1、磁性材料,凝聚态物理 制作者：学号：,磁性材料,磁性材料的简史,磁性的介绍,磁性材料的分类,磁性材料的总结,1磁性材料的简史,1磁性材料的简史,1磁性材料的简史,硅钢片,1磁性材料的简史,永磁铁氧体,永磁铁氧体,永磁铁氧体磁性能测试仪,50年代初，随着电子计算机的发展，美籍华人王安首先使用矩磁合金元件作为计算机的内存储器，不久被矩磁铁氧体记忆磁芯取代，后者在6070年代曾对计算机的发展起过重要的作用。,1磁性材料的简史,2磁性的介绍,磁学性能,铁磁性,亚铁磁性,反铁磁性,顺磁性,抗磁性,无磁性,铁磁性是指在外磁场下表现出很强的磁化作用的性质。 铁磁材料的磁化强度与外场的关系即磁滞回线,2磁性的
2、介绍,铁磁材料的自发磁化在居里温度Tc处发生相变, Tc以下为铁磁性, 而Tc以上铁磁性消失。,2磁性的介绍,按材料加工技术进展区分,熔炼铸造技术,粉末冶金,真空镀膜,单原子层控制技术,2磁性的介绍,3磁性材料的分类,磁性材料广义上分为两大类,软磁材料,硬磁材料,软磁材料,软磁材料能够用相对低的磁场强度磁化, 当外磁场移走后保持相对低的剩磁。 软磁材料的矫顽力为400-0116A/m-1, 主要应用于任何包括磁感应变化的场合。,3磁性材料的分类,硬磁材料,硬磁材料是在经受外磁场后能保持大量剩磁的磁性材料,这类磁性材料的典型矫顽力值， Hc为10-1000 kA/m-1, 具有高Hc值的硬磁材料
3、称为永磁材料,主要用于提供磁场。,3磁性材料的分类,磁性材料的技术性能主要有：,饱和磁感应强度,初始磁导率,剩磁矫顽力Hc,损耗p,3磁性材料的分类,从实用的观点出发，磁性材料可以分为：,永磁材料,软磁材料,特磁材料,信磁材料,3磁性材料的分类,1永磁材料,永磁材料又称硬磁材料，这类材料经过外加磁场磁化再去掉外磁场以后能长时期保留较高剩余磁性，并能经受不太强的外加磁场和其他环境因素的干扰。,3磁性材料的分类,3磁性材料的分类,3.1永磁材料,3磁性材料的分类,90 年代全球永磁材料增长率为12% , 预计2000 年产值将达到65 亿美元, 占磁性材料总产值的70% . 永磁材料在电机领域的应
4、用约占50% , 电声为20%, 测量与控制器件约占20%, 其余占10%,3.1永磁材料,3磁性材料的分类,3.1永磁材料,三大系列,AlNiCo,铁氧体,稀土永磁,主要,3磁性材料的分类,标志永磁材料主要性能的最大磁能积的进展大致可用指数函数来描述:,3磁性材料的分类,3.1.1永磁铁氧体,1995 年, 我国永磁铁氧体产量已达815万吨,跃居世界首位。1997年,全球产量约为3513万吨,我国约10万吨。预计2000年全球产量将达40万吨, 我国为15万吨。,3磁性材料的分类,3.1.1永磁铁氧体,回顾永磁铁氧体发展历程, 1952年,各向同性钡铁氧体问世, 1963 年锶铁氧体投入生产
5、, 经过数十年不懈努力, 在合理的基本配方基础上, 通过掺杂与严格工艺有效地控制了显微结构, 使结晶细小、均匀、致密、高取向度, 性能达到很高的水平。,3磁性材料的分类,3.1.1永磁铁氧体,钡铁氧体磁粉,锶铁氧体,3磁性材料的分类,3.1.1永磁铁氧体,FB6系列永磁铁氧体性能,3磁性材料的分类,提高Ms 的另一途径：,Zn 离子取代M 型永磁铁氧体的Fe离子, Zn2+ 择优4f2 晶位, 有利于提高Ms,La3+ 作为电荷补偿, (La3+Zn2+)代换有利于提高Ms 值, 有可能增进(BH)m,3.1.1永磁铁氧体,3磁性材料的分类,3.1.1永磁铁氧体,FB9 高性能锶铁氧体性能,3
6、磁性材料的分类,3.1.2稀土永磁材料,60年代，人们对稀土-过渡族金属间化合物进行了大量的基础研究。1967 年，SmCo5稀土永磁材料问世，70年代，第二代稀土永磁Sm2Co17 研制成功。80 年代，第三代稀土永磁Nd2Fe14B材料以其优异的性能和较低廉的价格奠定了稀土永磁材料在永磁材料中的霸主地位。,3磁性材料的分类,3.1.2稀土永磁材料,稀土永磁虽然磁性能最高, 但居里温度偏低, 通常工作温度低于150 摄氏度 , 剩磁温度系数较高, 为0.13% 每摄氏度 , 而且抗腐蚀性能差. 90 年代后, 人们积极探索新型稀土永磁材料, 以期提高磁性能或降低成本, 并在3：29, 1：1
7、2, 2：17 的氮化物和碳化物中取得了可喜的成绩.,3磁性材料的分类,具有潜在应用前景的新型稀土永磁化合物材料的特性,3.1.2稀土永磁材料,3磁性材料的分类,3.1.2稀土永磁材料,纳米复合双相稀土永磁材料,软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料, 而永磁材料的磁晶各向异性又远高于软磁材料,3磁性材料的分类,3.1.2稀土永磁材料,理论表明：,当晶粒尺寸处于交换耦合尺寸L ex= ( A / K ) 1/ 2 之内时, 晶粒尺寸大致为10nm 左右.交换耦合有可能增大剩磁值,目前实验结果虽已证明交换耦合的存在, 但实际磁能积远低于理论值,虽然性能并不理想, 但由于稀土含量减小, 铁含量增加,
8、有利于降低成本, 此外可以有效地阻止稀土被氧化腐蚀, 增进化学稳定性.,3磁性材料的分类,3.1.2稀土永磁材料,目前稀土永磁的发展有两个趋向:,其一是降低 稀土钴的含量，以降与低成本，提高市场竞争力。,其二是改进和提高性能, 如研制高温下( 400 ) 使用的稀土永磁材料等.,3磁性材料的分类,永磁材料的用途：,基于磁电作用原理的应用主要有：,微波电子管,显像管,钛泵,微波铁氧体器件,磁阻器件,霍尔器件,磁性材料的分类,永磁材料的用途：,基于磁力作用原理的应用主要有：,选矿机,磁性吸盘,磁密封,磁黑板,密码锁,复印机,3磁性材料的分类,3.2软磁材料,矫顽力很低，既容易受外加磁场磁化，又容易
9、退磁的材料称为软磁材料。,软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。,软磁材料的矫顽力与晶粒尺寸的关系见下图,3磁性材料的分类,3.2软磁材料,软磁材料,金属软磁材料,铁氧体软磁材料,3磁性材料的分类,3.2.1金属软磁材料,传统的金属软磁材料有：,电工纯Fe、 Fe-Ni、Fe-Si、Fe-Al、Fe-Co和Fe-Si-Al等合金系列。,电工纯Fe：,它是一类应用较早、价格便宜、易于加工和被大量应用的软磁材料。,3磁性材料的分类,3.2.1金属软磁材料,电工纯Fe主要用于
10、：,我国的电工纯Fe，有普级、高级、特级和超级之分。,Fe-Ni合金：就是坡莫合金 在弱磁场磁化下就显示出高的磁导率和低的矫顽力，并且具有良好的冷加工性能。,3磁性材料的分类,通过调整成分和工艺的调控, 可以获得各种各样的具有不同特点的坡莫合金。,3.2.1金属软磁材料,缺点：,1.含有较多的贵重金属Ni,故成本比较高；,2.生产设备庞大、工艺苛刻, 磁性受环境的影响也比较大。,3磁性材料的分类,3.2.1金属软磁材料,Fe-Si合金：,软磁性能优良,成本又低,适合大批量生产,它是产量最大用量最多的一类软磁材料,主要应用：,电力工业中的各种电动机、发电机和变压器以及电讯技术中。,3磁性材料的分
11、类,3.2.2铁氧体软磁材料,软磁铁氧体是由锰、镍和铜等二价金属的氧化物和Fe 2O3 组成的材料。,一般采用粉末陶瓷工艺制作, 此法比较成熟。还有其它一些方法,如喷雾法、单晶法、外延法和热等静压法等。,3磁性材料的分类,3.2.2铁氧体软磁材料,软磁铁氧体的进展：,4050 年代, 确立了软磁铁氧体的基本配方；,60 70 年代, 对制备工艺、气氛、相组成与显微结构进行了研究;,80 90 年代, 对三元组成与性能的关系, 添加物的影响进行了系统的研究,使软磁铁氧体制备工艺日益完善。,3磁性材料的分类,3.2.2铁氧体软磁材料,应用：,主要作为电感元件和磁芯来使用，如在通讯、广播、计算机、电
12、视、雷达、自动控制、录音机、录像机和仪器仪表等电子工业中得到极为广泛的应用。,当前软磁铁氧体开发的重点：,高频低耗功率铁氧体、偏转磁芯材料、抗电磁干扰材料以及电子镇流器和照明变压器用软磁铁氧体,3磁性材料的分类,3.3信磁材料,在信息技术中获得应用的磁性材料统称信息磁性材料，简称信磁材料。,在高新技术中应用的信磁材料主要有：,3磁性材料的分类,3.3信磁材料,磁记录材料：,磁记录技术所用的磁性材料,主要包括：,磁记录介质材料和磁记录头材料,磁记录过程：,首先将声音、图像、数字等信息转变为电信号，再通过记录磁头转变为磁信号，记录磁头便将磁信号保存在磁记录介质材料中。,3磁性材料的分类,3.3信磁
13、材料,在需要取出记录在磁记录介质材料中的信息时，只要经过同磁记录过程相反的过程，即将磁记录介质材料中的磁信号通过读出磁头，将磁信号转变为电信号，再将电信号转变为声音、图像或数字。,3磁性材料的分类,3.3信磁材料,磁存储材料：,电子计算机存储器所用的磁性材料,较早应用的是：磁滞回线接近矩形的矩磁材料 利用其两个剩磁态+Br和-Br表示计算机中的“1”和“0”状态，在利用两个电流重合便可以“写入”和“读出”二进位制的“1”和“0”。,3磁性材料的分类,3.3信磁材料,磁微波材料：,是微波电子学技术中常用的材料,重要应用：,雷达、卫星通信、电子战和射电天文学,这些应用要用到三大类磁性材料：,旋磁材
14、料,磁微波吸收材料,永磁材料,3磁性材料的分类,磁光材料：是激光、光电子学和正在发展的光子学 中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。,3.3信磁材料,3.4特磁材料,定义：具有各种特殊磁性功能和各种特别应用的磁 性功能材料，统称为特种功能磁性材料，简 称特磁材料。,3磁性材料的分类,3.4特磁材料,主要包括：,3.4.1磁致伸缩材料,定义：是一种具备磁致伸缩特性的材料，通常是可 将电能转换为机械能或将机械能转换为电能 的金属、合金以及铁氧体等磁性材料的统称。,3磁性材料的分类,3.4.1磁致伸缩材料,磁致伸缩材料的选材原则：,1）磁致伸缩应力常数和应变常数，以及机电耦合系数要越大越好；,2)涡
15、流损耗和磁滞损失要越小越好，也就是材料的电阻率应当较高或者说电导率较低为好；,3)机械强度要高，因为在大功率应用时的振动振幅是比较大的；,3磁性材料的分类,3.4.1磁致伸缩材料,4)时间稳定性好，不易老化，以保障使用寿命；,磁致伸缩材料的选材原则：,5)居里温度较高，以保障其温度稳定性好，因为磁致伸缩换能器在使用过程中是必然要发热的；,6)要从实际应用需要出发，综合考虑应用效果与经济效益，如材料价格、制造成本等。,3磁性材料的分类,3.4.2磁电阻材料,定义：具有显著磁电阻效应的磁性材料,磁电阻效应：,强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。,不论磁场与电流方向平行还是
16、垂直，都将产生磁电阻效应。前者（平行）称为纵磁场效应，后者（垂直）称为横磁场效应。,3磁性材料的分类,3.4.3磁性液体,磁性液体又称磁液、磁流体、磁性流体或铁磁流体，是由强磁性粒子、基液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。,该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性,3磁性材料的分类,3.4.3磁性液体,磁性液体的应用：,电子仪表、机械、化工、环境、医疗等方面,磁性材料还是下列扩展中商业的支柱： 电子商品监督，财产保护和控道控制；特殊加工的磁性材料薄带或薄膜可储存有关一个条目或一个识别标志物的一比特或几比特的信息；对安全区或不宜移动商品或财产的通道可借以监视和控制。,4结论,总之, 磁性材料是人类认识最早的功能材料, 对其理论描述也在20 世纪30 年代基本成熟，其应用也是最为广泛的。,目前, 磁性材料已经成为支持并促进社会发展的关键材料。磁性材料在今后仍然会继续有较大的发展, 也是我们应努力的方向。,
