材料的磁学学习.pptx

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1、1第1页/共74页23.1 原子磁性及材料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)第2页/共74页3JJ耦合:各电子的L、S相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩；（Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦合:各电子的L、S相互作用弱，先各自耦合为总L、总S，再叠加为原子总磁矩；（Z33)LS耦合:原子总磁矩:朗德因子:原子总角动量：第3页/共74页4第4页/共74页5材料(固体)的磁性原子磁矩磁化强度铁磁性顺磁性材料器件磁畴单晶多晶微观宏观原子晶胞第5页/

2、共74页6(2)磁矩（m）环形电流周围的磁场 定价于磁偶极子周围的磁场:3.2 磁学量及材料磁性分类NSNS磁学量 电场强度 E电偶极距磁偶极矩(1)磁场强度 H二者均与介质无关NS第6页/共74页7静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：磁力矩:磁矩m在外磁场H中受到一个 转动力距，以降低磁势能，直至U最小第7页/共74页8(3)磁化强度 M=0 MM=0 MS S 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下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏观磁矩M，从而显示宏观磁性的过程。磁化强度：HS S NN 磁化率/系数M=MM=MS SHN S M=0M=0第8页/共74

3、页9 外加磁场H在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）B，是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，与介质有关。对于真空：对于磁介质：（4）磁感应强度 B真空磁导率相对磁导率第9页/共74页10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

4、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第10页/共74页11 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。根据 的关系，作出磁化曲线。（1）抗磁体在磁场中受微弱斥力。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体：不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体：随温度变化，如铋、镓、锑等。（10-6）第11页/共74页12（2）顺磁体 （10-6 10-3）在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体：其 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。与温度无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线

5、性关系变化）如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点，用Tc表示。所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。第12页/共74页13（4）亚铁磁体（值没有铁磁体那样大）磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。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。（5）反铁磁体（是小的正数。）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，其行为像顺磁体。如 、铬、氧化镍、氧化锰等。MnO第13页/共74页143.3 铁磁性和反铁磁性铁磁性铁磁性 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

6、温度反铁磁性反铁磁性 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第14页/共74页151.分子场与自发磁化分子场与自发磁化铁磁性特点：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，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，这种磁性会消失。为什么？1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：（1）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，称为自发磁化。自发磁化，用矢量自发磁化强度 表示，其大小等于饱和磁化强度 。190

7、7,Weiss第15页/共74页16（2）磁畴假说 由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化矢量 必然分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的“磁畴”。所谓磁化，是借助外加磁场作用，将自发磁化调整到外场方向（显示出来）而已，并非向其提供额外磁性。磁化第16页/共74页17根据Boltzmann统计，Weiss导出其中，布里渊函数n原子体积浓度（3）外斯（Weiss)理论第17页/共74页182.量子直接交换作用量子直接交换作用贡献于电子云重叠部分Fe Fe 第18页/共74页19K 是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能。A 是两个氢原子中电子交换所产生的交换能，与电子云重叠的程度有

8、关。a(1)-a原子中的电子1的波函数。b(2)-b原子中的电子2的波函数。a(2)-b原子中的电子2在a原子的波函数。b(1)-a原子中的电子1在b原子的波函数。电子自旋角动量矢量第19页/共74页20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伯的讨论就从交换能开始。其中，后面一项我们称作交换能 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

9、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（103T)，但从量子力学效应来看，这是很自然的。第20页/共74页21 假设：N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，只考虑不同原子中电子的交换。N个电子系统的交换能：由于交换作用是近程作用，只对近邻求和:证明，Weiss的分子场可表达为：z是最近邻原子数目二.Heisenberg 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)1928第21页/共74页22I.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

10、必要条件是原子中具有未充满的电子未充满的电子壳壳 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：广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:第22页/共74页23第23页/共74页243.居里温度居里温度MsTTc铁磁性物质Ms与温度的关系物质物质Ms(A/m)Tc(K)Fe1.741061043Co1.431061403Ni5.1106631 铁电性物质的饱和极化强度有类似规律第24页/共74页25反铁磁性反铁磁性1.量子间接

11、交换作用量子间接交换作用MnOMn2+O2-Mn2+Mn2+O2-Mn2+3d52p63d5Mn+O-Mn2+(a)基态 (b)激发态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，即磁距自发磁化（铁磁性）；当A0，要求反向排列（反铁磁性）（畴壁尺度）第37页/共74页38（3）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）是不同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的磁化功不同。（单晶尺度）第38页/共74页39、为M与三个晶轴的方向余弦，K0、K1、K2代表晶体各向异性常数。磁晶各向异性起源，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

12、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。第39页/共74页40（4）退磁能 E d 形状各向异性能 铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在内部产生一个退磁场Hd，其方向与磁化强度M、外加磁场H相反，起抵消作用。SSNNHdHM（宏观、单晶尺度）在退磁场Hd中，物质具有退磁能Ed:退磁因子第40页/共74页41球形样品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品：ab=c,b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/

13、2薄片样品：abb,c,Nx=1,Ny=Nz=0 退磁因子N有方向性，故与材料形状有关：xx 解释Bloch壁，Neel壁 退磁场Hd的存在抵消了磁化强度M，故对磁化起阻碍作用。退磁因子N越大，材料越难磁化。x第41页/共74页42（5）磁弹性能 E 材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长/收缩，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。磁化时,微元遭受磁力(体积力)应力(面积力)应变（磁）弹性能，由下式计算：磁化方向和应力方向的夹角；饱和磁致伸缩系数；（磁畴尺度）第42页/共74页434 4 磁畴成因磁畴成

14、因 交换能（界面能）产生自发磁化，其磁化强度方向沿晶体的易磁化轴排列，产生磁晶各向异性能（体积能），都达到极小值。但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，增加体系的退磁能（体积能），要破坏自发磁化的形成。矛 盾：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，过大的磁畴要分裂，而过小磁畴要合并。因此，出现磁畴。ETd假设不考虑E Ek kd0第43页/共74页44 (a)整个晶体磁化，Ed大 (b)磁畴二分，产生1个畴壁 (c)磁畴四分，产生2个畴壁 Ed,Eex 当二者相当时，不再分畴 (d)封闭畴(b)的精细 (e)封闭畴(c)的精细 钴单晶

15、磁畴的形成过程假设不考虑E Ek k第44页/共74页45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、运动及其控制手段的磁化，区别于理论磁化而言。技术磁化，一般用磁化曲线和磁滞回线来表征。磁势能：微小变化畴壁位移磁畴转动磁化矢量转动能量低,小磁场能量高，大磁场 HM M=f(H)第45页/共74页46 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、另一种过程为辅。第46页/共74页471.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、杂质和缺陷少的铁磁材料，畴壁位移阻力小，在起始磁化（

16、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。M-H线性变化，斜率 。如金属软磁材料，高 铁氧体材料等。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。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。M-H非线性变化，在巴克豪生区对应最大斜率 。HH晶界不移动！但会有应变第47页/共74页482.磁畴转动磁畴转动 在不可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，某些情况下，可发生可逆磁畴转动。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。1)可逆磁畴转动可逆磁畴转动2）不可逆磁

17、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，发生不可逆磁畴转动。M-H接近线性变化，斜率趋于最小。HH晶粒不转动！自发磁化矢量转动第48页/共74页493.磁化曲线磁化曲线(1)起始或可逆磁化区oa：线性(2)瑞利区ab：偏离线性，不可逆(3)最大磁化率区bc：M剧增，达到 m，剧烈不可逆（巴克豪生跳跃）。(4)趋近饱和区cd：M缓慢升高，最后趋近一水平线(技术饱和)。(5)顺磁磁化区d后：外场对自发磁化的微弱增强。第49页/共74页50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M的变化 落后于外加磁场H变化的现象，导致M-H曲线不能返回起点

18、，叫磁滞。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。引起磁滞的根源：1)不可逆畴壁位移；2)不可逆磁畴转动；3)反磁化形核；4)畴壁钉扎;残余内应力杂质、缺陷吸收磁化功HMo第50页/共74页51铁磁体H-M磁滞回线铁电体P-E电滞回线退极化曲线2.磁滞回线磁滞回线磁化反磁化退磁例如，Fe,Co例如，BiTiO3,PZT第51页/共74页52u 分线段：OAB 磁化曲线，BCDE 反磁化(CD 正退磁)EFGB 正磁化(FG 反退磁)u 磁滞回线（封闭）：BCDEFGBu 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，内因：克服交换能、磁弹性能。u 最大磁能积(BH)max 第二象限内磁感应强度

19、和磁场强度乘积的最大值。u 硬磁、软磁材料：硬磁：高Br、高Hc，软磁：低HC、高磁导率 Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯铁 概 括：第52页/共74页533.技术参数技术参数u 饱和磁化强度Ms 或Bsu 矫顽力Hc：u 剩余磁化Br：u 起始磁化率：u 最大磁能积(BH)max第53页/共74页547.5 磁性材料及其应用基本属性基本属性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

20、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第54页/共74页55 铁磁材料分类铁磁材料分类1.软磁材料 能够迅速响应外磁场变化（快速磁化），且能低损耗地 获得高磁感应强度的材料。磁极磁路 软磁材料Hc40 KA/m.第55页/共74页56 用途：w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）w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）w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：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用 降低磁滞损耗的措施：

21、1）增加纯度，减小不均匀性，2）减小各向异性，3）减小电阻率。第56页/共74页57 剩磁电阻磁极导磁磁极导磁中频高频第57页/共74页582.2.硬磁材料 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。用 途：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；可用于举重器、分料器和选矿器中。硬磁材料磁滞回线示意图第58页/共74页59FeCrCo第59页/共74页60第60页/共74页61 一、铁镍钴基合金 不含稀土：Fe-Cr-Co合金，Tc高 Al-Ni-Co合金，Tc高 含稀土：NdFeB系，SmCo系 -SmCo系：SmCo5烧结永

22、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，Nd2Fe14B磁铁王。Br、Hc大，温度稳定性，抗腐蚀性稍差。二、铁氧体 硬磁铁氧体，Tc中永磁材料分类第61页/共74页62 第62页/共74页63 一Al-Ni-Al-Ni-CoCo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。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

23、剩磁Br=0.71.35，适中的矫顽力Hc40160kA/m。第63页/共74页64二 Fe-Cr-Fe-Cr-CoCo合金 (1980(1980)它是19711971年KanekoKaneko等研制的永磁材料，它具有良好的延展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材，由于Fe-Cr-CoFe-Cr-Co的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是别的合金不能做到的。它是在Fe-Cr合金基础上发展的，Fe-Cr合金在475oC发生SpinodalSpinodal分解。+，产生富铁的铁磁相和富铬的、低磁性相 ，具有永磁性能 。但铬使BrBr、TcTc降低，在Fe-CrFe-Cr合金基础上加入Co

24、,Co,形成Fe-Cr-CoFe-Cr-Co合金。CoCo使BrBr、TcTc提高,SpinodalSpinodal分解温度提高。第64页/共74页65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-2Cu1.386.078.0第65页/共74页66 三、硬磁铁氧体 硬磁铁氧体

25、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 A位、八面体为B 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。第66页/共74页67 成分Bs,TBs,THc,Hc,kA.mkA.m-1-1(BH)max,BH)max,kJ.m kJ.m-3-3Y30

26、Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5Y25BHY25BH0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1Y30BHY30BH0.380.380.400.4022422424024027.127.130.330.3第67页/共74页68 四、稀土永磁体 稀土永

27、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1.37825.6418.0585第68页/共74页69 Nd2Fe14B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、4

28、g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1个单胞由4个Nd2Fe14B化合物分子组成,箭头表示原子磁矩。第69页/共74页70 整个晶体可以看作是由富Nd、富B与富Fe共6个原子层交替组成的。Nd和B仅分布一、四两个层中,Fe分布在二、三、五、六层中。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，Fe-Fe、R-Fe和 R-R原子间交换作用强弱不同，其原子磁矩不同。B的添加对Nd2Fe14B 相形成起重要作用,当无B时合金由Nd2Fe17加a-Fe组成,当B为4at%时Nd2Fe17 消失,形成Nd2Fe1

29、4B 相.第70页/共74页71 铸态组织NdNd2 2FeFe1414B B：晶粒内是Nd2Fe14 B B相,晶界是富NdNd相（吸引畴壁，阻止畴壁运动）,晶内小颗粒是富B B相。研究认为,晶界、空位、位错等金属的缺陷是畴壁很强的钉扎中心,将限制畴壁的位移,从而提高磁体的矫顽力。成核理论：晶粒边界软磁性缺陷区域反磁化成核场第71页/共74页72 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。第72页/共74页73Thanks 铁磁材料的应用铁磁材料的应用第73页/共74页74感谢您的观看。第74页/共74页