第十四讲 技术磁化.ppt

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1、第三章 材料的磁学性能 顾修全本章内容基本磁学性能铁磁性铁磁体的技术磁化铁磁材料的测量与应用磁性材料的研究热点第三节 铁磁体的技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性的因素1.铁磁材料的相互作用能相邻原子电子自旋的交换能磁晶各向异性能磁弹性能退磁场能外磁场能1)交换能2）磁晶各向异性磁晶能磁晶各向异性能磁晶各向异性常数来源于电子自旋与轨道的相互耦合作用及晶体电场效应。3)外磁场能4）退磁场退磁场材料的磁化状态，不仅依赖于它的磁化率，也依赖于样品的形状。有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M 方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称

2、为退磁场Hd。其中N 为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。HHHd退磁场能退磁场能铁磁体在自身退磁场中的能量；静磁能=铁磁体与外磁场的相互作用能+退磁能对于非球形样品，沿不同方向磁化时退磁场能大小不同，这种由形状造成的退磁场能随磁化方向的变化，通常也称为形状各向异性能。退磁场能的存在是自发磁化后的强磁体出现磁畴的主要原因。4）磁致伸缩磁致伸缩：铁磁体在磁场中被磁化时，形状和尺寸都发生变化的现象。原因：当原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整引起的。磁致伸缩系数：磁弹性能：磁致伸缩效应将使材料内部产生拉（或压）应力，磁致伸缩效应将使材料内部产生拉（或压）应力，因而产生因而

3、产生磁弹性能。磁弹性能。磁弹性能 饱和磁致伸缩系数s：随着外磁场强度的增强，铁磁体的磁化强度增强，这时 也随之增大，当磁化强度达到饱和值Ms 时，=s，称为饱和磁致伸缩系数。对于一定的材料，s 是一个常数。实验表明，对 s 0的材料进行磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，则有利于磁化，而加压应力则阻碍其磁化；对 s 0的材料，则情况相反。也是一个具有各向异性的物理量，如单晶铁和单晶镍沿不同晶向磁化时，其 值不同。磁致伸缩系数磁滞伸缩的内在机理自发形变（自发磁滞伸缩）场致形变（磁致伸缩）形状效应 由于交换作用所引起的，当温度低于居里点时，由于交换相互作用产生自发磁化，同时将产生自发的磁滞伸缩。它是各

4、向同性的，表现为体积的变化。在居里点以下，磁矩的有序排列所表现出来的各向异性能。为了降低退磁能，样品的体积要缩小，并且在磁化方向上要伸长以减小退磁因子的一种现象。磁弹性能指在磁滞伸缩过程中，磁性与弹性之间的耦合作用能。分析表明，计入磁致伸缩后，在对形变张量只取线性项近似的情况下，磁晶各向异性能的形式并未发生变化，所变化的仅是各向异性常数的数值稍有改变。5）应力能 当铁磁晶体受到外应力作用或者内部存在应力时，还将产生由应力引起的形变，从而出现应变能。第三节 铁磁体的技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性的因素2.磁畴磁畴：未加磁场时铁磁体内部已 经到饱和状态的小区域。特征：磁

5、矩同方向。晶粒晶粒磁畴壁：相邻磁畴的界限。晶界晶界主畴、副畴180畴、90畴1809090（a）（b）（c）磁畴壁的种类布洛赫壁磁偶极子的磁矩在畴壁法线方向的分量不变，磁偶极子是在畴壁面内旋转。尼耳畴壁磁矩垂直于膜面将会产生很大的退磁场，因此在畴壁中磁矩的过渡在膜面内进行，磁矩没有垂直于膜面的分量。磁畴壁的厚度W0N0NECrEK磁畴壁越厚，则壁的交换能ECr 越低；但磁畴壁厚度的增加也将会导致磁晶能EK 增加，使壁倾向变薄。畴壁能的最小值所对应的壁厚畴壁能的最小值所对应的壁厚N0为平衡状态时壁的厚度。为平衡状态时壁的厚度。畴壁能畴壁能=磁交换能磁交换能+磁晶能磁晶能当铁磁晶体形成磁畴时，虽然

6、降低了退磁场能，但增加了畴壁能。对大块晶粒来说，后者比前者要小很多，因此分畴在能量上是有利的。为了最大限度地减小退磁能，磁畴必须形成三角畴的封闭结构，即呈封闭磁路，这样可使退磁能等于零。磁畴的起因与结构磁畴结构类型的不同是铁磁质磁性千差万别的原因之一。以铁磁单晶体为例：磁畴的形成是能量最小原则的必然结果，即形成磁畴是为了降低系统的能量。磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。单晶体的磁畴结构示意图单晶体的磁畴结构示意图降低退磁能减小畴壁能减小磁弹性能不均匀物质中的磁畴多晶体中的磁畴示意图多晶体中的磁畴示意图多晶体中的每一个晶粒都

7、可能包含许多磁畴，整个材料内部磁通保持连续，形成闭合回路。就整体上来说，材料对外显示各向同性。若晶粒尺寸逐渐减小，体系的自由能中畴壁能的比重增长，以至当其与因分畴而减小的退磁场能相比拟或超过它时，整个晶粒不分畴在能量上将更有利，这就是单畴颗粒。单畴颗粒的临界尺寸由晶粒自由能的极小值确定。通过计算得到的铁、钴、镍单畴颗粒的临界尺寸的数量级为102埃。磁单畴颗粒研究意义：制备低磁导率、高矫顽力的永磁材料。研究意义：制备低磁导率、高矫顽力的永磁材料。例如，采用粉末冶金法提高材料的矫顽力。例如，采用粉末冶金法提高材料的矫顽力。磁泡第三节 铁磁体的技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁

8、性的因素3.技术磁化和磁滞回线技术磁化的本质：外加磁场对磁畴的作用过程即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向（和）或近似外磁场方向的过程。使铁磁材料的宏观磁性表现出来。技术磁化过程的描述：磁化曲线与磁滞回线。1）铁磁材料的基本磁化曲线磁化的三个阶段在第 I 阶段，外磁场H 较小，磁感应强度B 和磁化强度M 随H 增大缓慢上升，B 与H 基本上是线性关系，磁化是可逆的。称为起始磁化阶段起始磁化阶段。在这一阶段，与外磁场方向成锐角的磁畴能量低，磁畴扩大；而与外磁场成钝角的磁畴缩小。磁畴大小的变化通过磁畴壁的迁移实现。在第 II 阶段：随H 增大，B 和H 都迅速增大，增加很快，并出现最大值。

9、这个阶段是不可逆的，去掉外磁场还保留部分磁化。在第 III 阶段：随H 进一步增大，B 和M 逐渐变缓，变小，并趋向于 0。当磁场强度达到Hs 时达到磁饱和，这时随着H 增大，M 不变。称为饱和磁化阶段饱和磁化阶段。在第二阶段磁畴壁随磁畴的增大而快速移动，称磁畴壁跳跃（巴克豪生跳跃）。与磁场夹角比较大的难磁化磁畴转向夹角较小的易磁化方向。当磁场增大到很大时，所有自旋磁矩通过磁畴壁的跳动来实现，转动到与磁畴成最小夹角的易磁化方向。在这一阶段发生磁畴转动。磁畴由易磁化方向转动到与外磁场一致的方向。这时去除外磁场，磁畴由与外磁场一致的方向转动到易磁化方向。2）技术磁化的两种机制畴壁的迁移磁化（壁移磁

10、化）磁畴的旋转磁化（畴转磁化）MsHMsH易轴方向0壁移磁化转动磁化磁畴壁移动的阻力及产生不可逆磁化的原因磁畴壁移动的阻力：退磁能：由于磁畴迁移使退磁能增大；晶体内部的缺陷、应力及组织不均匀性。产生不可逆磁化的原因：畴壁的不可逆位移(1)应力理论晶体缺陷、位错等以及磁致伸缩和磁各向异性会产生第三种内应力。内应力在晶体中分布是不均匀的，应力在某些微观区域内较高，而另一些微观区域较低。在没有磁化时，畴壁处于应力较低的位置。在外磁场作用下，畴壁发生迁移。当磁畴由一个能谷迁移到另一个能谷，这时畴壁移动是不可逆的。要使畴壁返回原来位置必须施加一定的外磁场，这就是矫顽力。畴壁能和壁移阻力与畴壁位置的关系内

11、应力理论(a)内应力引起畴壁能的不均匀分布(b)180畴壁壁移阻力的变化当磁场高于临界场Hc 时进入不可逆磁化过程，最大磁导率就发生在该阶段。此时畴壁常常发生跳跃式移动，在磁化曲线上表现出大的突变，称为巴克豪森效应。杂杂质质理理论论杂质作用下的畴壁移动示意图杂质是指比基体相磁性低得多的相和气孔。(2)杂质理论 杂质是指弱铁磁相、非铁磁相、夹杂物和气孔。在没有外磁场时，磁畴壁被杂质穿空，减少了畴壁的总面积，降低了畴壁能，相当于杂质对磁畴钉扎作用。在外磁场下，磁畴壁发生弯曲，这时去除外磁场磁畴壁可以回到原来位置；进一步增大外磁场，磁畴壁脱离杂质，运动到下一个杂质位置，这个过程是不可逆的。第三节 铁

12、磁体的技术磁化铁磁体内相互作用能磁畴技术磁化与磁滞回线影响铁磁性的因素4.影响铁磁性的因素温度形变和晶粒度成分、组织及相结构外部环境因素内部因素表示材料铁磁性的参数组织敏感性参数组织不敏感性参数与技术磁化有关的参数，如磁矫顽力Hc、磁化率、磁导率、剩磁感应强度Br等。与自发磁化有关的参数，如饱和磁化强度Ms、饱和磁致伸缩系数s、磁各向异性常数Qc等。1）温度的影响温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增大导致Ms下降。达到居里点时Ms降为零。铁磁性顺磁性升温升温2）形变和晶粒度的影响 冷塑性变形会使金属中点缺陷和位错密度增高，造成点阵畸变加大和内应力升高，因而使组织敏感的铁磁性发生变

13、化。随着形变度的增加导磁率m减小而矫顽力Hc增高，剩余磁感应强度Br在临界变形度(约5%7%)以前随变形度增大急剧下降，而在临界变形度以上则随变形度增大而升高。冷塑性变形的金属经再结晶退火后，各磁性参数都恢复到形变前的状态。形变织构和再结晶织构，使磁性呈现明显的方向性，利用这一特点可提高m和Ms。冷加工变形对工业纯铁磁性的影响 晶粒越细，磁导率越低，矫顽力越高。因为晶界不仅本身原子排列不规则，而且在晶界附近位错密度也较高，造成点阵畸变和应力场，阻碍畴壁的移动和转动。改善铁磁材料的方法：消除铁磁材料中的杂质把晶粒培育到足够大并呈等轴状形成再结晶织构采用磁场中退火3）成分、组织及相结构的影响形成固溶体形成化合物形成多相合金形成固溶体 铁磁性金属溶入抗磁性或弱顺磁性元素时，固溶体 的Ms随溶质组元含量的增加而降低。铁磁性金属溶入强顺磁性组元，当溶质组元含量低时使Ms增大，而含量高时则使Ms降低。铁磁金属中溶入碳、氮、氧等元素而形成间隙固溶体时，随着溶质原子浓度的增加，Hc增加而、Br降低。两种铁磁性金属组成固溶体时，Ms的变化较复杂，其大小不仅与合金的成分而且还与温度有关。形成多相合金 在多相合金中，合金饱和磁化强度Ms是由各组成相的饱和磁化强度以及它们的相对量所决定。式中：Msn为各组成相的饱和磁化强度;Pn为各相的体积百分数。小结磁畴结构技术磁化过程影响铁磁性的因素