特种功能磁性材料.ppt

《特种功能磁性材料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《特种功能磁性材料.ppt（95页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、特种功能磁性材料特种功能磁性材料一、磁记录材料一、磁记录材料二、磁液体材料二、磁液体材料三、磁制冷材料三、磁制冷材料四、磁致伸缩四、磁致伸缩五、巨磁阻材料五、巨磁阻材料六、磁光材料六、磁光材料七、磁性半导体七、磁性半导体一、磁记录材料u磁记录原理u磁信号的记录方式u磁头及材料u磁记录介质及材料u磁泡定义：所谓磁记录是在磁记录介质上，对应要记录下的信息，定义：所谓磁记录是在磁记录介质上，对应要记录下的信息，记录下不同的残留磁化强度。记录下不同的残留磁化强度。基本原理：单磁畴微粒子的磁化方向分布的变化，转化为一个个基本原理：单磁畴微粒子的磁化方向分布的变化，转化为一个个微小永磁体相应的磁极的方向及

2、强度，此永磁体位即最小记录单元。微小永磁体相应的磁极的方向及强度，此永磁体位即最小记录单元。由单磁畴微粒子形成微小永磁体的过程由单磁畴微粒子形成微小永磁体的过程借助微小永磁体进行数字信号记录的原理借助微小永磁体进行数字信号记录的原理磁记录原理磁记录原理磁记录的构成要素及记录再生原理磁记录的构成要素及记录再生原理硬盘的写入硬盘的写入:磁头线圈通电，产生磁场，然后将磁头线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数的磁性物质，这些磁性物质是由无数的“磁畴磁畴”组成的，在外部的磁场作用下，原来杂乱的磁组成的，在

3、外部的磁场作用下，原来杂乱的磁介质内部磁畴开始取向，对外显示磁性。当外介质内部磁畴开始取向，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，由于铁磁性物质的特性，磁部的磁场消失时，由于铁磁性物质的特性，磁畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位具有了具有了“剩磁剩磁”，这就是磁记录的方式。当要，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。会改变

4、。举例：硬磁盘记录原理举例：硬磁盘记录原理IBM硬盘的发展硬盘的发展提高记录密度的途径：盘面和磁头提高记录密度的途径：盘面和磁头磁阻（MR）磁头巨磁阻（GMR）磁头隧道磁阻（TMR）磁头 热搅动导致宏观极性消失 犬牙交错的磁性颗粒产生磁转变噪音 超顺磁效应的表现 磁体粒子的尺寸为纳米级磁体粒子的尺寸为纳米级 水平记录水平记录垂直记录垂直记录将数据数据由水平方式的平躺变成直立于硬盘表面，使磁头在转速不变的情况下，扫描过的数据量更大，从而提高了硬盘的存储密度。数字磁记录方式数字磁记录方式-水平水平/垂直记录垂直记录问题：介质的热不稳问题：介质的热不稳定性、磁头不完全写定性、磁头不完全写入、介质噪声

5、等！入、介质噪声等！用途：是实现电信号和磁信号之间相互转换的用途：是实现电信号和磁信号之间相互转换的电磁能量转换器件。磁记录中实现信息记录和电磁能量转换器件。磁记录中实现信息记录和再生功能的关键部件。再生功能的关键部件。磁记录之磁头概述磁记录之磁头概述磁头材料应具备的条件汇总如下：磁头材料应具备的条件汇总如下：（1）磁导率及饱和磁化强度要高（对输入信号灵敏度高，）磁导率及饱和磁化强度要高（对输入信号灵敏度高，输出信号大）；输出信号大）；（2）矫顽力低（高效率）；）矫顽力低（高效率）；（3）电阻率高（降低高频范围的涡流损耗）；）电阻率高（降低高频范围的涡流损耗）；（4）耐磨性强（长寿命）；）耐磨

6、性强（长寿命）；（5）小型、轻量（使用方便、长寿命、降低磁阻）；）小型、轻量（使用方便、长寿命、降低磁阻）；（6）加工性好。）加工性好。块体型磁头（Mn-Zn铁氧体）MIG(metal in gap)型磁头（由仙台斯特、坡莫合金等合金膜复合而成）积层型磁头（由仙台斯特、坡莫合金等合金膜积层），用于高频磁头电磁感应型非电磁感应型环形磁头薄膜磁头（坡莫合金薄膜），用于高频垂直磁化用薄膜磁头，用于高密度记录磁电阻效应磁头，用于高灵敏度再生光方式交流电流方式磁记录之磁头种类磁记录之磁头种类一、合金磁头材料 含钼坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：饱和磁化强度比铁氧体磁心材料高出很多，因

7、而具有很好的写入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等录像带运动速度很高的场合。电阻率较低，即使在中频下，由涡流造成的磁导率下降也十分显著，因此通常采用薄膜层叠结构。坡莫合金系磁心用薄膜现在主要用电镀、溅射镀膜等方法制作。仙台斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T，电阻率11010-8m。该合金制备的磁头具有高的耐磨性和优良的高频特性。是四磁头录像技术中普遍应用的磁头材料。缺点是对合金成分的变化非常敏感，又硬又脆，难加工，使磁头价格昂贵。二、铁氧体磁头材料 以Mn-Zn和Ni-Zn铁氧体为主，电阻率比大部分金属磁

8、性材料至少要高3个数量级，因此损耗较低，可用在高频领域。硬度Hv达600700，耐磨性高，主要用于制作录像机、数字磁带机、磁盘机和磁鼓的磁头铁心。饱和磁感应强度低，因此在提高记录密度方面有困难。目前应用最多最普遍的是多晶热压铁氧体，其最大缺点是磁头缝隙附近容易产生剥落，从而导致磁记录质量的下降。采用单晶和取向铁氧体抗剥落性得到显著改善，但增加了磁头制造工艺的难度。磁记录之主要磁头材料磁记录之主要磁头材料三、非晶态磁头材料 晶体磁各向异性为零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的内应力，因此矫顽力很低。薄膜化可使涡流损耗变得很小，明显改善高频特性。已开发出耐磨性、耐腐蚀性均优良的实用型非晶态磁头材料，

9、如Co-Nb-Zr（金属-金属系）、Co-Fe-Si（金属-非金属系）。四、微晶薄膜磁头材料 典型的体系为Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等)-X(N,C,B)，由溅射沉积法形成非晶态膜，而后加热形成微晶，通过晶粒微细化，达到磁致伸缩。通过添加X，来抑制晶粒生长，与上述M元素一起实现热稳定性，从而获得更大的饱和磁化强度，用其制作的磁头要比非晶材料更适合高矫顽力磁性介质的高密度特性。五、多层膜磁头材料 将超薄膜周期性积层获得。以Fe-C/Ni-Fe多层膜为例，由于多层膜效应抑制了柱状晶生长（抑制了磁各向异性），微晶化实现了低磁致伸缩。Bs高达2T，Hc也很低，但耐热性差，在500热处理

10、后晶粒长大，软磁性能变坏。六、磁电阻磁头材料 因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向异性小，磁电阻系数大，因此仍是沿用至今的MR磁头材料。高出力高出力高记录密度高记录密度低噪声低噪声高可靠性高可靠性1）饱和磁通密度（）饱和磁通密度（Bs）大）大2）矩形比）矩形比(Br/Bs)大大(Br：残留磁通密度：残留磁通密度)3）矫顽力（）矫顽力（Hc）在磁头可允许的范围内尽可能大）在磁头可允许的范围内尽可能大4）作为磁化反转的单位）作为磁化反转的单位(小磁体小磁体)的体积尽量小，的体积尽量小，而且其大小和分布均匀而且其大小和分布均匀5）磁学特性分布均匀，随机偏差小）磁学特性分布均匀，随机偏差小6）表面平

11、滑，耐磨损、耐环境优良）表面平滑，耐磨损、耐环境优良7）磁学特性对于加压、加热等反应不敏感）磁学特性对于加压、加热等反应不敏感8）化学的、机械的耐久性优良）化学的、机械的耐久性优良9）不容易带电）不容易带电磁记录之磁记录介质概述磁记录之磁记录介质概述用途：用途：磁带，磁盘，磁卡等磁带，磁盘，磁卡等记录介质材料：记录介质材料：颗粒状涂布介质发展到薄膜型介质颗粒状涂布介质发展到薄膜型介质记录方式：记录方式：纵向记录；垂直记录纵向记录；垂直记录基本要求：基本要求：见下表。见下表。磁记录之磁记录介质材料磁记录之磁记录介质材料一、颗粒状涂布介质一、颗粒状涂布介质结构结构磁性粉要求：磁性粉要求：单畴单畴(

12、0.041m)，针状，针状(磁晶各向异性好，矫顽磁晶各向异性好，矫顽力高力高)-Fe2O3粉末粉末制备方法（见左图）制备方法（见左图）形态特征：形态特征：0.60.8微米，长短轴比为微米，长短轴比为6的针状颗粒，颗粒小记录性能好的针状颗粒，颗粒小记录性能好基本性能：矫顽力基本性能：矫顽力1900028000 A/m，居里点，居里点675。Co的加入提高了材料的矫顽力的加入提高了材料的矫顽力(78000A/m)，但居里温度有所下降，但居里温度有所下降(520)。材 料剩磁（T）矫顽力（A/m）居里点（）用途和磁性层厚度-Fe2O30.0250.11800024000675磁带:512微米Co-F

13、e2O30.1348000520磁盘:12微米CrO20.1340000120磁带:5微米Fe60Co40粉末0.2400001000Co-Ni-P连续膜1.240000磁鼓:0.1微米颗粒状涂布的优点：颗粒状涂布的优点：生产速度快，产量高，成本低；能过磁性组分和非磁性组分的调整可控生产速度快，产量高，成本低；能过磁性组分和非磁性组分的调整可控制介质的性能。制介质的性能。缺点：缺点：磁性颗粒占涂层体积的磁性颗粒占涂层体积的20%-40%，使得涂层的磁性能和记录性能变差；，使得涂层的磁性能和记录性能变差；厚度很难小于厚度很难小于1微米微米，硬盘介质的厚度很难小于，硬盘介质的厚度很难小于0.25微

14、米微米;颗粒分散性难以控制。颗粒分散性难以控制。二、薄膜介质二、薄膜介质磁性液体定义种类特性制备应用二、磁性液体定义定义磁性液体磁性液体(简称磁液简称磁液)就是把用表面活性剂处理过的超细磁性就是把用表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在基液微粒高度分散在基液(载液载液)中形成的一种磁性胶体溶液中形成的一种磁性胶体溶液.又又称磁流体或铁流体称磁流体或铁流体.磁性液体由强磁性微粒、基液以及表面活性剂三部分组成。磁性液体由强磁性微粒、基液以及表面活性剂三部分组成。生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够地小，以致可生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液

15、中作无规则的热运动。以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。对金属微颗粒，通常小于对金属微颗粒，通常小于6nm。为了得到稳定的磁性液体，。为了得到稳定的磁性液体，强磁性微粒必须足够小，如对铁来说，微粒直径要小于强磁性微粒必须足够小，如对铁来说，微粒直径要小于3纳纳米；对米；对Fe3O4来说，直径不能大于来说，直径不能大于10纳米。纳米。选择合适的表面活性剂是制备磁性液体的关键。表面活性剂选择合适的表面活性剂是制备磁性液体的关键。表面活性剂包覆在微粒表面，具有以下作用：包覆在微粒表面，具有以下作用：1.防止磁性颗粒的氧化；防止磁性颗粒的氧化；2.克服范德瓦尔斯力所造成的颗粒凝聚；克服

16、范德瓦尔斯力所造成的颗粒凝聚；3.削弱静磁吸引削弱静磁吸引力；力；4.改变磁性颗粒表面的性质，使颗粒和基液浑成一体。改变磁性颗粒表面的性质，使颗粒和基液浑成一体。对表面活性剂总的要求是，活性剂的一端能吸附于微粒表面，对表面活性剂总的要求是，活性剂的一端能吸附于微粒表面，形成很强的化学键，另一端能与基液溶剂化。不同基液的磁形成很强的化学键，另一端能与基液溶剂化。不同基液的磁性液体要选择不同的表面活性剂，有时甚至需要两种以上的性液体要选择不同的表面活性剂，有时甚至需要两种以上的表面活性剂。表面活性剂。按其所用的磁性微粒分铁氧体型 金属型复合型其他类型种类磁粉型号基液4Ms/(Ka/m)黏度/(Pa

17、.s),25 Fe3O4 CY1-20BCY2-20CCY3-20CCY4-20ECY5-40DCY6-40FCY10-25E 水碳氢化物矿物油精制油二酯基液二酯基液透平油141515152828184612109348133132Fe3O4 Fe3O4-79-1以氟醚酸为活性剂,氟醚油为基液以氟醚酸为活性剂,氟醚油为基液 47.5 43.6MnZn铁氧体Fe3O4PE-3020FV-55 23.9 43.8 我国自行开发的部分氧化物磁液种类及性能我国自行开发的部分氧化物磁液种类及性能基本特性磁 性流动性独特的磁学特性流体力学光学特性声学特性决定磁性液体基本特性的因素是磁性胶体、分散溶剂以及二

18、者之间的不同组合。磁液表现出超顺磁性，本征矫顽力为零，无剩磁。磁液表现出超顺磁性，本征矫顽力为零，无剩磁。磁液在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。磁液在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。当由外部施加磁场时，磁性液体内部的压力会因磁化而上升。当由外部施加磁场时，磁性液体内部的压力会因磁化而上升。无外加磁场且磁性胶体的浓度低时，呈牛顿流动特性。当施加静态的强磁场无外加磁场且磁性胶体的浓度低时，呈牛顿流动特性。当施加静态的强磁场时，磁性液体的黏度一般会增加，并呈现非牛顿流动特性。因此可通过磁场时，磁性液体的黏度一般会增加，并呈现非牛顿流动特性。因此可通过磁场控制黏度。控制黏度。磁性液体的

19、表观密度随外磁场强度的增加而增大。在垂直于磁性液体界面的磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大。在垂直于磁性液体界面的方向施加磁场，由该磁场产生的静磁能可使界面扩张，而使表面张力减小。方向施加磁场，由该磁场产生的静磁能可使界面扩张，而使表面张力减小。磁性液体在磁场中显示磁力线分布的图形磁性液体在磁场中显示磁力线分布的图形超声波在磁液中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，超声波在磁液中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性。呈各向异性。当光通过稀释的磁液时，会产生光的双折射效应和双当光通过稀释的磁液时，会产生光的双折射效应和双向色散现象。向色散现象。磁致热对流：即在磁场中磁液被加热时，其

20、自然对流磁致热对流：即在磁场中磁液被加热时，其自然对流除重力场影响外还要加上除重力场影响外还要加上0JH的影响（的影响（J 为为温度梯度造成的磁化强度变化，温度梯度造成的磁化强度变化，H 为磁场强度）。为磁场强度）。磁液的稳定性超细磁液微粒的稳定性选择好包覆磁液微粒的表面活性剂。正确选择基液：低蒸发速率、低黏度、高化学稳定性、耐高温、抗辐照。抗氧化能力防凝聚磁液的制备基本条件制作工艺颗粒尺寸应小于临界尺寸(10 nm)颗粒在溶剂中要达到一定的表面活性化要求磁性氧化物超微粒子的制作超微颗粒的分散处理（胺系表活剂）磁性金属超微粒子的制作一般以磁铁矿等铁氧体氧化物为主体，由金属盐类水溶液通过共沉淀法

21、制成超微粒。由固体反应所得的铁氧体球 磨分 级含表面活性剂的油中铁氧体金属的醇盐溶于乙醇加水分解构成金属蒸发凝 聚分 级含适量氧的稀薄气体中含胺系界面活性剂的煤油吹入氨气滴入铁羰基化合物相同氨气流下温度上升到130以上氮化铁的超微粒子分散液加热到90具有适合浓度的铁羰基化合物浓缩尺寸均匀的Fe3N4超微 颗粒的磁液其他方法：金属的蒸发凝聚、金属羰基化合物的热分解、金属醇基化合物的分解析出、利用电火花腐蚀（问题多）磁性液体的应用磁液阻尼磁液器件磁液泵磁液悬浮磁液密封磁液的应用 在宇宙飞船的外面常伸出一根轴，轴的端部固定着一架望远镜。飞船内部的压力是大气压力，而舱外的压力却是零，而且处在宇宙的低温

22、下。在这种条件下，用最好的橡胶制成的密封件也只能维持几小时的寿命，而磁性液体密封件的寿命则实际上是无限的。旋转轴动态密封旋转轴动态密封 磁性液体旋转轴动态密封技术是磁性液体较成熟也是最重要的应用之一，现已广泛应用于X-射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的转轴密封。其结构原理见图1。磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。太空人宇航服头盔转动密封应用图图2.磁性液体阻尼器件磁性液体阻尼器件 阻尼器件阻尼器件 利用磁性液体作为旋转与线性阻尼器，以阻尼不需要的系统振荡模

23、式。与一般阻尼介质相比优点在于可挤占籍助外磁场定位。例如在步进马达中使用磁性液体阻尼来消除系统的振荡与共振，使马达精确定位。另外在防振台中使用磁性液体阻尼，可消除外界振动噪音的干扰，以确保精密仪器（天平，光学设备等）正常工作。扬声器扬声器 将磁性液体注入扬声器的音圈气隙对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散，因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高2倍，同时改善频率响应，提高保真度。磁性液体用于金属膜扬声器性能更佳。目前国内许多厂家生产磁性液体扬声器，生产线和磁性液体均从国外进口。若能将磁性液体国产化，必将带

24、来非常可观的收益。选矿分离选矿分离 利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点，可用来筛选比重不同的非磁性矿物（图3）。比重差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离，一般采用水基磁性液体，可重复使用。磁性液体选矿分离示意图磁性液体选矿分离示意图 开关开关 图4为磁性液体无摩擦开关示意图。水银和磁性液体装在一个不导电的容器中，利用外磁场改变水银在容器中的位置，来达到接通和断开电流的目的。图5为不需动力的新型磁性液体离心开关示意图。磁性液体密封在转轴上的非磁性容器中。当转轴静止时，磁性液体位于容器下部，传感器检测不到它；当轴转动时，离心力使磁性液体分布于容器内壁，传感器检测到磁性液体并引发

25、开关动作。图图4.无摩擦开关无摩擦开关 图图5.新型离心开关新型离心开关 精密研磨和抛光精密研磨和抛光 磁性液体研磨是利用磁性液体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面，与待抛光的工件紧密接触。不论工件的表面形状多么特殊，均可用此技术精密抛光。另外还可用来研磨高级Si3N4陶瓷球（图6），效率比传统方法高40倍。传感器传感器 目前有两种商用磁性液体传感器：一种是在石油勘探工业中用来测量钻头的加速和倾斜（图7），另一种是在建筑工业中用来检测地下管道的倾斜（图8）。图图6.磁性液体研磨磁性液体研磨 图图7.磁性液体倾角计磁性液体倾角计 图图8.倾斜传感器倾斜传感器 主要特点：主要特点：1.1.在磁场作

26、用下，可以被磁化；在磁场作用下，可以被磁化；2.2.具有液体的流动性，可以运动。具有液体的流动性，可以运动。3.3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。异性的介质。当光波、声波在其中传播时会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性，此外介电性质也会呈现各向异性。这些都是有别于通常液体的奇异性质。磁磁悬浮列车悬浮列车 上海磁悬浮列车 平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时工程上对磁液的基本要求（1）在使用

27、的温度范围内，具有长期的稳定性。（2）尽可能有高的饱和磁化强度和起始磁导率。（3）一般要求是有低黏度和低蒸汽压，但对阻化器件要求具有一定黏度。（4）在重力场、电场、磁场以及非均匀磁场中具有高度稳定性，并且无明显的凝聚、不发生沉淀和分层。（5）有很好的热学性。（6）无毒性。磁制冷材料u磁制冷产生背景u磁制冷原理u磁制冷材料u磁制冷的应用磁制冷产生背景传统制冷的危害解决途径磁制冷技术1、传统制冷的危害本世纪开始，传统制冷剂氟氯碳类化合物的使用造成地球的保护伞大气臭氧层的严重破坏。1984年科学家们首先在南极上空发现了臭氧层空洞，最近在北极上空也发现了臭氧层空洞。大气中臭氧每减少1%，照射到地面上的

28、紫外线就增加2%，皮肤癌的发病率则增加约4%，此外还会损害人的免疫系统。臭氧层破坏也是全球气候变化的一个重要因素。1987年80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定，为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂。到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。2、解决途径 本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研

29、究开发工作。磁致冷技术，是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（MCE），即磁致冷材料等温磁化时间向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量，达到制冷的目的。磁制冷技术磁制冷技术制冷过程：不断地将热量从被冷却的物体中取出并将其转移的过程。磁热效应(MCE)是磁性材料的一种固有特性，它是将外磁场的变化所引起的材料自身磁熵改变,同时伴随着材料吸热放热过程。原理：当作用有外磁场时,该材料的磁熵值降低并放出热量，反之，当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸收热量。衡量材料磁热效应的参数为等温磁熵变和绝热温度。磁制冷原理物质相变吸热效应半导体温差热效应气体膨胀冷效应

30、目前常用的制冷熵S是系统无序性的量度。当系统经历的过程绝热时，系统的熵变为0。容易理解对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个：一是磁介质本身的温度T；二是施于磁介质的外磁场B。因此，我们可以将磁介质的熵S看成是由两部分组成：一部分受温度的影响，成为热熵，用ST表示；另一部分受磁场B的影响，成为磁化熵，用SB表示；于是系统的熵S=sT+SB.当介质绝热磁化时，介质的磁场由0绝热增达到某一数值，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与磁场B同向平行排列，即系统的磁化熵（无序性）减少了，sB 0。这表明磁介质分子的热运动的剧烈程度增加，介质的温度升高。可见，绝热磁化会使磁介质的温度升高。当绝热去

31、磁时，即在绝热条件下，使介质的磁场迅速下降为0时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状态，即无序性增加，sB变大（sB0）。由于s=0，故sT0。即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。可见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低。根据这种原理来获得低温的方法称为绝热去磁制冷法，通常又简称磁制冷。工程技术中的磁制冷装置如图：磁制冷材料磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。根据磁性材料的性质和各种磁制冷机对材料 的要求的不同，磁性材料在制冷工业中的应用主要有三个方面，即用于20K

32、以下温区的顺磁性工质和用于20K以上温区的铁磁性物质，以及用作15K以下代替铅的蓄新冷饮料。目前，磁致冷材料的研究主要集中于近室温附近。磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属Gd或Gd基合金。低温磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)单晶。使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型，起始致冷温度分别为16K和20K。超低温(10K)的磁制冷材料:顺磁盐,如铁铵钒铬钾钒等,主要是利用它们的绝热去磁来获得超低温.低温(1080K)的磁制冷材料:La系金属及其

33、合金,如NdErTm等,主要利用其居里温度附近的磁热效应来制冷中温(80250K)的磁制冷材料:纯Dy以及一些非晶合金,如Rx(T1,T2)1-x(R为La系金属,T1,T2为过渡族金属),利用其居里温度附近的磁热效应来制冷室温的磁制冷材料:Gd,Ga,Ge等元素的化合物 磁制冷材料的分类与传统制冷相比，磁致冷单位制冷率高，能耗、运动与传统制冷相比，磁致冷单位制冷率高，能耗、运动部件少，工作频率低，可靠性高，特别是无环境污染，部件少，工作频率低，可靠性高，特别是无环境污染，因而被誉为绿色致冷技术。磁致冷应用范围广泛，从因而被誉为绿色致冷技术。磁致冷应用范围广泛，从KK、mKmK及到室温以上均适

34、用。在低温领域，磁致冷及到室温以上均适用。在低温领域，磁致冷技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁致冷较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁致冷在冰箱、空调及超市食品冷冻系统方面有广阔的应用在冰箱、空调及超市食品冷冻系统方面有广阔的应用前景。前景。磁制冷的优点磁制冷的优点磁制冷技术的应用磁制冷冰箱冰箱的原理：冰箱的制冷系统是一个完全密闭的系统，在系统充有制冷剂，如R12、R134a、R600a，这些就是我们常说的氟里昂。这些制冷剂是在系统内经过相变过程，然后进行热量传递，如液体蒸发为气体时需要吸

35、收热量，气体凝结为液体时放出热量，就象水一样，加热时会蒸发出来，变成水蒸汽，当热量散去后水蒸汽会变会水一样。由于在制冷系统中需要在低温状态下吸收热量，如在-30度环境下，这样的温度，采用水作为制冷剂肯定不行，如果水结成冰就不能流动，因此要采用其它的物质。另外，由于蒸发温度与压力有极大的关系，压力高时蒸发温度也高，压力低时蒸发温度也低，如同在高原环境中一样，烧水时极容易开，但水温并不高。所以在制冷系统中，还要采用不同的压力进行区别，如在蒸发过程中采用低压，这样温度就低，在冷凝过程中采用高压，从而生成高温才能将热量排出。为此，在制冷系统中必须有以下部件：压缩机-产生压差，并维持制冷剂的流动，冷凝器

36、-形成高温高压区，并将制冷剂的热量排向外界环境中，毛细管-维持高压和低压之间的压差，并允许制冷剂流通，蒸发器-形成低温低压区，并能从同围环境中吸收能量，也就是冰箱进行制冷。作为冰箱还必须有保温层才行，如果没有一个密闭并保温的环境，冰箱内的温度很难降低，因此需要进行热量隔绝。另外考虑到系统过程中的许多因素，还应设计有贮液器来调整制冷剂的量，设计干燥过滤器来处理制冷剂中的水份和制冷系统中的渣，保证制冷系统能正常运行。系统见图1.压缩机 2.冷凝器 3.干燥过滤器 4.毛细管 5.蒸发器 6.保温层 为了对冰箱进行温度控制，还必须设计有温度控制器，当达到温度要求后，制冷系统就会停止制冷，防止冰箱内温

37、度过低，浪费能量。制冷系统的工作过程如下：当压缩机启动时，就将制冷剂从蒸发器端抽到冷凝器端，使制冷剂变成高温高压的气体，然后经过冷凝器后，变成高温高压液体，经过干燥过滤器后，吸收制冷剂中的水份，然后流过毛细管，变成低温低压的制冷剂液体，它在蒸发器中通过吸收热量，变成气态制冷剂，最后再由压缩机吸走。从而不断如此循环，达到制冷效果。磁制冷冰箱 根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。因此，磁制冷技术是一项很有发展前途的技术。目前，磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，

38、这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为本世纪初的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。磁制冷材料磁制冷材料制冷过程:不断地将热量从被冷却的物体中取出并将其转移的过程.目前在工程中常用的制冷方式有:(1)利用气体的膨胀产生冷效应达到制冷的目的,(2)利用物质相变,如熔化升华汽化磁相变等所产生的吸热效应而实现制冷(3)利用半导体的温差电效应而实现制冷.低温区(小于20K),高温区(大于20K),气体膨胀方式最低温度极限(液氦0.7K)磁热效应(MCE)是磁性材料的一种固有特性,它是将外磁场的变化所引起的材料自身磁熵改变,同时伴随着材料吸热放热过程.原

39、理如下:当作用有外磁场时,该材料的磁熵值降低并放出热量,反之,当去除外磁场时,材料的磁熵值升高并吸收热量.衡量材料磁热效应的参数为等温磁熵变和绝热温度.磁制冷的优点:对大气臭氧层无破坏作用,无温室效应,磁性工质的磁熵密度比气体大,因此制冷装置可以做得更紧湊;用电磁体或超导体及永磁体提供所需的磁场,无需压缩机;没有运动部件的磨损问题,机械振动及噪声较小,可靠性高,寿命长,热效应高,可达到卡诺循环的30%60%,而气体的制冷只达到5%10%.磁制冷材料的分类超低温(10K)的磁制冷材料:顺磁盐,如铁铵钒铬钾钒等,主要是利用它们的绝热去磁来获得超低温.低温(1080K)的磁制冷材料:La系金属及其合

40、金,如NdErTm等,主要利用其居里温度附近的磁热效应来制冷中温(80250K)的磁制冷材料:纯Dy以及一些非晶合金,如Rx(T1,T2)1-x(R为La系金属,T1,T2为过渡族金属),利用其居里温度附近的磁热效应来制冷室温的磁制冷材料:Gd,Ga,Ge等元素的化合物磁制冷技术发展历史1881年,E.Warburg发现在铁中存在磁热效应1907年,P.Langevin发现恒磁体绝热去磁过程中,其温度会降低.1926年,Debye和Giauque都预言可以用磁热效应致冷,随后,Giauque和Macdougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H2O作为介质时进行了绝热退磁的首次实验,达到

41、了0.53K0.1K超低温.1949年Giauque获得诺贝尔化学奖1976年Brown首次采用金属Gd为磁制冷介质,在7T磁场下进行了室温磁制冷实验,开创了室温磁制冷的新纪元.1997年美国Ames实验室的和等发现Gd(SixGe1-x)系合金的巨磁热效应臭氧层破坏及其危害臭氧层破坏及其危害 臭氧层是指距地球表面10至50公里的大气层中由臭氧构成的气层。臭氧是一种气体，其分子结构为三个氧原子，即O3。臭氧层的主要功能在于吸收来自宇宙的紫外线，使地球上的万物免受紫外线幅射的危害，所以，臭氧层被称之为地球的保护伞。但如今，臭氧层已被人类严重破坏，本世纪开始人类大量使用高度稳定的合成化合物，如空调

42、器、冰箱工业、溶剂、航空航天用制冷剂、喷雾剂、清洗剂中含氯氟烃化合的挥发出来，通过复杂的物理化学过程与臭氧发生化学反应而将其摧毁。1984年科学家们首先在南极上空发现了臭氧层空洞，最近在北极上空也发现了臭氧层空洞，臭氧层破坏的直接后果是使太阳辐射的紫外线长趋直入，危害人类及其他生物。科学家们证实：大气中臭氧每减少1%，照射到地面上的紫外线就增加2%，皮肤癌的发病率则增加约4%，此外还会损害人的免疫系统，使人们罹患白内障和呼吸道疾病的可能性增大，同时，也损害海洋生物，阻碍植物生长。最近的环境科学研究结果表明：臭氧层破坏也是全球气候变化的一个重要因素。1987年80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层

43、物质的蒙特利尔议定书规定，为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月加入这个国际公约并作出规定，到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。1987年80多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定：为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月加入这个国际公约并作出规定，到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯

44、碳类化合物。因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术一条解决途径 本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。磁致冷，是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（MCE），即磁致冷材料等温磁化时间向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸收热量，达到制冷的目的。与传统制冷相比，磁致冷单位制冷率高，能耗、运动部件少，工作频率低，可靠性高，特别是无环境污染，因而被誉为绿色致冷技术。磁致冷应用范围广泛，从K、mK及到

45、室温以上均适用。在低温领域，磁致冷技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁致冷在冰箱、空调及超市食品冷冻系统方面有广阔的应用前景 磁制冷技术磁制冷技术 1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化。20世纪80年代以来人们对磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd。1996年在RmnO3钙钛矿化合物中获得磁精变大于Gd的突破，1997年报道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵变可高于金属Gd-倍，高温磁致冷正一步步走向实用化。据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质

46、的磁致冷机。如将磁致冷工质纳米化，可能用来展宽致冷的温区.磁致冷发展的趋势是由低温向高温发展，20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得mk量级的低温，20世纪80年代采用Gd3Ga5012(GGG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.515K的磁致冷，20世纪90年代用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于Fe离子与Cd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁梢变高于GGG，从而成为1530K温区最佳的磁致冷工质。目前，磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为本世纪初

47、的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。磁 能机械能磁致伸缩效应磁致伸缩逆效应磁致伸缩效应：使消磁状态的铁磁体磁化，其尺寸形状会发生变化。沿磁场方向伸长的为正磁致伸缩，缩短的为负磁致伸缩。磁致伸缩逆效应：由于形状变化，致使磁化强度发生变化的现象。二、磁致伸缩2.产生机制磁致伸缩的原因除了单纯的偶极子相互作用外，还要考虑自旋间各种类型的相互作用。磁致伸缩是多种因素平衡的结果。1.唯象理论磁致伸缩现象在单晶体中明显存在，并且各向异性较强。3.与磁致伸缩效应相关的有重要实用意义的物理效应：（1）磁致伸缩效应。（2）磁致伸缩逆效应。（3）长冈-本多效应：

48、由于压力作用，磁化强度发生变化。（4）E效应：由于磁场作用使弹性模量降低的现象。（5）K效应：由于磁场作用使压缩系数变化的现象。（6）G效应：由于磁场作用使弹性系数变化的现象。（7）魏德曼效应：沿着圆管磁致伸缩材料的轴向通以电流，同时沿该轴向施加磁场，则圆管周边扭曲的现象.（8）魏德曼逆效应：使圆管状磁致伸缩材料沿管轴发生周向扭曲，同时沿轴向施加交变磁场，则沿圆周出现交变磁化的现象。（9）阶跃效应：对某些超磁致伸缩材料进行预伸缩，并按一定时间间隔施加磁场，则磁致伸缩量呈阶跃式变化，磁导率也会发生变化。（10）磁致伸缩波的发生及传输效应：若在细长高磁导率材料的一端发生磁场变化dH/dT，则磁致伸

49、缩也会随时间变化，即发生磁致伸缩波（弹性波转化为超声波）。巨磁阻(GMR)效应和超巨磁电阻(CMR)效应对金属及半导体施加磁场会引起电阻变化，这种现象称为磁电阻(magnetoresistance,MR)效应.表征磁电阻大小的物理量为MR比,其定义由磁电阻系数=(RH-R0)/R0=(H-0)/0给出，其中RH(H)为磁场为H时的电阻（率）。R0（0）为磁场为零时的电阻（率）。材料有不同的磁阻，其原因可来自：l电荷受洛仑磁力的作用而改变其行进路径造成电荷与晶格间散射几率增加，此时（H）大于零；l受磁矩在磁场下电子自旋与磁矩间散射状态改变的影响，若样品是铁磁性材料，其磁矩对电荷自旋的散射几率会因

50、为外加磁场的增加而减小，此时（H）小于零；l其他物理原因。XZYABHJXZHYJ(a)(b)AB (a)纵磁阻效应(产生的电流与磁场平行）磁阻效应(b)横磁阻效应(产生的电流与磁场垂直)1988年，Baibich等人在由Fe,Cr交替沉积而 形成的多层膜中，发现了超过50%的MR比，这远远超过了多层膜中Fe层MR比的总和，故称这种现象为巨磁电阻（giant magnetoresistance,GMR）效应。1993年，Helmolt等人又在钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到超巨磁阻（colossal magnetoresistance)效应。新近发现的隧道结巨磁电阻（tunneling mag