1、第五章 磁 性 材 料,河海大學-力學與材料學院-材料系,盧治擁,Apr 20th, 2016,2,磁性材料是最早被人類認識和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。 人類對于磁性材料的最初認識源于天然磁石。 公元前三世紀管子：“上有慈石者，下有銅金?！?呂氏春秋九卷精通篇：“慈招鐵，或引之也?！?磁性是自然科學史上最古老的現象之一,磁鐵礦(Fe3O4) 或磁赤鐵礦(-Fe2O3),指南針的鼻祖司南 地磁場是指南的前提 戰(zhàn)國末年（先秦）韓非子：“先王立司南以端朝夕?！?東漢時的王充在他的著作論衡中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。,指南針中國古代四大發(fā)明之一,指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用 1

2、086年 宋朝沈括夢溪筆談指南針的制造方法等 1119年 宋朝朱或萍洲可談 羅盤，用于航海的記載 W. Gilbert De Magnete磁石，最早的著作 18世紀 奧斯特 電流產生磁場 法拉弟效應 在磁場中運動導體產生電流 安培定律 構成電磁學的基礎, 開創(chuàng)現代電氣工業(yè) 1907年 P. Weiss的磁疇和分子場假說 1928年 海森堡模型，用量子力學解釋分子場起源 1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發(fā)現含Co的永磁鐵氧體 1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體 1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場, 理論上預言了磁疇結構,(一)、磁

3、性材料發(fā)展簡史古老而年輕的功能材料,1946年 Bioembergen發(fā)現NMR效應 1948年 Neel建立亞鐵磁理論 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效應的發(fā)現 1960年 非晶態(tài)物質的理論預言 1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現 1982年 掃描隧道顯微鏡, Brining和Rohrer,( 1986年,AFM ) 1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現 Sagawa(佐川) 1986年 高溫超導體，Bednortz-muller 1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(M.N.

4、Baibich)，法國Paris-Sud大學的Albert Fert以及德國尤里希研究中心的Peter Grnberg獲2007年諾貝爾物理學獎 1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現,T.Miyazaki,(二)、關于磁性材料的認識磁力線與磁極,粉紋法演示磁力線分布,磁極之間同性相斥、異性相吸 磁鐵不論大小，都有唯一的N極和S極。,磁學初步認識：,奧斯特實驗： 電流與磁場的相互作用； 螺線管與磁體的等效,安培分子電流學說： 組成磁鐵的每個分子都具有一個小的分子電流，經過磁化的磁鐵其小分子電流都定向規(guī)則排列。,現代科學認為物質的磁性來源于

5、組成物質中原子的磁性：,. 原子中外層電子的軌道磁矩 . 電子的自旋磁矩 . 原子核的核磁矩 （原子核的磁矩比電子磁矩小三個數量級，一般情況下可忽略不計。）,原子的總磁矩應是按照原子結構和量子力學規(guī)律將原子中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩。（洪德法則） 磁性是物質的基本屬性！,材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素:,1. 原子是否具有未成對電子,即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩),2. 原子在晶格中的排列方式,鐵/鈷/鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子,分別具有4,3,2的凈磁矩 鐵/鈷/鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向(交換作用) 形成相鄰原子的磁矩都想一個方向排列的小區(qū)域,稱為磁

6、疇.,現代物理科學告訴我們：物質磁性主要源自電子，磁性是物質的基本屬性！ 磁有序結構，即自發(fā)磁化，表現為存在磁疇，是物質強磁性的主要來源。,11,常溫下表現為強磁性的亞鐵磁性和鐵磁性材料稱為磁性材料。 磁性材料具有能量轉換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。 磁性材料廣泛地應用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農業(yè)、生物與醫(yī)療等技術領域。,(三)、磁性材料介紹,12, 按化學組成分類 金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料 按磁化率大小分類 抗磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、鐵磁性, 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、

7、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料,1、磁性材料的分類,13,宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。 當原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強。 當原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。,2、磁化強度M,宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強度M： M = 原子/V,14,任何物質在外磁場作用下，除了外磁場H外，由于物質內部原子磁矩的有序排列，還要產生一個附加的磁場M。,3、磁化率及磁導率,在物質內部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應強度B。 B = o(H+M) o - 真空磁導率 = M / H - 磁化率 = B / H - 磁導率,根據物質的磁化率，可以把物質的磁性分

8、為五類： 1、抗磁性，為甚小的負數（大約在-10-6量級），在磁場中受微弱的斥力，如金、銀 。 2、順磁性，為正數（大約在10-310-6量級）在磁場中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。 3、鐵磁性，為很大的正數，在較弱磁場作用下可以產生很大的磁化強度，如鐵、鈷、鎳。 4、亞鐵磁性，處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說的磁鐵礦、鐵氧體等。 5、反鐵磁性， 為小正數，高于某一溫度時其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場的取向有關。,4 、物質磁性的分類,16, 鐵磁性物質 具有極高的磁化率，磁化易達到飽和的物質。 存在磁性轉變的特征溫度居里溫度，溫度低于居里溫度時呈鐵磁性，高于居里溫度時

9、表現為順磁性。,磁矩的排列與磁性的關系,Ferromagnetism,表現為鐵磁性的元素物質只有以下幾種： 一些過渡族元素和稀土元素金屬： 但以上面元素為主構成的鐵磁性合金和化合物是很多的，它們構成了磁性材料的主體，在技術上有著重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, GdCl3, Nd-Fe-B,室溫以上，只有4種元素是鐵磁性的。,18, 亞鐵磁性物質,磁矩的排列與磁性的關系,如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。 它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強度不相等，具有高磁化率和居里溫度。,在磁結構的本質上它和反鐵磁物質相

10、似，但宏觀表現上卻更接近于鐵磁物質。 對這類材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點，極大地推動了磁性材料在高頻和微波領域中的應用，成為今日磁性材料用于信息技術的主體。,亞鐵磁物質主要是一些人工合成的含過渡族元素和稀土元素的某些特定結構的氧化物，例如： 尖晶石結構：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石結構：A3Fe5O12, (A=Y, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb ) 磁鉛石結構：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 鈣鈦礦結構：LaFeO3,20, 順磁性物質,磁矩的排列與磁性的關系,最基本特征是磁化率為正值且數值很小。

11、 順磁性物質的磁化率是溫度的函數，一部分服從居里定律， 更多的服從居里-外斯（Curie-Weiss)定律。,服從居里-外斯定律的物質都是在某一個溫度之上才顯示順磁性，這個溫度之下，表現為其它性質。,過渡族元素、稀土元素和錒系元素金屬： Mn, Cr, W, La, Nd, Pt, Pa 含有以上元素的化合物： MnSO4, FeCl3, FeSO4, Gd2O3, 堿金屬和堿土金屬： Li, Na, K, Ru, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba 包含有奇數個電子的原子或分子： HCl, NO, 有機化合物中的自由基 少數含有偶數個電子的化合物： O2, 有機物中的雙自由基等,順磁性物質

12、,22, 抗磁性物質,磁矩的排列與磁性的關系,最基本特征: 磁化率為負值且絕對值很小 顯示抗磁性的物質在外磁場中產生的磁化強度和磁場反向，在不均勻的磁場中被推向磁場減小的方向逆磁性。 典型抗磁性物質的磁化率是常數，不隨溫度、磁場而變化。,周期表中三分之一的元素、絕大多數的有機材料和生物材料都是抗磁性物質。 稀有氣體：He, Ne, Ar, Kr, Xe 多數非金屬和少數金屬：Si, Ge, S, P, Cu, Ag, Au 不含過渡族元素的離子晶體：NaCl, KBr 不含過渡族元素的共價鍵化合物：H2, CO2, CH4等 幾乎所有的有機化合物和生物組織 反常抗磁性物質：Bi, Ga, Zn

13、, Pb, 磁化率與磁場、溫度有關。,抗磁性物質,“羽落術”,一塊釹磁鐵和一只粗銅管。釹磁鐵產生磁場，而銅是優(yōu)良的抗磁性物質。運動的磁場與銅管相互作用，銅內產生感應電流，通過電磁作用產生向上的斥力阻礙了釹磁鐵下落。,水分子也具有抗磁性，只不過非常小，如果是一般的磁場，產生的斥力與水滴受到的重力相比，完全可以忽略不計。但當磁場足夠強時，足以使水滴克服地球重力懸浮起來。,當青蛙被放到磁場中，青蛙的每個原子都像一個小磁針，外界磁場對這些小磁針作用的結果產生了向上的力，如果磁場的強度適當，這力與青蛙受的重力達到平衡，它們就能懸在空中。,“超導磁懸浮”,26, 反鐵磁性物質,磁矩的排列與磁性的關系,基本

14、特征是存在一個磁性轉變溫度，在此點磁化率溫度關系出現峰值。,低溫下表現為反鐵磁性的物質，超過磁性轉變溫度（一般稱作奈爾溫度）后變?yōu)轫槾判缘?，其磁化率溫度關系服從居里-外斯定律： 注意與鐵磁性的區(qū)別！,反鐵磁物質主要是一些過渡族元素的氧化物、鹵化物、硫化物， 如： FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3 FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS,右圖是1938 年測到的MnO磁化率溫度曲線，它是被發(fā)現的第一個反鐵磁物質，轉變溫度 122K。,29,鐵磁體磁化到飽和以后，使它的磁化強度降低到零所需要的反向磁場稱為矯頑力。,5、磁性材料及其應用,居里溫度：對于所有的磁性材料

15、來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。,應用舉例：（電飯煲的控制）,32,在較弱的磁場下易于磁化，也易于退磁的材料稱為軟磁材料。 磁導率大，矯頑力小(Hc100A/m)，滯損耗低，磁滯回線呈細長條形。,軟磁材料磁滯回線, 軟磁材料,高磁導率：在較弱的外磁場下就能獲得高磁感應強度，并隨外磁場的增強很快達到飽和。 低矯頑力：當外磁場去除時，其磁性立即基本消失。,33,軟磁材料應用 軟磁材料適用于交變磁場，可用來制造各種發(fā)電機和電

16、動機的定子和轉子；變壓器，電感器，電抗器，繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯。,按用途分類具體包括： 鐵芯材料：工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、鐵鈷合金、坡莫合金、高導磁合金（主要是高鎳含量的鐵鎳合金）、恒導磁率合金（含Ni 5575%的鐵鎳合金）、中磁飽和中磁導率合金（低鎳和中鎳的鐵鎳合金）； 磁記錄磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導磁合金、FeSiAl合金和高導磁鐵氧體(Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體)； 超聲波發(fā)聲器用磁致伸縮材料：純鎳(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%； 磁屏蔽材料：純鐵、坡莫合金或F

17、eSiAl合金，非晶態(tài)合金；,將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過門禁處交變磁場檢測磁條的磁性變化來區(qū)分被保護對象是否帶有磁條，來達到防盜的目的。 磁條由軟磁材料制作，通常為鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金或坡莫合金（鐵鎳合金）。 防盜磁條技術的運用大大降低了開架售貨領域如圖書館、超市、藥店等的運營成本。,圖書防盜磁條,電力變壓器,電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場中，要求在工作頻率下對外磁場變化足夠靈敏。,電子電路元器件,電機鐵芯,電機鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者鐵鎳合金沖壓而成。,38,磁化后不易退磁，而能長期保留磁性的鐵氧體材料稱為硬磁材料，因而也稱永磁材料或恒磁材料。磁滯回線包

18、圍面積大，(Hc400A/m) 矯頑力大。,硬磁材料磁滯回線, 硬磁材料,39,永磁材料的應用 用途：1、硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。2、硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用。,目前產業(yè)化的主要永磁材料AlNiCo系永磁合金,AlNiCo系永磁合金：包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場取向合金和定向結晶合金。生產工藝包括：鑄造磁鋼與燒結磁鋼。鑄造鋁鎳鈷合金具有生產工藝簡單和產品性能高等特點。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產。,左上：鑄造鋁鎳鈷合金； 左下：各類異形件 右下：燒結鋁鎳鈷合金,目前產業(yè)化的主要永磁材料永

19、磁鐵氧體,鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)。晶體結構均屬六角晶系。具有高的磁晶各向異性常數、高矯頑力和低剩磁，最大磁能積偏低；其剩磁溫度系數是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產量極大的家用電器、音響設備、揚聲器、電機、電話機、笛簧接點元件和轉動機械等方面得到普遍應用。,鋇鐵氧體的微波應用：1、器件；2、隱身涂層。,永磁磁選設備,永磁式核磁共振譜儀 （MRI）,揚聲器：電聲換能,麥克風：聲電換能,44,矩磁材料磁滯回線, 矩磁材料,磁滯回線近似矩形的磁性材料，結晶各向異性，應力各向異性。,常用的矩磁材料 在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系， (Mn-Ni)Fe2O4系等。 在-65 +125較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。,45,矩磁材料的應用 矩磁材料的剩余磁