第3章材料的磁学 (2)PPT讲稿.ppt

第3章材料的磁学(2)1第1页，共75页，编辑于2022年，星期二u u 磁性与磁学磁性与磁学磁性与磁学磁性与磁学 磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均具有具有“磁性磁性”，本质上来源于，本质上来源于电子磁矩电子磁矩。材料的磁学：材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。，促进对材料磁性的利用和开发。u u 磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料 基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。磁性材料已经磁性材料已经形成了一个庞大的家族，形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；记忆磁、压磁等；按材料构成来划分，按材料构成来划分，有合金磁性材料，铁氧体磁性材有合金磁性材料，铁氧体磁性材料料。2第2页，共75页，编辑于2022年，星期二3第3页，共75页，编辑于2022年，星期二3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.1.1 原子的磁性原子的磁性量子力学哥本哈根学派领袖，1922年获诺贝尔物理学奖，师从卢瑟福，弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道等诺贝尔奖获得者 Bohr(1885-1962)4第4页，共75页，编辑于2022年，星期二JJ耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用强，先相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩磁矩；（Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用弱，先相互作用弱，先各自耦合为总各自耦合为总L、总、总S，再叠加为原子总，再叠加为原子总磁矩磁矩；（Z33)LS耦合耦合:原子总磁矩原子总磁矩:朗德因子朗德因子:原子总角动量：原子总角动量：5第5页，共75页，编辑于2022年，星期二6第6页，共75页，编辑于2022年，星期二3.1.2 材料材料(固体固体)的磁性的磁性原子磁矩原子磁矩磁化强度磁化强度铁磁性铁磁性顺磁性顺磁性材料材料器件器件磁畴磁畴单晶单晶多晶多晶微微观观宏宏观观原子原子晶胞晶胞7第7页，共75页，编辑于2022年，星期二(2)磁矩（磁矩（m）环形电流周围的磁场环形电流周围的磁场 定价于定价于磁偶极子周围的磁场磁偶极子周围的磁场:3.2 磁学量及材料磁性分类磁学量及材料磁性分类NSNS3.2.1 磁学量磁学量 电场强度电场强度 E电偶极距电偶极距磁偶极矩磁偶极矩(1)磁场强度磁场强度 H二者均与二者均与介质无关介质无关NS8第8页，共75页，编辑于2022年，星期二静磁能静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：磁力矩磁力矩:磁矩磁矩m在外磁场在外磁场H中受到一个中受到一个 转动力距，以降低磁势能，直至转动力距，以降低磁势能，直至U最小最小9第9页，共75页，编辑于2022年，星期二(3)磁化强度磁化强度 M=0 MM=0 MS S 磁化：磁化：在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在磁力作用在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏观磁矩被诱导出宏观磁矩M，从而显，从而显示宏观磁性的过程示宏观磁性的过程。磁化强度：磁化强度：HS S NN 磁化率磁化率/系数系数M=MM=MS SHN S M=0M=010第10页，共75页，编辑于2022年，星期二 外加磁场外加磁场H在介质中感应的磁场大小在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）（磁力线密度）B，是外磁是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，场与内部磁化强度综合作用的结果，与介质有关。与介质有关。对于真空：对于真空：对于磁介质：对于磁介质：（4）磁感应强度）磁感应强度 B真空磁导率真空磁导率相对磁导率相对磁导率11第11页，共75页，编辑于2022年，星期二物质磁学和电学基本量的比较物质磁学和电学基本量的比较磁学量电学量磁磁 化化：磁介质在磁场中感生磁极磁介质在磁场中感生磁极磁场强度磁场强度：（真空）（真空）磁化强度磁化强度：磁感应强度：磁通密度磁感应强度：磁通密度 绝对磁导率绝对磁导率：相对磁导率相对磁导率：磁磁 化化 率率：极极 化：电介质在电场中感生电荷化：电介质在电场中感生电荷电场强度电场强度：（真空）（真空）极化强度极化强度：电感应强度电感应强度：电通密度电通密度/电位移矢量绝对电容率绝对电容率：相对电容率相对电容率：极极 化化 率率：相对介电常数介电常数12第12页，共75页，编辑于2022年，星期二3.2.2 物质的磁性分类物质的磁性分类 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根据据 的关系，作出的关系，作出磁化曲线磁化曲线。（1）抗磁体）抗磁体在磁场中受微弱斥力。在磁场中受微弱斥力。金属中一般简单金属为抗磁体。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体经典抗磁体：不随温度变化，不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体反常抗磁体：随温度变化，如铋、随温度变化，如铋、镓、锑等。镓、锑等。（10-6）13第13页，共75页，编辑于2022年，星期二（2）顺磁体）顺磁体 （10-6 10-3）在磁场中受微弱吸引力。在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体正常顺磁体：其：其 随温度变化符合反比关系，如金属铂、钯、奥氏体随温度变化符合反比关系，如金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。不锈钢、稀土金属等。与温度无关的顺磁体与温度无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。，如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）如铁、钴、镍等。如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此此临界温度临界温度称为称为居里温度居里温度或或居里点居里点，用，用Tc表示。表示。所以，所以，居里温度居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。14第14页，共75页，编辑于2022年，星期二（4）亚铁磁体）亚铁磁体（值没有铁磁体那样大）值没有铁磁体那样大）磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。亚铁磁性材料：亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。（5）反铁磁体）反铁磁体（是小的正数。）是小的正数。）温度低于某温度时，它的磁化率同磁场温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。顺磁体。如如 、铬、氧化镍、氧化锰等。、铬、氧化镍、氧化锰等。MnO15第15页，共75页，编辑于2022年，星期二3.3 铁磁性和反铁磁性铁磁性和反铁磁性3.3.1 铁磁性铁磁性 1.分子场与自发磁化分子场与自发磁化 2.量子直接交换作用量子直接交换作用 3.居里温度居里温度3.3.2 反铁磁性反铁磁性 1.量子间接交换作用量子间接交换作用 2.反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性16第16页，共75页，编辑于2022年，星期二1.分子场与自发磁化分子场与自发磁化铁磁性特点：铁磁性特点：1）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显示磁性，）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显示磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；2）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充磁，这种）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充磁，这种磁性会消失。磁性会消失。为什么？为什么？1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：年，外斯提出铁磁性的分子场理论：（1）分子场假说）分子场假说 铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原子，使内部铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下自发产生的磁化各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下自发产生的磁化，称为称为自发磁化自发磁化。自发磁化，用矢量。自发磁化，用矢量自发磁化强度自发磁化强度 表示，其大小等于饱表示，其大小等于饱和磁化强度和磁化强度 。1907,Weiss17第17页，共75页，编辑于2022年，星期二（2）磁畴假说）磁畴假说 由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化自发磁化矢量矢量 必必然然分区存在、相互抵消分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的这些区域即所谓的“磁畴磁畴”。所谓所谓磁化磁化，是，是借助外加磁场作用，借助外加磁场作用，将自发磁化调整到外场方将自发磁化调整到外场方向（显示出来）而已向（显示出来）而已，并非向其提供额外磁性，并非向其提供额外磁性。磁化磁化18第18页，共75页，编辑于2022年，星期二根据根据Boltzmann统计，统计，Weiss导出导出其中，布里渊函数其中，布里渊函数n原子体积浓度原子体积浓度（3）外斯（）外斯（Weiss)理论理论19第19页，共75页，编辑于2022年，星期二2.量子直接交换作用量子直接交换作用贡献于电子贡献于电子云重叠部分云重叠部分Fe Fe 20第20页，共75页，编辑于2022年，星期二K 是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能库仑能。A 是两个氢原子中电子交换所产生的是两个氢原子中电子交换所产生的交换能交换能，与电子云重叠的程度有关。，与电子云重叠的程度有关。a(1)-a原子中的电子原子中的电子1的波函数。的波函数。b(2)-b原子中的电子原子中的电子2的波函数。的波函数。a(2)-b原子中的电子原子中的电子2在在a原子的波函数。原子的波函数。b(1)-a原子中的电子原子中的电子1在在b原子的波函数。原子的波函数。电子自旋角动量矢量电子自旋角动量矢量21第21页，共75页，编辑于2022年，星期二当 A 0 时，自旋反平行为基态，这是氢分子情形 A 0 时，自旋平行为基态，这是可能出现铁磁性的条件海森海森伯的讨论就从交换能开始。伯的讨论就从交换能开始。其中，后面一项我们称作交换能交换能 虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用，但从氢分子的例子中可虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用，但从氢分子的例子中可以看出：它起源于原子之间的库仑相互作用以看出：它起源于原子之间的库仑相互作用Vab，交换能与磁矩间的交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果联系完全是泡利原理的结果。由于泡利原理，自旋取向的不同。由于泡利原理，自旋取向的不同决定了电子空间分布的不同（对称或反对称），从而影响了库决定了电子空间分布的不同（对称或反对称），从而影响了库仑相互作用。所以分子场当作一个磁场作用来看虽具有难以理仑相互作用。所以分子场当作一个磁场作用来看虽具有难以理解的巨大强度（解的巨大强度（103T)，但从量子力学效应来看，这是很自然的。，但从量子力学效应来看，这是很自然的。22第22页，共75页，编辑于2022年，星期二 假设：N个原子组成的系统中，每个原子只有个原子组成的系统中，每个原子只有一个电子对铁磁性有贡献，一个电子对铁磁性有贡献，只考虑不同原子中电只考虑不同原子中电子的交换。子的交换。N个电子系统的交换能：个电子系统的交换能：由于交换作用是近程作用由于交换作用是近程作用，只对近邻求和只对近邻求和:证明，证明，Weiss的分子场可表达为：的分子场可表达为：z是最近邻原子数目是最近邻原子数目二二.Heisenberg 铁磁理论铁磁理论量子力学奠基人之一，1932年获诺贝尔物理学奖，师从索末菲、波恩、波尔，弟子有诺贝尔奖获得者布洛赫等Heisenberg (1901-1976)192823第23页，共75页，编辑于2022年，星期二I.物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳未充满的电子壳 层层，即有原子磁距。（即有原子磁距。（Si0）II.物质具有铁磁性的充分条件是物质具有铁磁性的充分条件是 A0，这里，这里A 可以理解为广可以理解为广义的或等效的交换积分，且交换能可以表示为：义的或等效的交换积分，且交换能可以表示为：交换积分及铁磁性条件交换积分及铁磁性条件:24第24页，共75页，编辑于2022年，星期二25第25页，共75页，编辑于2022年，星期二3.居里温度居里温度MsTTc铁磁性物质铁磁性物质Ms与温度的关系与温度的关系物物质质Ms(A/m)Tc(K)Fe1.741061043Co1.431061403Ni5.1106631 铁电性物质的饱和极化强度饱和极化强度有类似规律26第26页，共75页，编辑于2022年，星期二3.3.2 反铁磁性反铁磁性1.量子间接交换作用量子间接交换作用MnOMn2+O2-Mn2+Mn2+O2-Mn2+3d52p63d5Mn+O-Mn2+(a)基态基态 (b)激发态激发态间接交换作用示意图间接交换作用示意图A0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；发磁化（铁磁性）；当当A0，要求反向排列（反铁磁性）要求反向排列（反铁磁性）（畴壁尺度）（畴壁尺度）39第39页，共75页，编辑于2022年，星期二（3）磁晶各向异性能磁晶各向异性能 E k 在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不同在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的的，称为磁晶各向异性，因此消耗的磁化功磁化功不同。不同。（单晶尺度）（单晶尺度）40第40页，共75页，编辑于2022年，星期二、为为M与三个晶轴的方向余弦，与三个晶轴的方向余弦，K0、K1、K2代表晶体各向代表晶体各向异性常数。异性常数。磁晶各向异性起源磁晶各向异性起源，可按自旋轨道相互作用模型解释：一、，可按自旋轨道相互作用模型解释：一、电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向于在晶体间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排列在易磁方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排列在易磁化方向上。化方向上。41第41页，共75页，编辑于2022年，星期二（4）退磁能退磁能 E d 形状各向异性能形状各向异性能 铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在内部内部产生一个产生一个退磁场退磁场Hd，其方向与磁化强度其方向与磁化强度M、外加磁场、外加磁场H相反，起抵消作用。相反，起抵消作用。SSNNHdHM（宏观、单晶尺度）（宏观、单晶尺度）在退磁场在退磁场Hd中，中，物质具有退磁能物质具有退磁能Ed:退磁因子退磁因子42第42页，共75页，编辑于2022年，星期二球形样品：球形样品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品：棒状样品：ab=c,b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄片样品：薄片样品：abb,c,Nx=1,Ny=Nz=0 退磁因子退磁因子N有有方向性方向性，故与材料，故与材料形状有关形状有关：xx 解释解释Bloch壁，壁，Neel壁壁 退磁场退磁场Hd的存在抵消了磁化强度的存在抵消了磁化强度M，故对磁化起阻碍作用。，故对磁化起阻碍作用。退磁因子退磁因子N越大，材料越难磁化。越大，材料越难磁化。x43第43页，共75页，编辑于2022年，星期二（5）磁弹性能磁弹性能 E 材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长/收缩收缩，这一过程，这一过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，物体内部将如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、杂质等都可能产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。增加其磁弹性能。磁化时磁化时,微元遭受微元遭受磁力磁力(体积力体积力)应力应力(面积力面积力)应变应变（磁）（磁）弹性能，弹性能，由下式计算：，由下式计算：磁化方向和应力方向的夹角；磁化方向和应力方向的夹角；饱和磁致伸缩系数；饱和磁致伸缩系数；（磁畴尺度）（磁畴尺度）44第44页，共75页，编辑于2022年，星期二4 4 磁畴成因磁畴成因磁畴成因磁畴成因 交换能交换能（界面能）（界面能）产生自发磁化，产生自发磁化，其磁化强度方向沿晶体的其磁化强度方向沿晶体的易磁化轴排列，产生易磁化轴排列，产生磁晶各向异性能磁晶各向异性能（体积能），（体积能），都达到极小值。都达到极小值。但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，增加体系的但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，增加体系的退退磁能磁能（体积能）（体积能），要破坏自发磁化的形成，要破坏自发磁化的形成。矛矛 盾：盾：磁畴增大，交换能减小，退磁能增大。为了满足总自磁畴增大，交换能减小，退磁能增大。为了满足总自由能最小，铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸。所以，由能最小，铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸。所以，过大的磁畴过大的磁畴要分裂，而过小磁畴要合并要分裂，而过小磁畴要合并。因此，出现磁畴。因此，出现磁畴。ETd假设不考虑假设不考虑E Ek kd045第45页，共75页，编辑于2022年，星期二 (a)整个晶体磁化，整个晶体磁化，Ed大大 (b)磁畴二分，产生磁畴二分，产生1个畴壁个畴壁 (c)磁畴四分，产生磁畴四分，产生2个畴壁个畴壁 Ed,Eex 当当二者相当时，不再分畴二者相当时，不再分畴 (d)封闭畴封闭畴(b)的精细的精细 (e)封闭畴封闭畴(c)的精细的精细 钴单晶磁畴的形成过程钴单晶磁畴的形成过程假设不考虑假设不考虑E Ek k46第46页，共75页，编辑于2022年，星期二3.4.2 3.4.2 技术磁化技术磁化技术磁化技术磁化 技术磁化技术磁化：在磁畴及以上尺度，研究铁磁材料磁畴结构、运动及其：在磁畴及以上尺度，研究铁磁材料磁畴结构、运动及其控制手段的磁化，区别于控制手段的磁化，区别于理论磁化理论磁化而言。而言。技术磁化，一般用技术磁化，一般用磁化曲线磁化曲线和和磁滞回线磁滞回线来表征。来表征。磁势能：磁势能：微小变化微小变化畴壁位移畴壁位移磁畴转动磁畴转动磁化矢量转动磁化矢量转动能量低能量低,小磁场小磁场能量高，大磁场能量高，大磁场 HM M=f(H)47第47页，共75页，编辑于2022年，星期二 在磁场作用下，两种过程均可发生，由于不同材料中发生两种过程的在磁场作用下，两种过程均可发生，由于不同材料中发生两种过程的难易程度不同，也可能在不同磁场范围内以一种过程为主、另一种过程难易程度不同，也可能在不同磁场范围内以一种过程为主、另一种过程为辅。为辅。48第48页，共75页，编辑于2022年，星期二1.畴壁位移畴壁位移1)可逆畴壁位移可逆畴壁位移 结构均匀、内应力小、杂质和缺陷少结构均匀、内应力小、杂质和缺陷少的铁磁材料，畴壁位的铁磁材料，畴壁位移阻力小，在起始磁化（小磁场）时，发生可逆畴壁位移。如果移阻力小，在起始磁化（小磁场）时，发生可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移可恢复，无能量损耗。撤掉磁场，畴壁位移可恢复，无能量损耗。M-H线性变化线性变化，斜率，斜率 。如如金属软磁材料，高金属软磁材料，高 铁氧体材料铁氧体材料等。等。2）不可逆畴壁位移）不可逆畴壁位移 在可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，发生不可逆畴壁位移。在可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，发生不可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移不可恢复，伴随量损耗。如果撤掉磁场，畴壁位移不可恢复，伴随量损耗。由于应力起伏或杂质起伏，使畴壁越过后无以恢复。由于应力起伏或杂质起伏，使畴壁越过后无以恢复。M-H非线性变化，在非线性变化，在巴克豪生区对应最大斜率巴克豪生区对应最大斜率 。HH晶界不移动！晶界不移动！但但会有应变会有应变49第49页，共75页，编辑于2022年，星期二2.磁畴转动磁畴转动 在在不可逆畴壁位移之后，可逆畴壁位移之后，继续增大磁场继续增大磁场，某些情况下，可发生，某些情况下，可发生可逆磁畴转动。可逆磁畴转动。源于磁晶各向异性或应力各向异性等。源于磁晶各向异性或应力各向异性等。M-H非线性变化，斜率逐渐减小。非线性变化，斜率逐渐减小。1)可逆磁畴转动可逆磁畴转动2）不可逆磁畴转动）不可逆磁畴转动 在可逆磁畴转动之后，继续增大磁场，磁化趋于饱和，发生在可逆磁畴转动之后，继续增大磁场，磁化趋于饱和，发生不可逆磁畴转动。不可逆磁畴转动。M-H接近线性变化，斜率趋于最小。接近线性变化，斜率趋于最小。HH晶粒不转动！晶粒不转动！自自发磁化矢量转动发磁化矢量转动50第50页，共75页，编辑于2022年，星期二3.磁化曲线磁化曲线(1)起始或可逆磁化区起始或可逆磁化区oa：线性：线性(2)瑞利区瑞利区ab：偏离线性，不可逆：偏离线性，不可逆(3)最大磁化率区最大磁化率区bc：M剧增，剧增，达到达到 m，剧烈不可逆剧烈不可逆（巴克豪生跳跃）。（巴克豪生跳跃）。(4)趋近饱和区趋近饱和区cd：M缓慢升高，最后趋近缓慢升高，最后趋近一水平线一水平线(技术饱和技术饱和)。(5)顺磁磁化区顺磁磁化区d后后：外场对自发磁化的微弱增强。：外场对自发磁化的微弱增强。51第51页，共75页，编辑于2022年，星期二3.4.3 3.4.3 磁滞现象磁滞现象磁滞现象磁滞现象1.磁滞概念磁滞概念 磁化后，退磁过程中，磁化强度磁化后，退磁过程中，磁化强度M的变化的变化 落后于落后于外加磁场外加磁场H变变化的现象，导致化的现象，导致M-H曲线不能返回起点曲线不能返回起点，叫磁滞。，叫磁滞。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。引起磁滞的根源：引起磁滞的根源：1)不可逆畴壁位移；不可逆畴壁位移；2)不可逆磁畴转动；不可逆磁畴转动；3)反磁化形核；反磁化形核；4)畴壁钉扎畴壁钉扎;残余内应力残余内应力杂质、缺陷杂质、缺陷吸收磁化功HMo52第52页，共75页，编辑于2022年，星期二铁磁体铁磁体H-M磁滞回线磁滞回线铁电体铁电体P-E电滞回线电滞回线退极化曲线退极化曲线2.磁滞回线磁滞回线磁化磁化反磁化反磁化退磁退磁例如，例如，Fe,Co例如，例如，BiTiO3,PZT53第53页，共75页，编辑于2022年，星期二u 分线段：分线段：OAB 磁化曲线磁化曲线，BCDE 反磁化反磁化(CD 正退磁正退磁)EFGB 正磁化正磁化(FG 反退磁反退磁)u 磁滞回线磁滞回线（封闭）：（封闭）：BCDEFGBu 磁化功磁化功：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，内因：克服交换能、磁弹性能。内因：克服交换能、磁弹性能。u 最大磁能积最大磁能积(BH)max 第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。u 硬磁、软磁材料：硬磁、软磁材料：硬磁：高硬磁：高Br、高高Hc，软磁：低软磁：低HC、高磁导率高磁导率 Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯铁硅钢，纯铁 概概 括：括：54第54页，共75页，编辑于2022年，星期二3.技术参数技术参数u 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms 或或Bsu 矫顽力矫顽力Hc：u 剩余磁化剩余磁化Br：u 起始磁化率起始磁化率：u 最大磁能积最大磁能积(BH)max55第55页，共75页，编辑于2022年，星期二7.5 磁性材料及其应用磁性材料及其应用7.5.1 7.5.1 基本属性基本属性1.1.本征属性本征属性 内禀属性内禀属性 (内因内因)-微观微观 晶胞尺度晶胞尺度-组织无关组织无关/不敏感不敏感-基本参数：基本参数：2.2.统计属性统计属性 平均属性平均属性（外因）外因）-介观、宏观介观、宏观 组织及以上尺度组织及以上尺度-组织相关组织相关/敏感敏感-基本参数：基本参数：材料配方材料配方材料制备及材料制备及磁化工艺磁化工艺56第56页，共75页，编辑于2022年，星期二 7.5.2 7.5.2 铁磁材料分类铁磁材料分类1.软磁材料软磁材料 能够迅速响应外磁场变化能够迅速响应外磁场变化（快速磁化），且能低损耗地（快速磁化），且能低损耗地 获得高磁感应强度的材料。获得高磁感应强度的材料。磁极磁极磁路磁路 软磁材料软磁材料Hc40 KA/m.57第57页，共75页，编辑于2022年，星期二 用途：用途：磁路磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、感应圈铁芯。（利用高导磁率、低损耗）磁极磁极：电磁极头、电子计算机开关元件和存储元件等。（利用饱和磁化强度高）电磁屏蔽电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用导磁率高、导电性）磁滞损耗原因磁滞损耗原因：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用 降低磁滞损耗的措施降低磁滞损耗的措施：1）增加纯度，减小不均匀性，）增加纯度，减小不均匀性，2）减小各）减小各向异性，向异性，3）减小电阻率。）减小电阻率。58第58页，共75页，编辑于2022年，星期二 剩磁剩磁电阻电阻磁极磁极导磁导磁磁极磁极导磁导磁中频中频高频高频59第59页，共75页，编辑于2022年，星期二2.2.硬磁材料硬磁材料 被外加磁场磁化后，撤掉磁场，仍被外加磁场磁化后，撤掉磁场，仍能保留较强磁性的一类材料。能保留较强磁性的一类材料。用用 途：途：制造各种永磁体（磁极），以便提供磁场空间；制造各种永磁体（磁极），以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机，磁扣、磁珠；可用于各类电表和电话、录音机、电视机，磁扣、磁珠；可用于举重器、分料器和选矿器中。可用于举重器、分料器和选矿器中。硬磁材料磁滞回线示意图硬磁材料磁滞回线示意图60第60页，共75页，编辑于2022年，星期二FeCrCo61第61页，共75页，编辑于2022年，星期二62第62页，共75页，编辑于2022年，星期二 一、铁镍钴基合金一、铁镍钴基合金 不含稀土不含稀土：Fe-Cr-Co合金合金，Tc高 Al-Ni-Co合金合金，Tc高 含稀土含稀土：NdFeB系，系，SmCo系 -SmCo系：SmCo5烧结永磁体、Sm2Co17多相沉淀硬化永磁体。Br、Hc较大，脆、加工性稍差、造价高。-NdFeB系合金系合金，Nd2Fe14B磁铁王。Br、Hc大，温度稳定性，抗腐蚀性稍差。二、铁氧体二、铁氧体 硬磁铁氧体硬磁铁氧体，Tc中永磁材料分类永磁材料分类63第63页，共75页，编辑于2022年，星期二 64第64页，共75页，编辑于2022年，星期二 一一Al-Ni-Al-Ni-CoCo合金合金 (1960)(1960)它它们们是是含含有有Al、Ni、Co加加上上3%Cu的的铁铁基基系系合合金金,以以磁磁性性能高稳定性好能高稳定性好著称。脆性，铸造著称。脆性，铸造/粉末冶金。粉末冶金。广泛应用的合金永磁体。用于仪表、电机器件上，例如，发电机、电动机、继电器和磁电机；电子行业中的应用如扬声器、电话耳机和受话器。Al-Ni-Co具有高(BH)max=4070kJ/3，高剩磁Br=0.71.35，适中的矫顽力Hc40160kA/m。65第65页，共75页，编辑于2022年，星期二二二 Fe-Cr-Fe-Cr-CoCo合金合金 (1980(1980)它它是是19711971年年KanekoKaneko等等研研制制的的永永磁磁材材料料，它它具具有有良良好好的的延延展展性性和和可可成成型型性性，作作为为冲冲压压件件、薄薄带带材材及及线线材材，由由于于Fe-Cr-CoFe-Cr-Co的的冷冷加加工工变变形形性性好好，允允许许高高速速室室温温成成型型成成杯杯状状，这这是是别别的的合合金金不不能能做做到到的的。它它是是在在Fe-Cr合合金金基基础础上上发发展展的的，Fe-Cr合合金金在在475oC发发生生SpinodalSpinodal分解分解。+，产产生生富富铁铁的的铁铁磁磁相相和和富富铬铬的的、低低磁磁性性相相 ，具有永磁性能具有永磁性能 。但但铬铬使使BrBr、TcTc降降低低，在在Fe-CrFe-Cr合合金金基基础础上上加加入入Co,Co,形形成成Fe-Cr-CoFe-Cr-Co合合金。金。CoCo使使BrBr、TcTc提高提高,SpinodalSpinodal分解温度分解温度提高。提高。66第66页，共75页，编辑于2022年，星期二成分，成分，W/%Bs,THc,kA.m-1(BH)max,kJ.m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.059.215Co-22Cr-1.5Ti1.5650.966.115Co-24Cr-3Mo-1.0Ti1.5466.975.34Co-30Cr-1.5Ti1.2545.439.823Co-33Cr-2Cu1.386.078.067第67页，共75页，编辑于2022年，星期二 三、硬磁铁氧体三、硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体中金属离子处于四面体为中金属离子处于四面体为A A位、八面体为位、八面体为B B位位。从配位情况看，金属离子最近邻都是阴离子，金属离子间电子壳层几乎不能交叠，直接交换作用不适用了，磁性被认为来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。磁磁铅铅石石型型铁铁氧氧体体：一般式是MO.6Fe2O3,这里M代表二价金属Ba、Sr、Pb；常 用 的 为 钡 铁 氧 体(BaO6Fe2O3)、锶 铁 氧 体(SrO6Fe2O3)和铅铁氧体(PbO6Fe2O3)。烧结成型。68第68页，共75页，编辑于2022年，星期二 成分成分Bs,TBs,THc,Hc,kA.mkA.m-1-1(BH)max,BH)max,kJ.m kJ.m-3-3Y30Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5Y25BHY25BH0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1Y30BHY30BH0.380.380.400.4022422424024027.127.130.330.369第69页，共75页，编辑于2022年，星期二 四、稀土永磁体四、稀土永磁体 稀土永磁材料的发展的三个阶段：（1）SmCo5型（2）Sm2Co17型（3）Nd2Fe14B型Br（T）iHc(kA/m)(BH)max(kJ/m3)居里温度(K)铸造AlNiCo1.15127.487.61073SrBa铁氧体0.44230.836.6723SmCo5型0.901194.0143.31013Sm2Co17型1.12549.2246.71093Nd15Fe77B8型1.37825.6418.058570第70页，共75页，编辑于2022年，星期二 Nd2Fe14B晶体结构晶体结构 四方点阵,空间群P42/mnm。a=0.882,c=1.219 nm 对Fe a=b=c=0.286nmNd 4f 46s2原子占4f、4g晶位B 2s22p1原子占据4g晶位，Fe 3d64s2 原子占据4c、4e、8j、16k等六个晶位。左图为左图为1个单胞由个单胞由4个个Nd2Fe14B化合物分子组成化合物分子组成,箭箭头表示原子磁矩头表示原子磁矩。71第71页，共75页，编辑于2022年，星期二 整个晶体可以看作是由富整个晶体可以看作是由富Nd、富、富B与富与富Fe共共6个原子层交替个原子层交替组成的。组成的。Nd和和B仅分布一、四两个层中仅分布一、四两个层中,Fe分布在二、三、五、分布在二、三、五、六层中。六层中。铁在不同晶位上，由于原子之间的间距、近邻同类或铁在不同晶位上，由于原子之间的间距、近邻同类或异类原子数的差异，异类原子数的差异，Fe-Fe、R-Fe和和 R-R原子间交换作用强原子间交换作用强弱不同，其原子磁矩不同弱不同，其原子磁矩不同。B的添加对的添加对Nd2Fe14B 相形成起重要作用相形成起重要作用,当无当无B时合金由时合金由Nd2Fe17加加a-Fe组成组成,当当B为为4at%时时Nd2Fe17 消失消失,形成形成Nd2Fe14B 相相.72第72页，共75页，编辑于2022年，星期二 铸铸态态组组织织NdNd2 2FeFe1414B B：晶晶粒粒内内是是Nd2Fe14 B B相相,晶晶界界是是富富NdNd相相（吸吸引引畴畴壁壁，阻阻止止畴畴壁壁运运动动）,晶晶内内小小颗颗粒粒是是富富B B相相。研研究究认认为为,晶晶界界、空空位位、位位错错等等金金属属的的缺缺陷陷是是畴畴壁壁很很强强的的钉钉扎扎中中心心,将将限限制制畴畴壁壁的的位位移移,从从而而提提高磁体的矫顽力。高磁体的矫顽力。成核理论成核理论：晶粒边界软磁晶粒边界软磁性缺陷区域反性缺陷区域反磁化成核场磁化成核场73第73页，共75页，编辑于2022年，星期二 以Nd2Fe14B四方相化合物为基体的Nd-Fe-B永磁材料，其磁体性能不仅限决于Nd2Fe14B化合物的内禀磁性K1、Ms、Tc，而且还和显微组织及致密度有关，取决于加工工艺。Nd-Fe-B材料的成分若按Nd2Fe14B配比，可获得单相的Nd2Fe14B化合物，但其永磁性能不一定高，因为烧结后的致密度不高,还需要含有富Nd相。富Nd相熔点低,使烧结时发生液相烧结,提高致密度。铸态的Nd15Fe77B8存在Nd2Fe14B基体、富Nd相、富B相及树枝状晶a-Fe。a-Fe为软磁性相,对提高烧结钕铁硼永磁体性能不利，合金铸锭应通过急冷的办法或均匀化来消除a-Fe。新的甩带法可基本消除a-Fe。74第74页，共75页，编辑于2022年，星期二Thanks 7.5.3 7.5.3 铁磁材料的应用铁磁材料的应用75第75页，共75页，编辑于2022年，星期二