第3章材料的磁学精选文档.ppt

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1、第3章材料的磁学本讲稿第一页，共五十二页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及物质均具有“磁性磁性”。材料的磁学：材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科系的学科，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。磁性材磁性材料已经形成了一个庞大的家族，料已经形成了一个庞

2、大的家族，按材料的磁特性来划分，有软磁、按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；永磁、旋磁、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，有合金磁性材料，铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料。本讲稿第二页，共五十二页本讲稿第三页，共五十二页3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性1.原子的磁性原子的磁性本讲稿第四页，共五十二页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，再叠加为耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩原子总磁矩；（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

3、互作用弱，先各自耦合为总各自耦合为总L、总、总S，再叠加为原子总磁，再叠加为原子总磁矩矩；（Z0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；当化（铁磁性）；当J0，要求反向排列（反铁磁性）要求反向排列（反铁磁性）其它条件：其它条件：P304本讲稿第二十五页，共五十二页7.2.3 7.2.3 磁畴与自发磁化磁畴与自发磁化(1)磁畴磁畴 自发磁化（固有磁距平行）源于交换耦合（能）。自发磁化（固有磁距平行）源于交换耦合（能）。交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度方向沿交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度方向沿着晶

4、体内的易磁化轴，使着晶体内的易磁化轴，使磁晶体内交换能磁晶体内交换能和和磁晶各向异性能磁晶各向异性能都达到极小值。但必然在其端面处产生磁极，产生退磁场，从而都达到极小值。但必然在其端面处产生磁极，产生退磁场，从而增加了增加了退磁能退磁能。这个退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。这个退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，以减少退磁能，两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，以减少退磁能，分畴减小了分畴减小了退磁能退磁能，但增加了，但增加了畴壁能畴壁能，故过程将终止于，故过程将终止于二者的二者的平衡平衡。自发磁化自发磁化分分 畴畴不分畴不分畴本讲稿第二十六页，共五十二

5、页 (a)图是整个晶体均匀磁化，退磁图是整个晶体均匀磁化，退磁场能最大场能最大。分为两个或四个平行反向的。分为两个或四个平行反向的自发磁化的区域自发磁化的区域(b),(C)可以大大减少可以大大减少退磁能。退磁能。如果分为如果分为n个磁畴，能量减少个磁畴，能量减少1/n，但是但是相邻磁畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。相邻磁畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域因此自发磁化区域(磁畴磁畴)的形成不可能是无的形成不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值为条件。为条件。形成如图形成如图d，e的封闭畴将进一步降的封闭畴将进一步降低退磁能，但是封

6、闭畴中的磁化强度低退磁能，但是封闭畴中的磁化强度方向垂直单轴各向异性方向，因此将方向垂直单轴各向异性方向，因此将增加各向异性能。增加各向异性能。钴单晶磁畴的形成过程钴单晶磁畴的形成过程本讲稿第二十七页，共五十二页 相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互垂直，称相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互垂直，称为为1800畴壁畴壁和和900畴壁畴壁，在畴壁中磁化矢量是逐步转变的。举，在畴壁中磁化矢量是逐步转变的。举1800畴壁为例，畴壁为例，畴壁交换能畴壁交换能：交换能的面密度：交换能的面密度：a为晶格常数，为晶格常数，Na畴壁厚畴壁厚 磁晶各向异性能密度磁晶各向异性能密度：畴壁

7、总能密度：畴壁总能密度：（2）磁畴壁）磁畴壁 退退 磁磁 能密度能密度：突然反转：突然反转：逐渐转向：逐渐转向：本讲稿第二十八页，共五十二页求能量极小值求能量极小值最佳层数最佳层数对于铁的对于铁的1800畴壁畴壁,0=1800=，得到，得到对铁对铁尔格尔格/厘米厘米2得到得到本讲稿第二十九页，共五十二页 单畴颗粒单畴颗粒：当磁性材料小到某一尺寸，以至于形成单畴的退磁能小于当磁性材料小到某一尺寸，以至于形成单畴的退磁能小于形成多畴的畴壁能时，磁性材料就以单畴（整畴）存在形成多畴的畴壁能时，磁性材料就以单畴（整畴）存在 一个球形的铁磁颗粒的退磁能为一个球形的铁磁颗粒的退磁能为如分为四个畴，畴壁能为

8、如分为四个畴，畴壁能为能量平衡条件：能量平衡条件：单畴临界半径：单畴临界半径：严格解：严格解：S 颗粒表面积，颗粒表面积，a0为晶格常数。为晶格常数。Z对对于简单立方，体心立方，面心立方，分别于简单立方，体心立方，面心立方，分别为为1、2、4。(a)分畴 (b）不分畴分畴分畴不分畴不分畴本讲稿第三十页，共五十二页7.3 磁性材料的动态特征（磁性材料的动态特征（交流磁性能交流磁性能）必要性：必要性：磁性材料尤其是软磁材料在交变磁场条件下工作，磁化过磁性材料尤其是软磁材料在交变磁场条件下工作，磁化过程是动态的，从一个磁化状态过渡到另一磁化状态需要时间。该时间程是动态的，从一个磁化状态过渡到另一磁化

9、状态需要时间。该时间与磁场变化的周期或频率有很重要的关系。因此，需要研究磁化动态与磁场变化的周期或频率有很重要的关系。因此，需要研究磁化动态特征。特征。工程应用：工程应用：电机、变压器铁芯，中高频电子器件，如微波器电机、变压器铁芯，中高频电子器件，如微波器件等等。件等等。目目 的：的：获得动态磁化的一般规律，如损耗机理、磁滞效应及频获得动态磁化的一般规律，如损耗机理、磁滞效应及频率依赖性，设计和正确使用磁性材料尤其是软磁材料。率依赖性，设计和正确使用磁性材料尤其是软磁材料。本讲稿第三十一页，共五十二页DC1kHz10kHzB/TH/Am-1不同频率下不同频率下79Ni4MoFe材料的磁滞回线比

10、较材料的磁滞回线比较 Bm-Hm 1 1、形状大体相似；、形状大体相似；2 2、与频率有关、与频率有关 频率升高，涡流损耗上升，磁损增大，交流幅值磁场减小；回线区频率升高，涡流损耗上升，磁损增大，交流幅值磁场减小；回线区增大（椭圆形），磁化所需的磁场强度增大。增大（椭圆形），磁化所需的磁场强度增大。0.06mm本讲稿第三十二页，共五十二页7.3.1 高频磁导率高频磁导率 磁性材料在交变磁场下磁化，因为损耗的出现，磁感应强度磁性材料在交变磁场下磁化，因为损耗的出现，磁感应强度B B或磁或磁化强度化强度M M一般滞后一个相角一般滞后一个相角，表示为：，表示为：令令tantan 叫做损耗因子，叫做损

11、耗因子，Q Q1 1/tantan，称为软磁材料的品质因子。称为软磁材料的品质因子。弹性磁导率弹性磁导率粘滞磁导率粘滞磁导率本讲稿第三十三页，共五十二页一个周期内，单位铁磁体的平均能量损耗一个周期内，单位铁磁体的平均能量损耗或磁损规律密度或磁损规律密度P耗耗：一个周期内，单位铁磁体储存的平均磁能密度：一个周期内，单位铁磁体储存的平均磁能密度：本讲稿第三十四页，共五十二页 磁滞损耗磁滞损耗 Pn：磁化功，在低频区域最重要的损耗是磁滞损耗(磁滞回线所包围的面积)。磁化强度的幅值很小，对应于瑞利区，磁滞损耗依赖于磁场的幅值。在高频区，作为磁滞损耗的主要来源于，不可逆的畴壁位移（M的转动）被阻尼。涡流

12、损耗涡流损耗 Pe：电磁感应加热引起，功率损耗与频率的平方成正比。减小涡流损耗的一种方法是在与磁化强度垂直的一个或两个方向上减小材料的尺寸，尽量使用薄片或丝，例如硅钢片。提高材料电阻率是减小涡流损耗最有效的方法，例如铁氧体。7.3.2 交变磁场作用下的能量损耗交变磁场作用下的能量损耗本讲稿第三十五页，共五十二页 剩余损耗剩余损耗Pc：在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效引起的。在突然施加磁场H后，磁化强度M的变化被延迟的现象叫磁后效magnetic after-effect。为弛豫时间，表示 B=0Bm所需的特征时间，可用B=00.63Bm时间代表。本讲稿第三十六页，共五十二页 7.4

13、磁性材料及其应用磁性材料及其应用(1)软磁材料软磁材料高磁导率，高饱和磁感应强度，磁高磁导率，高饱和磁感应强度，磁化容易；化容易；矫顽力小（畴壁易运动），磁滞矫顽力小（畴壁易运动），磁滞回线很窄，有剩磁，退磁容易；回线很窄，有剩磁，退磁容易；磁滞损耗低，损耗源于沉淀相和磁滞损耗低，损耗源于沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用杂质对畴壁的钉扎作用7.4.1 7.4.1 铁磁材料分类铁磁材料分类 措施：措施：1 1）增加纯度，减小不均匀性）增加纯度，减小不均匀性2 2）减小各向异性）减小各向异性3 3）减小电阻率。）减小电阻率。按矫顽力分类，按矫顽力分类，Hc40KA/m为永磁材料。为永磁材料。本讲稿第三

14、十七页，共五十二页 软磁材料主要应用软磁材料主要应用磁路磁路：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）本讲稿第三十八页，共五十二页 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低频低频 P324327本讲稿第三十九页，共五十二页 (2)(2)硬磁材料硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料，难于硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。磁化又难于退磁。主要特主要特 矫顽矫顽力大力大，典型值，典

15、型值HcHc104104106A/m106A/m；剩磁大剩磁大，适合做永磁极，适合做永磁极 ；磁滞回线较粗，具有较高的磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积最大磁能积 (BH)(BH)maxmax；硬磁性材料如碳钢、铝镍硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金、稀土永磁体等。钴合金、稀土永磁体等。本讲稿第四十页，共五十二页 本讲稿第四十一页，共五十二页 主要用途主要用途应用应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。主要分为主要分为Fe-Cr-Co合金，Tc高Al-Ni-Co合金，Tc高硬磁铁氧体材料，Tc中稀土永磁材料，Tc低

16、一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差，造价高，因为Co贵。一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料磁能积最高的品种。优点Br、Hc大，缺点是温度稳定性，抗腐蚀性稍差。本讲稿第四十二页，共五十二页 Hc40KA/m为永磁材料为永磁材料本讲稿第四十三页，共五十二页 一一Al-Ni-Al-Ni-CoCo合金合金 (1960)(1960)它们是含有Al、Ni、Co加上3%Cu的铁基系合金,以磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造/粉末冶金。第一章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

17、、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。本讲稿第四十四页，共五十二页二二 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

18、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合金。合金。CoCo使使BrBr、TcTc提高提高,SpinodalSpinodal分解温度分解温度提高。提高。本讲稿第四十五页，共五十二页成分，成分，W/%Bs,THc,kA.

19、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-2Cu1.386.078.0本讲稿第四十六页，共五十二页 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。在铁氧体中金属离子处于四面体为A位、八面体为B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

20、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）。磁铅石型铁氧体：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。本讲稿第四十七页，共五十二页 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.

21、330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5Y25BHY25BH0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1Y30BHY30BH0.380.380.400.4022422424024027.127.130.330.3本讲稿第四十八页，共五十二页 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

22、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1.37825.6418.0585 P333本讲稿第四十九页，共五十二页 铸态组织Nd2Fe14B，组织如图：晶粒内是Nd2Fe14 B相,晶界是富Nd相,晶内小颗粒是富B相。本讲稿第五十页，共五十二页 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。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.本讲稿第五十一页，共五十二页Thanks 本讲稿第五十二页，共五十二页