)率增大的非?？?，并且出現(xiàn)極大值m ；,3）隨 H 繼續(xù)增大，B 和 M 增加趨勢(shì)變緩，減小并趨于0 。當(dāng) H 達(dá)到 Hs 時(shí)，M 達(dá)到飽和值 Ms，而 B （= H+M）仍然繼續(xù)升高。,12,（2）磁滯回線,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（Br）

4、矯頑力（Hc） 磁滯損耗,最大磁能積,13,A.飽和磁化強(qiáng)度MS 是永磁材料極為重要的參數(shù)。永磁材料的飽和磁化強(qiáng)度越高越好，它標(biāo)志著材料的最大磁能積和剩磁可能達(dá)到上限值越高。 B.居里溫度TC 強(qiáng)鐵磁體由鐵磁性和亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)（Tc）。居里點(diǎn)高的材料好，居里點(diǎn)高標(biāo)志著永磁材料的使用溫度也高。,14,C.各向異性場(chǎng)HA（ 或Hk ） 材料在某一方向的磁晶各向異性性能最低，稱為易磁化方向。磁晶各向異性性能最高方向，稱為難磁化方向。 D.剩磁Br 鐵磁體磁化到飽和并去掉外磁場(chǎng)后，在磁化方向保留的Mr或Br簡(jiǎn)稱為剩磁。Mr稱為剩余磁化強(qiáng)度，Br稱為剩余 磁感應(yīng)強(qiáng)度。

5、其值也要求大，約為Br10-1T（特斯拉）,15,E.磁能積(BH)m 最大磁能積(BH)max 或簡(jiǎn)寫為 (BH)m是退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度 Br 和磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 乘積的最大值，此值越大，說(shuō)明單位體積內(nèi)儲(chǔ)存的磁能越大，材料的性能就越好。 F.矯頑力 鐵磁體磁化到飽和以后，使它的的磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力Hc。它表征材料抵抗退磁作用的本領(lǐng)，Hc值要大，一般為Hc103A/m,16,1.4 磁性材料中磁疇的結(jié)構(gòu),磁疇：磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域，小區(qū)域包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。各個(gè)磁疇之間的交

6、界面稱為磁疇壁。,17,磁疇示意圖,a、軟磁材料條形疇 ；b、樹枝狀疇 ；c、薄膜材料中可以見到的磁疇,18,磁疇壁示意圖,19,宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結(jié)果相互抵消，矢量和為零，整個(gè)物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是說(shuō)磁性材料在正常情況下并不對(duì)外顯示磁性。只有當(dāng)磁性材料被磁化以后，它才能對(duì)外顯示出磁性。,20,1.5 磁性材料的性能軟磁與硬磁,硬磁材料（永磁體） 特征：在無(wú)外磁場(chǎng)下保持高的磁化強(qiáng)度。 性能：高的Bs、 Br、Hs、 Hc。 應(yīng)用：電表、電機(jī)、電話機(jī)、錄音機(jī)、收音機(jī)、拾音器等。 材料： 馬氏體時(shí)效鋼 鑄造鋁鎳、鋁鎳鈷磁鋼 氧

7、化物鐵氧體 稀土鈷、釹鐵硼,軟磁材料（變壓器鐵芯） 特征：易磁化、易消磁。 性能：低的Bs、 Br、Hs、 Hc；高的。 應(yīng)用：制造磁導(dǎo)體，增加磁路磁通量，降低磁阻。如：變壓器、繼電器、感應(yīng)圈等鐵芯；電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子；磁路的連接、磁屏、開關(guān)、存儲(chǔ)元件元件、。 材料： 工業(yè)純鐵、 硅鋼 坡莫（Fe-Ni）合金 軟磁鐵氧體,21,幾種主要磁性材料的退磁曲線,22,1.6 磁性材料分類,（1）按化學(xué)組成分類 金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料 （2）按磁化率大小分類 順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性 （3） 按功能分類 軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、 磁泡

8、材料、磁光材料、磁記錄材料,23,（4）按磁化率分類 宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。 當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。 當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。 宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M： M = 原子/ V,24,磁化率 及 磁導(dǎo)率 任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了外磁場(chǎng)H外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)M。 在物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B： B = o(H+M) o - 真空磁導(dǎo)率 = M / H - 磁化率 = B / H - 磁導(dǎo)率,25,26,27,二 稀土磁性材料磁性的來(lái)源,2.1稀土

9、元素的磁性來(lái)源 電子軌道磁距與自旋磁距； 同時(shí)與晶體成分、晶體結(jié)構(gòu)、組織、晶粒、內(nèi)應(yīng)力有關(guān)等。,28,2.2 與d族過(guò)渡金屬元素磁性的對(duì)比,a. 7個(gè)4f軌道、未成對(duì)電子可到7個(gè)，d族5個(gè)； La4f0，Lu4f14 b. 4f電子受5S25P6電子屏蔽，成鍵的元素之間的相互作用力較小，距離較遠(yuǎn)，主要是電子的間接交換作用，d族主要為直接交換作用; c. 某些稀土元素化合物的飽和磁化強(qiáng)度很 高，及很高的磁各項(xiàng)異性；,29,d. 有些 稀土化合物有很高的磁光旋轉(zhuǎn)能力； e. 稀土元素的磁性居里溫度低； f. d族元素的自旋-軌道磁距相互作用較弱，軌道相互作用強(qiáng)，在外磁場(chǎng)的作用下，磁場(chǎng)主要作用于自旋

10、矩，而軌道矩被“凍結(jié)”. 稀土元素的自旋-軌道相互作用較強(qiáng)，其有效磁矩eff不僅取決于自旋量子數(shù)S，還取決于軌道量子數(shù)（偶合），,30,三 稀土磁性材料,3.1稀土永磁材料 3.2稀土磁光材料 3.3稀土磁泡材料 3.4稀土磁致冷材料 3.5稀土超磁致伸縮材料,31,3.1 稀土永磁材料,選擇永磁合金基本特性主要考慮三個(gè)因素： a.要求盡可能高的飽和磁化強(qiáng)度Ms； b.要求合金有盡可能高的居里溫度Tc； c.合金的磁硬化機(jī)制有利于得到高內(nèi)稟矯頑力,32,概述,永磁體的定義：通常把磁化后撤去外磁場(chǎng)而能長(zhǎng)期保持較強(qiáng)磁性的物質(zhì)叫永磁體、硬磁體或簡(jiǎn)稱為永磁。而可用于制造磁功能器件的強(qiáng)磁性材料稱為磁性材

11、料。包括、硬磁材料、軟磁材料、半硬磁材料、磁致伸縮材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液體、磁致冷材料以及磁蓄冷材料等。,33,稀土永磁材料（或合金）定義：稀土永磁材料，即稀土永磁合金，含有作為合金元素的稀土金屬，它的永磁性來(lái)源于稀土與3d過(guò)渡族金屬形成的某些特殊金屬間化合物。 稀土永磁材料的力學(xué)性能：到目前為止，讓人們對(duì)稀土永磁材料的力學(xué)性能研究很少，而且由于稀土永磁材料屬脆性材料。稀土永磁材料的抗拉、抗彎強(qiáng)度均較低，但抗壓強(qiáng)度較高；且其斷裂韌性KC比普通金屬低12個(gè)數(shù)量級(jí)。,34,稀土永磁材料的特點(diǎn)及發(fā)展概況,特點(diǎn)： 稀土永磁材料一般具有高剩磁、高矯頑力、和高磁能級(jí)特征，它是一種不需要外部提供固

12、定或不固定能量就能產(chǎn)生一定磁化能的功能材料。對(duì)永磁材料磁性能優(yōu)劣的主要依據(jù)： a 磁化強(qiáng)度要高; b 磁晶各向異性要大; c居里溫度要高。,35,發(fā)展,第一代稀土永磁合金是20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的，1959年內(nèi)斯畢特等人、1960年哈伯特等人先后發(fā)現(xiàn)GdCo5化合物具有很高的各向異性；直到1968年布休等人采用等靜壓方法獲得了高磁能積的SmCo5永磁體，標(biāo)志著第一代稀土永磁合金進(jìn)入實(shí)用階段。 1973年日本人小島等人用粉末冶金法研制出Sm（Co，Cu，F(xiàn)e，Zr）7.2永磁體，使之成為第二代稀土永磁材料。 1983年日本金子秀宣稱，日本住友公司以傳統(tǒng)制備SmCo5的工藝研制出了NdFe稀土永磁材

13、料，同年11月肯定了其組成為NdFeB，至此標(biāo)志著第三代稀土永磁材料的誕生。 20世紀(jì)90年代開始，人們開始研發(fā)第四代稀土永磁材料，即RE-Fe-N化合物稀土永磁材料。,36,趨勢(shì),NdFeB前景非常廣闊。因?yàn)镹dFeB的潛在市場(chǎng)仍然看好，每臺(tái)汽車上的永磁馬達(dá)將從1995年的20個(gè)增加到2005年的31個(gè)，預(yù)計(jì)到2005年，汽車中使用的粘結(jié)磁體將達(dá)到12000噸/年，年增長(zhǎng)率達(dá)到64%。隨著電腦生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)，所用NdFeB的數(shù)量也是很大的，另一個(gè)潛在市場(chǎng)是下一世界MRI的普及使用，這些應(yīng)用都將維持NdFeB生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)。 展望21世紀(jì)，個(gè)人電腦的銷售量在西方國(guó)家將維持20%增長(zhǎng)，而我國(guó)對(duì)電

14、腦需求的增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)20%的增長(zhǎng)率，因而NdFeB在VCM上應(yīng)用的需求將會(huì)成倍增長(zhǎng)。NdFeB永磁體在電腦中硬盤驅(qū)動(dòng)器及其它電機(jī)的應(yīng)用，應(yīng)是NdFeB永磁后延應(yīng)用發(fā)展的重要方向,37,稀土永磁材料的結(jié)構(gòu),稀土元素的4f層電子結(jié)構(gòu)和3d金屬外層電子結(jié)構(gòu)都有未成對(duì)的電子，因此都有原子磁矩。3d金屬的原子磁矩由于受晶體場(chǎng)和配位場(chǎng)的影響，發(fā)生軌道矩的凍結(jié)。 鑭系元素最外層電子結(jié)構(gòu)為5s25p6，它對(duì)4f層電子有屏蔽作用，因此4f層電子軌道矩和自旋矩都參加磁化。,38,稀土永磁材料的晶體結(jié)構(gòu),稀土永磁材料是以稀土金屬間化合物為基礎(chǔ)的永磁材料。稀土永磁的磁性能與組成該永磁體的稀土化合物的晶體結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系

15、。稀土鈷、稀土鐵等稀土永磁合金的磁性相的晶體結(jié)構(gòu)主要分為以SmCo5為代表1:5型結(jié)構(gòu)、以Sm2Co17為代表的2：17型結(jié)構(gòu)和以Nd-Fe-B為代表的14：2：1型結(jié)構(gòu)。,39,1:5型- SmCo5,SmCo5永磁合金磁性相晶體結(jié)構(gòu)屬CaCu5型結(jié)構(gòu)，它屬于六方晶系，空間群為Pbmmm，稀土占據(jù)a晶位，Co占據(jù)c晶位和g晶位這種結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是兩個(gè)原子層沿001軸方向交替堆垛而成，其中一個(gè)原子層由稀土原子和鈷原子組成（A層），另外一層由鈷原子組成（B層），這種CaCu5結(jié)構(gòu)即是由這種A層和B層的堆垛，即ABABAB等組成,40,2:17型- Sm2Co17,Th2Ni117型結(jié)構(gòu)屬于六方晶系

16、，空間群為P63mmc； Th2Zn17 與Th2Ni117為同素異形體，兩者的晶體結(jié)構(gòu)相似.Th2Ni117型晶體結(jié)構(gòu)-高溫條件下,41,14:2:1型-Nd-Fe-B,Nd-Fe-B永磁合金的晶體結(jié)構(gòu).以Nd2Fe14B為代表的稀土鐵硼合金的磁性相晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系，空間群為P42/mnm。稀土原子占據(jù)f和g晶位，硼占據(jù)g晶位，鐵占據(jù)c、e、j1、j2、K1和K2六種晶位，每一個(gè)單胞中有68個(gè)原子，所有稀土族元素均可形成RE2Fe14B相。,42,RE-Fe-B永磁材料,稀土金屬原子的優(yōu)點(diǎn)：順磁磁化率高，各項(xiàng)異性強(qiáng)，但原子交換弱，居里溫度低； 3d元素優(yōu)點(diǎn)：原子交換作用強(qiáng)，飽和磁化強(qiáng)度高

17、，居里溫度高，但各項(xiàng)異性場(chǎng)低。 兩者結(jié)合：3d族3d電子與RE原子平行排列，形成磁性耦合的現(xiàn)象，而且自發(fā)磁化。 二元合金：REFe2、REFe3、RE6Fe23、RE2Fe17最有可能形成永磁材料的為Nd2Fe17。,43,Nd2Fe17的居里溫度低。 原因Fe-Fe原子之間的距離太近，由于Fe磁矩的局域性較強(qiáng),受其近鄰原子的影響較大,周圍近鄰原子數(shù),原子間距等因素均對(duì)Fe的磁矩有較大影響,最終導(dǎo)致合金居里點(diǎn)低。 B的介入解決了這個(gè)問(wèn)題。 B成為RE-Fe化合物中的固溶元素， 存在于晶格中，從而改變了Fe-Fe 的距離和Fe原子的周圍環(huán)境近近 鄰數(shù)，,Nd2Fe14B中含有B原子的三角棱柱,4

18、4,三種結(jié)構(gòu)的稀土磁性材料性能,45,Nd-Fe-B磁體的制備,46,燒結(jié)NdFeB細(xì)磨制粉技術(shù),A.磨粉方法和制度決定最終粒子的形狀和及粒子表面的氧化情況，這些因素直接影響著磁體的磁性。希望得到單一磁化方向的晶粒，即單疇粒子； B.燒結(jié)溫度高，磁體密度大，但晶粒易于長(zhǎng)達(dá)導(dǎo)致矯頑力下降； C.Nd2Fe14B實(shí)際合金成分中加入的Nd含量要比理論計(jì)算要多，主要是Nd被氧化成Nd2O3，F(xiàn)e就成為單一的Fe相析出； D.加入Tb、Dy可提高磁體的矯頑力。,47,快淬Nd-Fe-B磁體快淬凝固技術(shù),快淬技術(shù)：是將融化的合金鋼液急速冷卻到室溫，制得非晶態(tài)或納米晶態(tài)合金。 工藝簡(jiǎn)介： A.工藝設(shè)備：真空

19、感應(yīng)爐或電弧爐；冷卻：旋轉(zhuǎn)的銅輥，冷卻壁決定冷卻速度；坩堝：石英坩堝或Al2O3坩堝 B.保護(hù)氣氛：Ar、N2； C.磁體晶體形狀：2040nm的微晶； 如果冷卻速度過(guò)慢：得到晶化態(tài)合金，晶粒粗大，分布不均，磁性差； 如果冷卻速度過(guò)快：非晶態(tài)合金，成軟磁性，矯頑力低。,48,快淬Nd-Fe-B磁體工藝流程圖,49,三種工藝的性能,50,稀土永磁材料的應(yīng)用（NbFeB）,磁體最基本的作用是在某一特定的空間產(chǎn)生一恒定的磁場(chǎng)，維持此磁場(chǎng)并不需要任何外部電源。標(biāo)志永磁材料好壞的參數(shù)有許多，最重要的是最大磁能積(BH)max ，磁能積越大，材料每單位體積所產(chǎn)生外磁場(chǎng)的能量就越大。,51,目前商品NdFe

20、B永磁材料的最大磁能積已達(dá)到：50MGOe。由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力等優(yōu)異的特性，已給永磁應(yīng)用帶來(lái)革命性的變化，稀土永磁材料主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：機(jī)電類；稀土永磁材料在醫(yī)療中的應(yīng)用；磁選機(jī) ；計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備；各種儀表；揚(yáng)聲器和耳機(jī)；微波器件等。,52,（1）機(jī)電類 稀土永磁體的出現(xiàn)，意味著電機(jī)領(lǐng)域?qū)⒁鸶锩缘淖兓＿@是因?yàn)橄⊥劣来朋w沒有激磁損耗，不發(fā)熱，用它制造的電機(jī)優(yōu)點(diǎn)很多。因稀土永磁電機(jī)沒有激磁線圈與鐵心，磁體體積較原來(lái)磁場(chǎng)極所占空間小，沒有損耗，不發(fā)熱，因此為得到同樣輸出功率整機(jī)的體積，重量可減小30%以上，或者同樣體積、重量，輸出功率大50%以上。 永磁電機(jī)，尤其是微

21、電機(jī)，每年世界產(chǎn)量約幾億臺(tái)之多，主要用在汽車、辦公自動(dòng)化設(shè)備和家用電器中。所使用的多為高性能的鐵氧體和稀土永磁體。,53,（2）稀土永磁材料在醫(yī)療中的應(yīng)用 （3）磁選機(jī) 一般的磁選機(jī)有永磁式和電磁式兩種，以前，永磁式磁選機(jī)的磁體多用鐵氧體。稀土永磁出現(xiàn)后，設(shè)計(jì)并制造了各種型號(hào)和類型的永磁磁選機(jī)，尤其是在中高磁場(chǎng)磁選機(jī)中，必須用稀土永磁體。,54,（4）計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備 在計(jì)算機(jī)中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)（VCM），另一種是數(shù)據(jù)輸出打印機(jī)電機(jī)。 （5）各種儀表 使用永磁體的儀表種類很多，如磁電式儀表、計(jì)數(shù)器等。,55,（6）揚(yáng)聲器和耳機(jī) 揚(yáng)聲器和耳機(jī)是永磁體傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。揚(yáng)聲器

22、有外磁式和內(nèi)磁式二種，稀土永磁出現(xiàn)后在同樣輸出功率與音質(zhì)下，揚(yáng)聲器被做得非常小，目前稀土永磁揚(yáng)聲器和耳機(jī)已應(yīng)用到高級(jí)隨身聽。 （7）微波器件 在微波領(lǐng)域中，微波管、毫波管發(fā)生器或放大器需要穩(wěn)定磁場(chǎng)。稀土永磁體在此中主要起電子運(yùn)動(dòng)的聚集作用。,56,3.2 稀土磁光材料,當(dāng)光透過(guò)鐵磁體或被磁體表面反射，由于鐵磁體存在自發(fā)磁化強(qiáng)度，使光的傳輸特性發(fā)生變化，產(chǎn)生新的各種光學(xué)各向異性現(xiàn)象，統(tǒng)稱為磁光效應(yīng)。 磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。 稀土磁光材料是一種新型的光信息功能材料，利用這類材料的磁光特性以及光、電、磁的相互作用和轉(zhuǎn)換，可制成具有各種功能的光學(xué)器件。例如，調(diào)制器

23、、顯示器、存儲(chǔ)器以及印刷機(jī)、光盤等。,57,來(lái)源和作用,由于稀土元素4f電子層未填滿，因而產(chǎn)生未抵消的磁矩，這是強(qiáng)磁性的來(lái)源；同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致電子躍遷，這是光激發(fā)的起因，從而導(dǎo)致強(qiáng)磁光效應(yīng)。 單純的稀土金屬并不顯現(xiàn)強(qiáng)磁光效應(yīng)，只有當(dāng)稀土元素?fù)饺牍鈱W(xué)玻璃、化合物晶體、合金薄膜等光學(xué)材料之中，才會(huì)顯現(xiàn)稀土元素的磁光效應(yīng)。 常用的磁光材料是(REBi)3(FeA)5O12石榴石晶體（A為Al、Ga、Sc、Se、Ge、In等金屬元素）和RE-TM非晶薄膜（TM為Fe、Co、Ni、Mn）等過(guò)渡族元素以及稀土玻璃。,58,發(fā)展,早在1845年，法拉第首先發(fā)現(xiàn)了平面偏振光通過(guò)沿磁光傳輸方向磁化的介質(zhì)時(shí)，偏振面發(fā)

24、生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，后來(lái)人們稱之為法拉第效應(yīng)，這是歷史上最早發(fā)現(xiàn)的一種磁光效應(yīng)。之后相繼發(fā)現(xiàn)了克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、瓦哥特效應(yīng)及科頓穆頓效應(yīng)，然而研究最多的還是法拉第效應(yīng)。,59,到20世紀(jì)60年代初，由于激光的誕生以及后來(lái)光電子領(lǐng)域的開拓，許多新型磁光材料和器件應(yīng)運(yùn)而生，使磁光效應(yīng)的研究和應(yīng)用進(jìn)入了空前發(fā)展時(shí)期。其中美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在磁光材料及器件方面開展了大量而卓有成效的工作。 20世紀(jì)70年代，液相外延稀土石榴石單晶薄膜及高頻濺射稀土過(guò)渡族金屬非晶薄膜問(wèn)世，才使得磁光材料的應(yīng)用擴(kuò)展到磁泡、磁光光盤、光纖通訊、激光陀螺、磁光傳感、微波等新興技術(shù)領(lǐng)域，出現(xiàn)了稀土磁光材料發(fā)展的新階段。,60,磁光效應(yīng)及表

25、征,光通向磁場(chǎng)或磁矩作用下的物質(zhì)時(shí)，其傳輸特性的變化稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)一般包括：法拉第效應(yīng)、科頓穆頓效應(yīng)、磁圓振、磁線振二向色性、塞曼效應(yīng)、磁激發(fā)光散射、磁光克爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。 法拉第效應(yīng)磁致旋光 科頓-莫頓效應(yīng)磁致雙折射 克爾效應(yīng)磁致反射光旋光 塞曼效應(yīng)磁致光譜分裂,61,法拉第旋光效應(yīng),當(dāng)線偏振光沿著磁場(chǎng)方向或磁化強(qiáng)度矢量方向傳播時(shí)，由于左右圓偏振光在鐵磁體中的折射率不同，使偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)是光與原子磁矩相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。,當(dāng)YIG（Y3Fe5O12）等一些透明物質(zhì)透過(guò)直線偏振光時(shí)，若同時(shí)施加與入射光平行的磁場(chǎng)，透射光將在其偏振面上旋轉(zhuǎn)一定的角

26、度。,62,科頓-莫頓效應(yīng)（磁雙折射效應(yīng)）,當(dāng)線偏振光垂直于磁化強(qiáng)度矢量方向透通鐵磁晶體時(shí)，光波的電矢量分成兩束，一束與磁化強(qiáng)度矢量平行，稱為正常光波，另一束與磁化強(qiáng)度矢量垂直，稱非正常光波。 產(chǎn)生相位差，兩種光在鐵磁體中的折射率不同，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓-莫頓效應(yīng)（Cotton-Mouton effect），又稱磁致雙折射效應(yīng)。,63,磁光克爾效應(yīng),當(dāng)平面偏振光由不透明的鐵磁晶體表面反射時(shí)，由于各磁疇的磁化矢量方向不同，偏振面將發(fā)生不同的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角的大小與磁化強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)（Kerr effect）,64,塞曼效應(yīng),光源在強(qiáng)磁場(chǎng)（105106A/m）中發(fā)射的譜線

27、，受到磁場(chǎng)的影響而分裂為幾條，分裂的各譜線間的間隔大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的現(xiàn)象，稱為塞曼效應(yīng)。,65,稀土磁光材料的制備方法,（1）高溫溶液（助劑法） 該方法是使高熔點(diǎn)的結(jié)晶物質(zhì)溶解于低熔點(diǎn)的助熔劑中，使之形成飽和溶液，然后通過(guò)緩慢降溫或在恒定溫度下蒸發(fā)的方式，使欲生長(zhǎng)的物質(zhì)自發(fā)結(jié)晶或在籽晶上生長(zhǎng)。 （2）真空蒸發(fā) 用真空蒸發(fā)可制備幾種稀土-鐵族金屬非晶薄膜，即把稀土-鐵族金屬合金放入鎢盤中，在2.3310-4Pa真空中蒸發(fā)。,66,（3）等溫浸漬液相外延法 稀土石榴石單晶薄膜的制備采用的是等溫浸漬液相外延法。 （4）濺射法 濺射法是通過(guò)高能惰性氣體離子碰撞，把材料中的原子打出來(lái)再進(jìn)行沉積，其沉

28、積固化過(guò)程是一個(gè)原子接一個(gè)原子排列堆積，增長(zhǎng)速度很慢，但該法制備的非晶薄膜穩(wěn)定性很高。濺射法又包括： 1）高頻濺射 2）磁控濺射,67,稀土磁光材料的應(yīng)用,磁光器件是指用具有磁光效應(yīng)的材料制作的各類光信息功能器件。,68,（1）磁光調(diào)制器 磁光調(diào)制器是利用偏振光通過(guò)磁光介質(zhì)發(fā)生偏振面旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)制光束。磁光調(diào)制器有廣泛的應(yīng)用，可作為紅外檢測(cè)器的斬波器，可制成紅外輻射高溫計(jì)、高靈敏度偏振計(jì)，還可用于顯示電視信號(hào)的傳輸、測(cè)距裝置以及各種光學(xué)檢測(cè)和傳輸系統(tǒng)中。 （2）磁光傳感器 用磁光效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)或電流的器件稱為磁光傳感器。它集激光、光纖和光技術(shù)于一體，以光學(xué)方式來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)和電流的強(qiáng)弱及狀態(tài)的變化，可

29、用于高壓網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)和監(jiān)控，還可用于精密測(cè)量和遙控、遙測(cè)及自動(dòng)控制系統(tǒng)。,69,（3）磁光隔離器 在光纖通信、光信息處理和各種測(cè)量系統(tǒng)中，都需要有一個(gè)穩(wěn)定的光源，由于系統(tǒng)中不同器件的聯(lián)接處往往會(huì)反射一部分光，一旦這些反射光進(jìn)入激光源的腔體，會(huì)使激光輸出不穩(wěn)定，從而影響了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。磁光隔離器就是專為解決這一問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的一種磁光非互易器件。它能使正向傳輸?shù)墓鉄o(wú)阻擋地通過(guò)，而全部排除從光纖功能器件接點(diǎn)處反射回來(lái)的光，從而有效地消除了激光源的噪聲。,70,（4）磁光記錄 磁光記錄是近十幾年迅速發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)。磁光記錄是目前最先進(jìn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)，它兼有磁盤和光盤兩者的優(yōu)點(diǎn)。磁光盤廣泛應(yīng)用

30、于國(guó)家管理、軍事、公安、航空航天、天文、氣象、水文、地質(zhì)、石油礦產(chǎn)、郵電通訊、交通、統(tǒng)計(jì)規(guī)劃等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集、記錄、存儲(chǔ)及分析等領(lǐng)域，特別是對(duì)于集音、像、通訊、數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、處理和存儲(chǔ)于一體的多媒體計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，磁光存儲(chǔ)系統(tǒng)的作用是其它存儲(chǔ)方式無(wú)法代替的。,71,磁光記錄,72,磁光讀取,73,磁記錄讀寫應(yīng)用圖,磁頭：軟磁材料做鐵芯，其上繞有讀寫線圈的電磁鐵 利用磁性材料剩磁的兩種磁化方向 (S-N或N-S)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”。,電磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，將數(shù)值轉(zhuǎn)換成磁層存儲(chǔ)單元中的不同剩磁狀態(tài)。 利用磁電變化，通過(guò)磁頭讀出線圈，將存儲(chǔ)單元的剩磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸

31、出。,74,3.3 稀土磁泡材料,磁泡材料是指在一定外加磁場(chǎng)作用下具有磁泡疇結(jié)構(gòu)的磁性薄膜材料。當(dāng)外加磁場(chǎng)增加到某一程度時(shí)，磁性晶體的一些磁疇便縮成圓柱狀，其磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)方向相反，在外磁場(chǎng)作用下可以移動(dòng)，像一群浮在膜面上的小水泡（稱為磁泡）。磁泡的存在與否對(duì)應(yīng)于信息存貯中的“1”和“0”，即可作為存貯器使用。,75,磁泡材料的特性,（1）磁泡材料的特性表征 磁泡存貯器是用磁泡薄膜材料制成的，要求有一定的特性，以便在一定偏置直流磁場(chǎng)的作用下，形成數(shù)目多、比較穩(wěn)定的磁泡。表征磁泡材料的特性主要有兩個(gè)參數(shù)，即品質(zhì)因子、材料的特征長(zhǎng)度，其他的還包括磁各向異性、磁飽和強(qiáng)度、疇壁能、最佳磁泡直徑、薄膜厚

32、度、磁泡遷移率、材料臨界速度等。,76,（2）稀土石榴石的晶體結(jié)構(gòu) 稀土-鐵-石榴石RE3Fe5O12是一種RE2O3:Fe2O3=3:5的化合物，屬于高對(duì)稱的立方晶系。石榴石晶體中三種陽(yáng)離子位置，分別稱為12面體位置（24c）、8面體位置（16a）、四面體位置（24d）。,77,磁泡膜的制備,磁泡存貯器用的磁性薄膜厚度等于或小于微米量級(jí)。磁泡膜的制備的方法有：濺射法、真空蒸鍍法、氣相和液相外延法等 （1）GGG單晶基片的制備 工業(yè)上主要用切克勞斯基單晶拉制法制備GGG單晶。,78,（2）磁性石榴石膜的制備 液相外延法（LPE）制備釔鐵石榴石膜：LPE是利用在高溫下把生長(zhǎng)元素飽和的母液與單晶襯

33、底接觸，再以一定速率降溫，形成母液中生長(zhǎng)元素的過(guò)飽和，在襯底上就沉積出一層與襯底晶格常數(shù)基本相同的單晶層，當(dāng)達(dá)到所要求厚度時(shí)，把母液推出，就得到光亮的外延層。,79,3.4 稀土磁致冷材料,磁致冷是指以磁性材料為工質(zhì)的一種全新的制冷技術(shù)，其基本原理是借助磁致冷材料的磁熱效應(yīng)，即磁致冷材料等溫磁化時(shí)向外界放出熱量，而絕熱退磁時(shí)從外界吸取熱量，達(dá)到制冷目的。 磁致冷材料是用于磁致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)，其制冷方式是利用自旋系統(tǒng)磁熵變制冷，磁致冷首先是給磁體加磁場(chǎng)，使磁矩按磁場(chǎng)方向整齊排列，然后再撤去磁場(chǎng)，使磁矩的方向變得雜亂，這時(shí)磁體從周圍吸收熱量，通過(guò)熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達(dá)到制冷目的

34、。,80,磁致冷的基本概念,（1）磁致熱效應(yīng) 鐵磁體受磁場(chǎng)作用后，在絕熱情況下，發(fā)生溫度上升或下降的現(xiàn)象，稱磁致熱效應(yīng)。 （2）磁熵 磁致熱效應(yīng)是自旋熵變化的結(jié)果，它是與溫度、磁場(chǎng)等因素有關(guān)的物理量。 （3）退磁降溫溫差 退磁降溫的溫度變化T是指磁性工質(zhì)在絕熱條件下，經(jīng)磁化和退磁后，其自身溫度的變化，它是標(biāo)志磁致冷材料制冷能力的最重要參量。,81,磁致冷材料的特性,所謂磁致冷就是利用磁性體的磁矩在無(wú)序態(tài)（磁熵大）和有序態(tài)（磁熵?。┲g來(lái)回變換的過(guò)程中，磁性體放出或吸收熱量的冷卻方法，為了提高效率，磁性體必須具備以下特性： （1）根據(jù)磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生的磁熵變化要大，即放熱-吸熱量大，在一個(gè)周期內(nèi)

35、的冷卻效率高；,82,（2）晶格的熱振動(dòng)要小，熱量不至于通過(guò)振動(dòng)消耗掉； （3）熱傳導(dǎo)率高，進(jìn)行一個(gè)循環(huán)周期所用的時(shí)間短； （4）具有高的電阻率，以減少磁場(chǎng)變化引起的感應(yīng)渦流產(chǎn)生熱效應(yīng)。,83,不同溫區(qū)的磁致冷材料,不同溫區(qū)的磁致冷材料具有不同的特性，包括極低溫（20K以下）順磁材料和高溫鐵磁或亞鐵磁材料，一般順磁材料的磁熵變化SMSL（晶格體系熵）；而鐵磁或亞鐵磁材料的SM與SL相差不是很大，甚至SMSL，SM在居里點(diǎn)附近TC附近最大。,84,磁致冷材料的磁致冷性能主要取決于以下幾個(gè)特性： 居里點(diǎn)TC，是指從高溫冷卻時(shí)，發(fā)生順磁鐵磁相變的轉(zhuǎn)變溫度； H，是指對(duì)磁致冷材料進(jìn)行磁化時(shí)所施加的外部

36、磁場(chǎng)，對(duì)同一磁致冷材料而言，H越大，磁熱效應(yīng)就越大，意味著磁致冷成本也越高； 磁熱效應(yīng)，一般用在TC時(shí)一定外場(chǎng)H下的等溫熵變SM或者絕熱磁化時(shí)材料自身的溫度變化Tad來(lái)表征，在相同外場(chǎng)條件下，SM或Tad越大，則該材料的磁熱效應(yīng)就越大；,85,磁比熱熔CH，是指在外磁場(chǎng)H下磁致冷材料的比熱，在同樣SM或Tad時(shí)，磁比熱容越大，熱交換性能越好，致冷性能越好。 綜上所述，居里點(diǎn)限定了鐵磁性磁致冷材料的應(yīng)用溫度區(qū)間；一定外場(chǎng)H下的磁熱效應(yīng)（SM或Tad）表征了磁致冷材料在該磁場(chǎng)下的致冷能力。 （1）20k以下的磁致冷材料 （2）2070k溫區(qū)的磁致冷材料 （3）77k以上磁致冷材料 （4）近室溫磁致

37、冷材料,86,稀土納米磁致冷的應(yīng)用,隨著世界節(jié)能和環(huán)保的需要，各國(guó)對(duì)近室溫磁致冷的研究有了重大進(jìn)展，這主要表現(xiàn)： 磁致冷原理樣機(jī)的出現(xiàn)以及它對(duì)傳統(tǒng)氣體氣體壓縮機(jī)致冷機(jī)的挑戰(zhàn)； 巨大的磁熱材料Gd5(SixGe1-x)4的發(fā)現(xiàn)，給磁致冷機(jī)打開了大門。,87,目前，磁致冷技術(shù)正在向超低溫致冷和室溫磁致冷兩個(gè)全然相反的方向發(fā)展。 磁致冷是使用無(wú)害、無(wú)環(huán)境污染的稀土材料作為制冷工質(zhì)，若取代目前使用氟里昂制冷劑的冷凍機(jī)、電冰箱、冰柜及空調(diào)器等，可以消除由于生產(chǎn)和使用氟里昂類制冷劑所造成的環(huán)境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護(hù)人類的生存環(huán)境，具有顯著的環(huán)境和社會(huì)效益。,88,3.5 稀土超磁致伸縮材料,磁致伸縮效應(yīng)是1842年由焦耳發(fā)現(xiàn)的，故又稱焦耳效應(yīng)。長(zhǎng)期以來(lái)，作為磁致伸縮材料的主要是鎳、鐵等金屬或合金，由于磁致伸縮值較小，功率密度不高，故應(yīng)用面較窄。主要用于聲納、超聲波發(fā)射等方面。,89,磁致伸縮效應(yīng)及機(jī)理,（1）磁致伸縮效應(yīng) 在磁場(chǎng)中磁化狀態(tài)改變時(shí)，材料引起尺寸或體積微小的變化，稱為磁致伸縮。此現(xiàn)象于1842年由著名的物理學(xué)家焦耳首先發(fā)現(xiàn)，接著Villari發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮的逆效應(yīng)。磁致伸縮可以