1、磁性材料Magnetic Materials磁性材料的分类v软磁材料v硬磁材料v磁记录材料v其他磁性材料磁记录材料v 磁记录原理 3种记录模式：水平(纵向)、垂直、杂化 磁记录系统基本单元：换能器、存贮介质、传送介质装置以及相匹配的电子线路 磁记录原理 3种信号类型：音频信号、数字信号、调频信号 两种记录方式：模拟、数字 磁记录介质：磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片磁记录材料v磁记录材料磁头材料v磁头的基本结构v基本功能：写入、读出v磁头材料得到基本性能要求：高的磁导率、高的饱和磁感应强度、高的电阻率和耐磨性v常用的磁头铁芯材料：合金、铁氧体、非晶态合金、薄膜磁头材料磁记录材料磁记录介质材料v对材料的
2、要求v类型：颗粒（磁粉）涂布型：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。连续薄膜型：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种v湿法，如电镀和化学镀v干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法其他磁性材料v超磁致伸缩材料磁致伸缩现象：铁磁性材料在磁场中被磁化时，沿外磁场方向其尺寸会发生微小变化一般材料的磁致伸缩系数：306010-6超磁致伸缩效应：（12）10-3超磁致伸缩材料与压电陶瓷的性能比较v巨磁电阻材料磁电阻效应：由磁场引起材料电阻发生变化v巨磁化强度材料巨磁化强度材料也称为高磁化强度材料，饱和磁化强度高于传统的Fe和Fe-Co软磁合金的材
3、料v磁光效应材料：磁光记录水平(纵向)、垂直记录磁记录原理3种基本信号类型磁头的基本结构软磁材料v定义：特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料v特点：磁滞回线细而长高磁导率低矫顽力容易磁化，也容易去磁v常见软磁材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率m软磁材料v分类：金属软磁材料、软磁铁氧体v常用的金属软磁材料电工用纯铁电工用硅钢片铁镍合金与铁铝合金非晶态合金：铁基、钴基、铁镍基电工用纯铁v含碳量极低、纯度99.95%以上v用途：铁芯、磁极、磁路等v性能：机械、磁性能v影响性能的因素：结晶轴对磁化方向的取向、杂质、晶粒大小、金属的塑性变形、内应力v改善性能措施v工作环境及减少涡流损耗方法电工用
4、硅钢片v分类：热轧非织构（无取向）硅钢片、冷轧非织构（无取向）硅钢片、冷轧高斯织构（单取向）硅钢片、冷轧立方织构（双取向）硅钢片、v用途：电机、发电机、变压器、扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表v机械性能、磁性能的影响因素：硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(硝，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关v高斯织构、立方织构硅钢片性能软磁材料的磁滞回线常见软磁材料的Bs和m几种电工用纯铁的磁性能铁镍合金v成分：主要成分是铁、镍、铬、铜、铜等元素v特性：在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗，v铁镍合金相图与不同成分合金的性能v铁镍合金的分类及其特性：1J50
5、、1J51、1J65、1J79、1J85铁铝合金v 铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16以下时，便可以热轧成扳材或带材；含铝量在56以上时，合金冷轧较困难。v 铁铝合金特点：1.电阻率高2.高的硬度和耐磨性3.比重小，可减轻铁芯自重4.对应力不敏感5.时效：材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化6.温度稳定性非晶态合金v铁基非晶态软磁合金：特点：饱和磁感应强度高、损耗低缺点：磁致伸缩系数大v钴基非晶态软磁合金：饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小，磁致伸缩系数趋近于零v铁镍基非晶态软磁合金：性能基本上介于两者之间v非晶态合金与晶态软磁材料的比较：磁导率高，电阻大，
6、损耗非晶态合金与晶态合金的磁滞回线铁镍合金相图与不同成分合金的性能热处理工艺对铁镍合金导率的影响Fe-Si3.8%合金单晶体磁化方向高斯织构、立方织构硅钢片性能比较几种电工用纯铁的磁性能软磁材料v 软磁材料的用途：主要用于导磁，可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。变压器 磁性传感器硬磁材料(永磁材料)v定义：指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料v评价永磁材料性能好的指标剩余磁感应强度Br矫顽力Hc最大磁能积(BH)MAX凸起系数：(BH)mBrHcv退磁曲线：永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分硬磁材料v永磁材料种类铝镍钴系硬磁合金硬磁铁氧体材料稀土永磁材料v可加工
7、的永磁合金v永磁材料用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用永磁材料的退磁曲线和磁能曲线可加工的永磁合金v 在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的v 四个主要系列1.-铁基合金2.Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金3.铜基合金4.Fe-Cr-Co永磁合金铝镍钴系硬磁合金v特点：铝镍钴系永磁合金具有高的磁能积及高的剩余磁感府强度，适中的矫顽力。(BH)max=4070kJm3，Br=0.71.35T，Hc4060kAm。这类合金属沉淀硬化型磁体，高温下呈单相状
8、态(相)，冷却时从相中析出磁性相使矫顽力增加。AlNiCo系合金硬而脆，难于加工。v成型方法：有铸造法和粉末烧结法两种。v成分：以Fe，Ni，A1为主要成分，通过加入Cu，Co，Ti等元素进一步提高合金性能铝镍钴系硬磁合金v按成分分类：铝镍型，铝镍钴型，铝镍钴钛型三种v铝镍钴型合金具有高的剩余磁感应强度v铝镍钴钛型则以高矫顽力为主要特征v铸造铝镍钴系合金从织构角度可划分为各向同性合金，磁场取向合金和定向结晶合金三种v逐渐被永磁铁氧体和稀土永磁合金被取代。但在对永磁体稳定性具有高要求的许多应用中，铝镍钴系永磁合金往往是最佳的选择。v铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动机继电器和磁电机；电
9、子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等稀土永磁材料v成分：稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B，C，N等组成的金属间化合物v研究与发展的4阶段：第一代是稀土钴永磁材料RCo5型合金(1：5)型。其中起主要作用的金属间化合物的组成是按1：5的比例。v单相：单一化合物的RCo5永磁体SmCo5，(Sm，Pr)Co5v多相：以1：5相为基体，有少量2：17型沉淀相的1：5型永磁体第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2：17型，TM代表过渡族金属)。其中起主要作用的金属间化合物的组成比例是2：17(RTM原子数比)，亦有单相，多相之分第三代为Nd-Fe-B合金第
10、四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系。稀土永磁材料分类钴基稀土永磁体vSmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5结构：CaCu5型六方结构矫顽力：来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎性能：降低成本：成分取代、制备方法vSm2Co17结构：六方晶体结构矫顽力：沉淀粒子在畴壁的钉扎性能：矫顽力低，剩余磁感应强度及饱和磁化强度高铁基稀土永磁体vNd-Fe-B系永磁合金特点：磁能积最大的永磁体分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料相组成：Nd2Fe14B、富Nd相、Nd1.1Fe4B、Nd2O3缺点：耐蚀性差，居里温度低(312)，磁感应强度温度系数大，材料使用温度低不超过(150)性能与结构的关系v矫顽力v
11、剩磁改进措施v调整合金成分v新的 制备工艺铁基稀土永磁体v调整合金成分：(Nd,R)-(Fe,M1,M2)-B 取代元素vDy、Tb取代Nd）vCo、Ni、Cr取代Fe v作用：提高主磁化相的内禀特性掺杂元素：提高矫顽力、耐蚀性vM1：Cu、Al、Ga、Sn、Ge、Zn，形成非磁性相vM2：Nb、Mo、V、Cr、Zr、Ti，形成硼化物v改进制备工艺：控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度铁基稀土永磁体vR-Fe-N（C）系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常为Sm或Nd，Er，Y。Sm2Fe17Nx的居里温度可达746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。N以间隙原子形式溶入Sm2Fe17晶
12、格，产生晶格畸变，磁化方向改变，具有单轴磁各向异性；磁晶各向异性场约为Nd-Fe-B的两倍，理论磁能积与Nd2Fe14B相近。Sm2Fe17Nx是亚稳态化合物，在600以上不可逆分解为SmNx和Fe，所以不可能将其制成烧结磁体，只能制成粘结磁体，损失磁性能。粘结磁体的磁性能在很大程度上依赖于制备工艺，用成分为Sm2Fe17N3的磁粉制成的粘结磁体，最大磁能积可达104-152kJ/m3。v由于技术上的问题，使R-Fe-N系永磁合金至今未能实现工业化生产。但优异的磁性能使其很有希望成为新一代永磁材料。铝镍钴系列化学成分及性能永磁材料的应用v 永磁式强力吸力器：静吊2050kg/平方厘米，通过磁短
13、路开关可方便吸吊、卸吊铁器物v 永磁式自动磁选机：可将磁性能不均匀的磁性粉末自动分成等级，或将磁性与非磁性混合粉末分离，粉末颗粒度为级，一次分选两级，通过调整磁辊间隙改变磁场大小，可对粉末进行多次分选永磁材料的应用 扬声器 硬（永）磁直流步进电机磁记录材料(1)v磁记录原理磁记录系统的基本单元v换能器v存贮介质v传送介质装置v相匹配的电子线路。v三种最基本的磁记录信号a.音频信号b.数字信号c.调频信号三种最基本的磁记录信号磁记录磁记录材料(2)1.磁头材料 磁头材料的基本性能要求v 高的磁导率v 高的饱和磁感应强度v 高的电阻率和耐磨性 磁头材料种类v 合金v 铁氧体v 非晶态合金v 博膜材
14、料磁头基本结构后隙；线圈；铁芯；前隙磁记录材料(3)2.磁记录介质材料 磁记录介质的基本性能要求：(1)剩余磁感应强度高：(2)矫顽力适当；(3)磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高；(4)磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄；(5)磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态：(6)磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；(7)基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；(8)磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团。磁记录材料(4)磁记录介质材料的种类v颗粒(磁粉)涂布型介质：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。v连续薄膜
15、型磁记录介质：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种湿法，如电镀和化学镀干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法磁性与磁性材料的发展史v 指南针司马迁史记描述黄帝作战用v 1086年宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等v 1119年宋朝朱或萍洲可谈 罗盘 用于航海的记载v 16世纪W.Gibert，最早的著作De Magnete 磁石v 18世纪奥斯特 电流产生磁场v 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流v 安培定律构成电磁学的基础,磁性与磁性材料的发展史v 电动机、发电机等开创现代电气工业v 1907年P.Weiss的磁畴和分子场假说v 1919年巴克豪森效应v 1928年海森堡
16、模型，用量子力学解释分子场起源v 1931年Bitter在显微镜下直接观察到磁畴v 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体v 1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体磁性与磁性材料的发展史v 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构v 1946年 Bioembergen发现NMR效应v 1948年 Neel建立亚铁磁理论v 1954-1957年 RKKY相互作用的建立v 1958年 Mssbauer效应的发现v 1960年 非晶态物质的理论预言v 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金磁性与磁性材料的发展史v 1970年 SmCo5稀土永磁材
17、料的发现v 1982年 扫描隧道显微镜,Brining和Rohrer,(1986年,AFM)v 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川)v 1986年 高温超导体，Bednortz-mullerv 1988年 巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibichv 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3v 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki磁及磁现象的根源v 磁及磁现象的根源是电流，或者说，磁及磁现象的根源是电荷的运动。v 所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。无论轨道运
18、动还是自旋运动都会产生磁矩。v 原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1658左右。v 与物质磁矩相关联的各种现象称为磁现象。v 物质磁性及磁现象的主要根源是电子的运动。v 尽管不存在与单位电荷量相当的“磁荷”，但存在最基本的单位磁矩。磁学基本概念v 磁极强度v 磁场及磁场强v 磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率v 磁通密度（磁感应强度）与磁通量v 磁势Vm、磁动势，磁阻Rm，磁导磁极强度v两个磁极间的磁作用力v 磁极强度单位Wb（韦伯）：两个磁极强度相等的磁极，若相距1m时其间的作用力为6.35104N，则对应的磁极强度为1 w
19、b磁场及磁场强度v磁场：对磁极产生磁作用力的空间为磁场v磁场强度：磁场强度在数值上等于每1Wb磁极所受磁场力的大小。v磁场强度的方向和大小：用磁力线表征，磁力线上某点的切线方向表征该点磁场强度的万向，用磁力线的疏密表征磁场强度的相对大小磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率v磁化：将磁体，如铁片等，接近永磁体的磁极时，与永磁体靠近的铁片的一端会出现与永磁体相反的磁极，从而产生吸引作用v磁矩的定义为：MiqmL（wb*m）磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率v具有磁矩的磁极对称为磁偶(magnetic dipole)v磁化强度：单位体积中磁偶矩的总和v磁化率：磁性体的磁化强度相对于磁场强度H，可近
20、似表示为v磁导率：磁性体的磁通密度可表示为Wb/m2相对磁化率和相对磁导率v相对磁化率(relative susceptibility)v相对磁导率(relativive permeability)磁通密度（磁感应强度）与磁通量v磁通密度B的定义：单位特斯拉B=0(H+M)Tv左手法则v特斯拉的定义：当流经1A的电流时，单位长度上的作用力为1N时，所对应的磁通密度为1T。v磁通或磁通量(wb)：=BS，或罗仑兹力、左手法则、磁通磁势Vm、磁动势，磁阻Rm，磁导v磁势Vm：v磁动势：是磁路中任意两点间磁势的差值，类似于电路中的电压。v磁阻Rm：磁动势与磁通的比值称为磁阻v磁导：磁通与磁动势Vm的
21、比值，类似于电路中的电导。是反映材料导磁能力的一个物理量磁学及电学个基本量的比较物质的磁性v 物质磁性分类 铁磁性 亚铁磁性 顺磁性 反铁磁性（或抗磁性）完全反磁性磁性的分类及产生机制铁磁性、亚铁磁性v铁磁性：在外磁场作用下才表现出很强的磁化作用，像Fe，Co，Ni等，属于本征铁磁性材料，在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋向一致。v亚铁磁性：大小不同的原子磁矩(图中分别用A，B表示)反平行排列，二者不能完全抵消(从而形成原子磁矩之差)，相对于外磁场显示出一定程度的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性。各种铁氧体顺磁性v 许多物质的相对导磁率r，按式r=/0，与1相比为非常小的正数，这类物
22、质所具有的磁性为顺磁性。如氧气的r为410-7，白金为310-3，顺磁性物质的相对导磁率一般在r=10-510-2范围内。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。顺磁性物质(T)的两种类型=C/T=C/(T-p)反铁磁性（或抗磁性）v反磁性是指在外加磁场作用下，物质中产生的原子磁矩方向与外加磁场方向相反。其相对磁化率为负值，v产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所
23、引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的v原子所具有的反磁性特点在任何物质中都是存在的，只不过是在铁磁性反铁磁性、顺磁性等物质中，反磁性被原子磁性所屏蔽而已完全反磁性v完全反磁性：物质中完全不能进入磁通量的性质v具有这种完全反磁性的物质为第一类超导体，这种物质处于超导状态时，表现为完全反磁性v模型：当第一类超导体处于超导状态并施加外磁场时，由于电磁感应，在其表面数十纳米深度范围内会出现108Acm2程度的大电流密度的电流。如图所示，根据右手定则，此电流会产生感应磁场，产生的磁场可完全抵消外加磁场，进而出现完全反磁性。实际上，外加磁场只能进人物质表层，其深度约数十纳米，例如Pb为37n
24、m，Nd为39nm，从宏观角度看，这一深度完全可以忽略磁畴与磁畴壁v磁畴的结构：磁畴由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成；磁畴由磁畴壁隔开，对于Fe来说，厚度大约为100到几十个原子层，厚度大约为10-810-6mv磁畴内原子磁矩一致整齐排列。在材料未被磁化时，磁畴之间原子磁矩方向各不相同。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。v磁畴壁处原子磁矩排列：在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大
25、，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。磁畴的结构磁畴壁处原子磁矩排列磁滞回线v磁滞回线：铁磁材料在经过充磁、退磁、反向充磁、再退磁周期性变化时，所获得的关于磁感应强度（横坐标）相对于磁场强度（纵坐标）变化的闭合曲线v磁化过程v退磁过程磁化过程v初始磁化曲线与可逆磁化区v初始滋导率i：BHivBarkhausen效应v最大磁导率maxv饱和磁化强度Ms与旋转磁化区退磁过程v剩余磁化强度v矫顽力Hc磁感矫顽力BHc内禀矫顽力MHc磁滞回线磁学各向异性v磁学各向异性：磁学特性随材料的晶体学方向不同而不同v直角型磁滞回线与线型磁滞回线磁滞过程中的概念v起始磁导率：磁性体在磁中性状
26、态下磁导率的极限值。v饱和磁感应强度：(饱和磁通密度)磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场（基本上达到磁饱和时的磁场）下的磁感应强度。v剩磁感应强度：从磁性体的饱和状态，把磁场（包括自退磁场）单调的减小到0的磁感应强度。磁滞过程中的概念v磁通密度矫顽力：是从磁性体的饱和磁化状态，沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度，使磁感应强度B减小到0时的磁感应强度。v内禀矫顽力：从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0的磁场强度。v磁能积：在永磁体的退磁曲线上的任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积。磁化强度随温度的变化关系v温度系数：在两个给定温度之间，被测的变化量除以温度变化量。v磁导率的比温度系数：磁导率的温度系数与磁导率的比值。v居里温度：在此温度上，自发磁化强度为零，即铁磁性材料（或亚磁性材料）由铁磁状态（或亚铁磁状态）转变为顺磁状态的临界温度。磁化曲线及磁畴模型Barkhausen效应概述v 材料的磁性：物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性v 磁性起源：核外电子系统的“轨道磁矩”和“自旋磁矩”v 磁性分类铁磁性亚铁磁性反铁磁性顺磁性抗磁性材料的磁性v 铁磁性(铁磁性与亚铁磁性)v 平行磁矩、反平行磁矩以及磁畴的构成v 弱磁性(反铁磁性及顺磁性)v 反磁性v 完全反磁性磁性分类及其产生生机制Thanks！
