1、中國礦業(yè)大學 材料科學與工程學院,第三章 材料的磁學性能,顧修全,本章內(nèi)容,基本磁學性能 鐵磁性 鐵磁體的技術磁化 鐵磁材料的測量與應用 磁性材料的研究熱點,第三節(jié) 鐵磁體的技術磁化,鐵磁體內(nèi)相互作用能 磁疇 技術磁化與磁滯回線 影響鐵磁性的因素,1.鐵磁材料的相互作用能,相鄰原子電子 自旋的交換能,磁晶各向異性能,磁彈性能,退磁場能,外磁場能,1) 交換能,2）磁晶各向異性,磁晶能,磁晶各向異性能,磁晶各向異性常數(shù),來源于電子自旋與軌道的相互耦合作用及晶體電場效應。,3) 外磁場能,4）退磁場,退磁場 材料的磁化狀態(tài)，不僅依賴于它的磁化率，也依賴于樣品的形狀。 有限幾何尺寸的磁體在外磁場中被

2、磁化后，表面將產(chǎn)生磁極，從而使磁體內(nèi)部存在與磁化強度M 方向相反的一種磁場，起減退磁化的作用，稱為退磁場Hd 。,其中N 為退磁因子，只與磁體幾何形狀和尺寸有關。,H,H,Hd,退磁場能,退磁場能,鐵磁體在自身退磁場中的能量；,靜磁能 = 鐵磁體與外磁場的相互作用能 + 退磁能,對于非球形樣品，沿不同方向磁化時退磁場能大小不同， 這種由形狀造成的退磁場能隨磁化方向的變化，通常也稱 為形狀各向異性能。,退磁場能的存在是自發(fā)磁化后的強磁體出現(xiàn)磁疇的主要原因。,4）磁致伸縮,磁致伸縮：鐵磁體在磁場中被磁化時，形狀和尺寸都發(fā)生變化的現(xiàn)象。 原因：當原子磁矩有序排列時，電子間的相互作用導致原子間距的自發(fā)

3、調(diào)整引起的。,磁致伸縮系數(shù)：,磁彈性能：,磁致伸縮效應將使材料內(nèi)部產(chǎn)生拉（或壓）應力， 因而產(chǎn)生磁彈性能。,磁彈性能,飽和磁致伸縮系數(shù)s ：隨著外磁場強度的增強，鐵磁體的磁化強度增強，這時 也隨之增大，當磁化強度達到飽和值Ms 時， = s，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)。 對于一定的材料， s 是一個常數(shù)。 實驗表明，對 s 0的材料進行磁化時，若沿磁場方向加以拉應力，則有利于磁化，而加壓應力則阻礙其磁化；對 s 0的材料，則情況相反。 也是一個具有各向異性的物理量，如單晶鐵和單晶鎳沿不同晶向磁化時，其 值不同。,磁致伸縮系數(shù),磁滯伸縮的內(nèi)在機理,自發(fā)形變（自發(fā)磁滯伸縮） 場致形變（磁致伸縮） 形狀效

4、應,由于交換作用所引起的，當溫度低于居里點時，由于交換相互作用產(chǎn)生自發(fā)磁化，同時將產(chǎn)生自發(fā)的磁滯伸縮。它是各向同性的，表現(xiàn)為體積的變化。,在居里點以下，磁矩的有序排列所表現(xiàn)出來的各向異性能。,為了降低退磁能，樣品的體積要縮小，并且在磁化方向上要伸長以減小退磁因子的一種現(xiàn)象。,磁彈性能,指在磁滯伸縮過程中，磁性與彈性之間的耦合作用能。 分析表明，計入磁致伸縮后，在對形變張量只取線 性項近似的情況下，磁晶各向異性能的形式并未發(fā)生變 化，所變化的僅是各向異性常數(shù)的數(shù)值稍有改變。,5）應力能,當鐵磁晶體受到外應力作用或者內(nèi)部存在應力時， 還將產(chǎn)生由應力引起的形變，從而出現(xiàn)應變能。,第三節(jié) 鐵磁體的技術

5、磁化,鐵磁體內(nèi)相互作用能 磁疇 技術磁化與磁滯回線 影響鐵磁性的因素,2. 磁疇,磁疇：未加磁場時鐵磁體內(nèi)部已 經(jīng)到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。 特征：磁矩同方向。,晶粒,磁疇壁：相鄰磁疇的界限。,晶界,主疇、副疇,180疇、90疇,180,90,90,（a）,（b）,（c）,磁疇壁的種類,布洛赫壁,磁偶極子的磁矩在疇壁法線方向的分量不變，磁偶極子是在疇壁面內(nèi)旋轉。,尼耳疇壁,磁矩垂直于膜面將會產(chǎn)生很大的退磁場，因此在疇壁中磁矩的過渡在膜面內(nèi)進行，磁矩沒有垂直于膜面的分量。,磁疇壁的厚度,W,0,N0,N,ECr,EK,磁疇壁越厚，則壁的交換能ECr 越低；但磁疇壁厚度的增加 也將會導致磁晶能EK 增加

6、，使壁傾向變薄。,疇壁能的最小值所對應的壁厚N0為平衡狀態(tài)時壁的厚度。,疇壁能=磁交換能+磁晶能,當鐵磁晶體形成磁疇時，雖然降低了退磁場能，但增加了疇壁能。對大塊晶粒來說，后者比前者要小很多，因此分疇在能量上是有利的。,為了最大限度地減小退磁能，磁疇必須形成三角疇的封閉結構，即呈封閉磁路，這樣可使退磁能等于零。,磁疇的起因與結構,磁疇結構類型的不同是鐵磁質(zhì)磁性千差萬別的原因之一。,以鐵磁單晶體為例：,磁疇的形成是能量最小原則的必然結果，即形成磁疇是為了降低系統(tǒng)的能量。 磁疇結構受交換能、磁晶能、磁彈性能、疇壁能和退磁能的影響，平衡狀態(tài)時的磁疇結構，應使這些能量之和為最小值。,單晶體的磁疇結構示

7、意圖,降低退磁能,減小疇壁能,減小磁彈性能,不均勻物質(zhì)中的磁疇,多晶體中的磁疇示意圖,多晶體中的每一個晶粒 都可能包含許多磁疇， 整個材料內(nèi)部磁通保持 連續(xù)，形成閉合回路。 就整體上來說，材料對 外顯示各向同性。,若晶粒尺寸逐漸減小，體系的自由能中疇壁能的比重增長，以至當其與因分疇而減小的退磁場能相比擬或超過它時，整個晶粒不分疇在能量上將更有利，這就是單疇顆粒。單疇顆粒的臨界尺寸由晶粒自由能的極小值確定。通過計算得到的鐵、鈷、鎳單疇顆粒的臨界尺寸的數(shù)量級為102埃。,磁單疇顆粒,研究意義：制備低磁導率、高矯頑力的永磁材料。 例如，采用粉末冶金法提高材料的矯頑力。,磁泡,第三節(jié) 鐵磁體的技術磁化

8、,鐵磁體內(nèi)相互作用能 磁疇 技術磁化與磁滯回線 影響鐵磁性的因素,3. 技術磁化和磁滯回線,技術磁化的本質(zhì)：外加磁場對磁疇的作用過程即外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉到外磁場方向（和）或近似外磁場方向的過程。,使鐵磁材料的宏觀磁性表現(xiàn)出來。,技術磁化過程的描述：磁化曲線與磁滯回線。,1）鐵磁材料的基本磁化曲線,磁化的三個階段,在第 I 階段，外磁場H 較小，磁感應強度B 和磁化強度M 隨H 增大緩慢上升，B 與H 基本上是線性關系，磁化是可逆的。稱為起始磁化階段。,在這一階段，與外磁場方向成銳角的磁疇能量低，磁疇擴大；而與外磁場成鈍角的磁疇縮小。磁疇大小的變化通過磁疇壁的遷移實現(xiàn)。,在第 II

9、階段：隨H 增大，B 和H 都迅速增大， 增加很快，并出現(xiàn)最大值。這個階段是不可逆的，去掉外磁場還保留部分磁化。,在第 III 階段：隨H 進一步增大，B 和M 逐漸變緩， 變小，并趨向于 0。當磁場強度達到Hs 時達到磁飽和，這 時隨著H 增大，M 不變。稱為飽和磁化階段。,在第二階段磁疇壁隨磁疇的增大而快速移動，稱磁疇壁跳躍（巴克豪生跳躍）。與磁場夾角比較大的難磁化磁疇轉向夾角較小的易磁化方向。當磁場增大到很大時，所有自旋磁矩通過磁疇壁的跳動來實現(xiàn)，轉動到與磁疇成最小夾角的易磁化方向。,在這一階段發(fā)生磁疇轉動。磁疇由易磁化方向轉動到與外磁場一致的方向。這時去除外磁場，磁疇由與外磁場一致的方

10、向轉動到易磁化方向。,2）技術磁化的兩種機制,疇壁的遷移磁化（壁移磁化） 磁疇的旋轉磁化（疇轉磁化）,壁移磁化,轉動磁化,磁疇壁移動的阻力及產(chǎn)生不可逆磁化的原因,磁疇壁移動的阻力： 退磁能：由于磁疇遷移使退磁能增大； 晶體內(nèi)部的缺陷、應力及組織不均勻性。,產(chǎn)生不可逆磁化的原因：疇壁的不可逆位移,(1)應力理論 晶體缺陷、位錯等以及磁致伸縮和磁各向異性會產(chǎn)生第三種內(nèi)應力。內(nèi)應力在晶體中分布是不均勻的，應力在某些微觀區(qū)域內(nèi)較高，而另一些微觀區(qū)域較低。在沒有磁化時，疇壁處于應力較低的位置。 在外磁場作用下，疇壁發(fā)生遷移。當磁疇由一個能谷遷移到另一個能谷，這時疇壁移動是不可逆的。要使疇壁返回原來位置必

11、須施加一定的外磁場，這就是矯頑力。,疇壁能和壁移阻力與疇壁位置的關系,內(nèi)應力理論,內(nèi)應力引起疇壁能的不均勻分布 180疇壁壁移阻力的變化,當磁場高于臨界場Hc 時進入不可逆磁化過程，最大磁導率就發(fā)生在該階段。此時疇壁常常發(fā)生跳躍式移動，在磁化曲線上表現(xiàn)出大的突變，稱為巴克豪森效應。,雜質(zhì)理論,雜質(zhì)作用下的疇壁移動示意圖,雜質(zhì)是指比基體相磁性 低得多的相和氣孔。,(2) 雜質(zhì)理論 雜質(zhì)是指弱鐵磁相、非鐵磁相、夾雜物和氣孔。在沒有外磁場時，磁疇壁被雜質(zhì)穿空，減少了疇壁的總面積，降低了疇壁能，相當于雜質(zhì)對磁疇釘扎作用。 在外磁場下，磁疇壁發(fā)生彎曲，這時去除外磁場磁疇壁可以回到原來位置；進一步增大外磁

12、場，磁疇壁脫離雜質(zhì)，運動到下一個雜質(zhì)位置，這個過程是不可逆的。,第三節(jié) 鐵磁體的技術磁化,鐵磁體內(nèi)相互作用能 磁疇 技術磁化與磁滯回線 影響鐵磁性的因素,4. 影響鐵磁性的因素,溫度 形變和晶粒度 成分、組織及相結構,外部環(huán)境因素,內(nèi)部因素,表示材料鐵磁性的參數(shù),組織敏感性參數(shù) 組織不敏感性參數(shù),與技術磁化有關的參數(shù)，如磁矯頑力Hc、磁化率、 磁導率、剩磁感應強度Br等。,與自發(fā)磁化有關的參數(shù)，如飽和磁化強度Ms、飽和磁致 伸縮系數(shù)s、磁各向異性常數(shù)Qc等。,1）溫度的影響,溫度升高使原子熱運 動加劇，原子磁矩的 無序排列傾向增大導 致Ms下降。達到居里 點時Ms降為零。,鐵磁性,順磁性,升溫

13、,2）形變和晶粒度的影響,冷塑性變形會使金屬中點缺陷和位錯密度增高，造成點陣畸變加大和內(nèi)應力升高，因而使組織敏感的鐵磁性發(fā)生變化。,隨著形變度的增加導磁率m 減小而矯頑力Hc增高，剩余磁 感應強度Br在臨界變形度(約5%7%)以前隨變形度增大急劇下降，而在臨界變形度以上則隨變形度增大而升高。,冷塑性變形的金屬經(jīng)再結晶退火后，各磁性參數(shù)都恢復到形變前的狀態(tài)。,形變織構和再結晶織構，使磁性呈現(xiàn)明顯的方向性，利用 這一特點可提高m和Ms。,冷加工變形對工業(yè)純鐵磁性的影響,晶粒越細，磁導率越低，矯頑力越高。 因為晶界不僅本身原子排列不規(guī)則，而且在晶界附近位錯密度也較高，造成點陣畸變和應力場，阻礙疇壁的移動和轉動。,改善鐵磁材料的方法： 消除鐵磁材料中的雜質(zhì) 把晶粒培育到足夠大并呈等軸狀 形成再結晶織構 采用磁場中退火,3）成分、組織及相結構的影響,形成固溶體 形成化合物 形成多相合金,形成固溶體,鐵磁性金屬溶入抗磁性或弱順磁性元素時，固溶體 的Ms隨溶質(zhì)組元含量的增加而降低。,鐵磁性金屬溶入強順磁性組元，當溶質(zhì)組元含量低時使Ms增大，而含