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1、第二章第二章 现代材料分类现代材料分类第六节第六节 磁性材料磁性材料2磁性材料的发展史磁性材料的发展史中国中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。战国时期：关于天然磁性材料的记载；战国时期：关于天然磁性材料的记载；11世纪：发明了制造人工永磁材料的方法；世纪：发明了制造人工永磁材料的方法；1086年：年：梦溪笔谈梦溪笔谈记载了指南针的制作和使用；记载了指南针的制作和使用；10991102年：有指南针用于航海的记述，同时发现了年：有指南针用于航海的记述，同时发现了地地 磁偏角磁偏角的现象。的现象。中国古代：中国古代：3 19世纪：永
2、磁金属从世纪：永磁金属从碳钢碳钢发展到后来的发展到后来的稀土稀土永磁合金，永磁合金，性能提高二百多倍；性能提高二百多倍；软磁软磁金属材料金属材料从片状改为丝状再改为粉状，从片状改为丝状再改为粉状，仍满足不了仍满足不了频率频率扩展的要求。扩展的要求。20世纪世纪40年代：年代：荷兰荷兰斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的 铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的 永磁铁氧体。永磁铁氧体。磁性材料的发展史磁性材料的发展史450年代初年代初:美籍华人美籍华人王安王安首先使用矩磁合金首先使用矩磁合金元件元件作为计算机的作为计算机的 内
3、存储器，不久被内存储器，不久被矩磁铁氧体矩磁铁氧体记忆磁芯取代，后者记忆磁芯取代，后者 在在6070年代曾对计算机的发展起过重要的作用。年代曾对计算机的发展起过重要的作用。50年代初年代初:人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列 微波铁氧体器件。压磁材料在微波铁氧体器件。压磁材料在第一次世界大战第一次世界大战时即时即 已用于声纳技术，但由于已用于声纳技术，但由于压电陶瓷压电陶瓷的出现，使用有的出现，使用有 所减少。后来又出现了强压磁性的稀土合金。所减少。后来又出现了强压磁性的稀土合金。非晶非晶 态态(无定形无定形)磁性材料是近代磁学研究的成果，
4、在发磁性材料是近代磁学研究的成果，在发 明快速淬火技术后，明快速淬火技术后，1967年解决了制带工艺，正向年解决了制带工艺，正向 实用化过渡。实用化过渡。磁性材料的发展史磁性材料的发展史5磁性材料磁性材料定义：定义：磁性材料是指由过渡磁性材料是指由过渡元素元素铁、钴、镍及其铁、钴、镍及其合金合金等能够等能够直接或间接产生磁性的物质。直接或间接产生磁性的物质。磁化与退磁磁化与退磁:磁化：原来没有磁性的物体，获得磁性的过程。磁化：原来没有磁性的物体，获得磁性的过程。退磁：原来有磁性的物体，失去磁性的过程。退磁：原来有磁性的物体，失去磁性的过程。(方式：高温、剧烈震动和逐渐减弱的交变磁场方式：高温、
5、剧烈震动和逐渐减弱的交变磁场)6金属及合金磁性材料金属及合金磁性材料铁氧体磁性材料铁氧体磁性材料按材质和结构分类：按材质和结构分类：磁性材料的分类磁性材料的分类多晶结构材料多晶结构材料单晶结构材料单晶结构材料按形态分类：按形态分类：磁磁性性材材料料粉体材料粉体材料 液体材料液体材料 块体材料块体材料 薄膜材料薄膜材料磁性材料磁性材料7按应用功能分类：按应用功能分类：磁磁性性材材料料软磁材料软磁材料 永磁材料永磁材料 磁记录磁矩材料磁记录磁矩材料 磁性材料的分类磁性材料的分类既有金属材料既有金属材料又有铁氧体材料又有铁氧体材料旋磁材料旋磁材料和高频软磁材料和高频软磁材料铁氧体材料铁氧体材料顺磁性
6、顺磁性物质物质 抗磁性抗磁性物质物质 铁磁性铁磁性物质物质 反铁磁性物质反铁磁性物质 亚亚磁性磁性物质物质根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类：根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类：磁性材料磁性材料8顺磁性顺磁性 顺磁性顺磁性物质是一种非铁磁性物质，一般有铂、铝、氧等等物质是一种非铁磁性物质，一般有铂、铝、氧等等这些物质，当把它们移近磁场的时候，它们可以依磁场方向发这些物质，当把它们移近磁场的时候，它们可以依磁场方向发生磁化，但很微弱。生磁化，但很微弱。一般来说，物质中具有不成对电子的离子、一般来说，物质中具有不成对电子的离子、原子原子或分子的或分子的时候，存在电子的自旋角
7、动量和轨道角动量，也就存在时候，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁自旋磁矩矩和轨道磁矩。在外和轨道磁矩。在外磁场磁场作用下，原来取向杂乱的作用下，原来取向杂乱的磁矩磁矩就会定就会定向，从而表现出顺磁性。向，从而表现出顺磁性。表征磁性材料的物理量叫做磁化率。磁化率是磁化强度和表征磁性材料的物理量叫做磁化率。磁化率是磁化强度和磁场强度磁场强度之比。顺磁性物质的磁化率是正值，但数值很小之比。顺磁性物质的磁化率是正值，但数值很小,一般一般为十万分之一，也就是为十万分之一，也就是10-5，并且随温度的降低而增大。，并且随温度的降低而增大。9抗磁性抗磁性 抗磁性是一些物质的原子中电子抗磁性是
8、一些物质的原子中电子磁矩磁矩互相抵消，合磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加为零。但是当受到外加磁场磁场作用时，电子轨道运动会发生变作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这就化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这就表示物质磁性的表示物质磁性的磁化率磁化率就成为很小的负值。一般抗磁性物质就成为很小的负值。一般抗磁性物质的磁化率约为负百万分之一，也就是的磁化率约为负百万分之一，也就是-10-6。一般而言一般而言,分子中没有不成对电子的时候，物质呈现抗磁性。分子中没有不成对电子的时候，物质呈现抗磁性。抗磁性抗磁性指的是在受到外加磁场作用的时候，物
9、质获得反抗指的是在受到外加磁场作用的时候，物质获得反抗外加磁场的磁化强度的现象。外加磁场的磁化强度的现象。10铁磁性铁磁性 铁、钴、镍及一些稀土元素存在独特的磁性现象称为铁铁、钴、镍及一些稀土元素存在独特的磁性现象称为铁磁性。磁性。物质当中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而物质当中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值，时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值，这种现象就是铁磁性。这种现象就是铁磁性。钐、钕与钴的
10、合金常被用来制造强磁铁。钐、钕与钴的合金常被用来制造强磁铁。11 铁磁性铁磁性材料的磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平材料的磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并行排列。因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化。材料被磁化后，排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化。材料被磁
11、化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料“记忆记忆”了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体了它们被磁化的历史。这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。就是被磁化后，剩磁很大。铁磁性铁磁性12 当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度。这个临界温度叫居里温度。如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械
12、响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩。作磁致伸缩。铁磁性铁磁性13反铁磁性反铁磁性 反铁磁性反铁磁性是指在无外加磁场的情况下，磁畴内近邻原子是指在无外加磁场的情况下，磁畴内近邻原子或离子的数值相等的磁矩，由于其间的相互作用而处于反平或离子的数值相等的磁矩，由于其间的相互作用而处于反平行排列的状态，因而其合磁矩为零的现象。行排列的状态，因而其合磁矩为零的现象。注意：注意：这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与
13、温度相关。即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与温度相关。用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。磁材料。14亚磁性亚磁性 在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使它们的磁矩在克服热运动的影交换作用或其他相互作用，使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩的现象。当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁的现象。当施加外磁场后，其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质
14、相似。磁性物质相似。注意：注意：用主要磁现象为亚铁磁性物质制成的材料，称为亚铁用主要磁现象为亚铁磁性物质制成的材料，称为亚铁磁材料。在工程技术上，实用的亚铁磁材料多为各类铁氧体磁材料。在工程技术上，实用的亚铁磁材料多为各类铁氧体和某些金属间化合物。和某些金属间化合物。铁磁材料与亚铁磁材料统称为强磁材料，简称磁性材铁磁材料与亚铁磁材料统称为强磁材料，简称磁性材料。料。15按性质分类按性质分类磁磁性性材材料料永磁材料永磁材料 软磁材料软磁材料 磁性功能材料磁性功能材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁记录材料磁记录材料磁电阻材料磁电阻材料磁泡材料磁泡材料磁光材料磁光材料旋磁材料旋磁材料磁性薄膜材料磁性薄膜
15、材料磁性材料的分类磁性材料的分类金属磁性材料金属磁性材料非金属磁性材料非金属磁性材料按应用功能分类按应用功能分类16磁性材料磁性材料铁铁粉粉芯芯软软磁磁材材料料永永磁磁材材料料17永磁材料永磁材料 永磁材料永磁材料一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。相对于场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。相对于软磁材料而言，它亦称为软磁材料而言，它亦称为硬磁材料硬磁材料。永永磁磁材材料料合金：铸造、烧结、可加工合金合金：铸造、烧结、可加工合金 铁氧体铁氧体 金属间化合物金属间化合物分类：分类：18永磁材料永磁
16、材料代表物代表物合合金金铸造合金铸造合金AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)烧结合金烧结合金Re-Co(Re为稀土元素为稀土元素)、Re-Fe、AlNi(Co)、FeCrCo可加工合金可加工合金FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe、AlMnAg铁氧体铁氧体MO6Fe2O3(M为为Ba、Sr、Pb或或SrCa、LaCa等等)金属间化合物金属间化合物主要以主要以MnBi为代表为代表永磁材料永磁材料19永磁材料的用途永磁材料的用途永永磁磁材材料料的的用用途途基于电磁力作用原理：基于电磁力作用原理：扬声器、话筒、电表、按键、电机、扬声器、话筒、
17、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等；继电器、传感器、开关等；基于磁电作用原理：基于磁电作用原理：磁控管和行波管等微波电子管、显像磁控管和行波管等微波电子管、显像 管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等；管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等；基于磁力作用原理：基于磁力作用原理：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸 盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计；控温计；其他：其他：磁疗、磁化水、磁麻醉等。磁疗、磁化水、磁麻醉等。20软磁材料软磁材料软性材料软性材料代表物代表物合金薄带或
18、薄片合金薄带或薄片FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等等非晶态合金薄带非晶态合金薄带Fe基、基、Co基、基、FeNi基或基或FeNiCo基等配以适当的基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素，又称磁性玻璃和其他掺杂元素，又称磁性玻璃磁介质磁介质(铁粉芯铁粉芯)FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基羰基铁和铁氧体等粉料，经电绝铁和铁氧体等粉料，经电绝缘介质包覆和粘合后按要求压制成形缘介质包覆和粘合后按要求压制成形铁氧体铁氧体尖晶石尖晶石型型 MOFe2O3(M代表代表NiZn、MnZn、MgZn、CaZn等等磁铅石型磁铅石型Ba3Me2Fe24O41(Me代表代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其
19、及其复合组分复合组分)软磁材料的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，软磁材料的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度。对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度。21 软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器电感器、变变压器压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电缆、延迟线、传感、磁头、耳机、继电器、振动子、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、器、微波吸收材料、电磁铁电磁铁、加速器加速器高频加速腔、磁场探头、高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘
20、电磁吸盘、磁敏元件、磁敏元件(如磁热材料作开关如磁热材料作开关)等。等。矩磁材料和磁记录材料：矩磁材料和磁记录材料：主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。22旋磁材料旋磁材料 具有独特的微波磁性，如导磁率的具有独特的微波磁性，如导磁率的张量张量特性、特性、法拉法拉第旋第旋转、转、共振共振吸收、场移、相移、双吸收、场移、相移、双折射折射和和自旋自旋波等效应。波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有的有隔
21、离器隔离器、环行器、环行器、滤波滤波器（固定式或电调式）、衰减器、器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件常用的材料已形成系列，有中的磁表面波和静磁波器件常用的材料已形成系列，有Ni系、系、Mg系、系、Li系和系和BiCaV系等铁氧体材料；并可按器件的需要制系等铁氧体材料；并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的结构和形态。成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的结构和形态。23 压磁材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，压磁材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，
22、故又称磁致伸缩材料，它的功能是作磁声或磁力能量的转故又称磁致伸缩材料，它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于换。常用于超声波发生器超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器的振动头、通信机的机械滤波器和电脉冲和电脉冲信号信号延迟线等，与微波技术结合则可制作微声延迟线等，与微波技术结合则可制作微声(或或旋声旋声)器件。由于合金材料的机械强度高，抗振而不炸裂，器件。由于合金材料的机械强度高，抗振而不炸裂，故振动头多用故振动头多用Ni系和系和NiCo系合金；在小信号下使用则多用系合金；在小信号下使用则多用Ni系和系和NiCo系铁氧体。非晶态合金中新出现的有较强压磁系铁氧体。非晶态合金中新出现的有较强
23、压磁性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材料。不及前面四种材料。压磁材料压磁材料24磁性材料的用途磁性材料的用途磁性材料是生产、生活、磁性材料是生产、生活、国防科学技术国防科学技术中广泛使用的材料。中广泛使用的材料。电力技术：电机、变压器电力技术：电机、变压器电子技术：磁性元件、微波电子管电子技术：磁性元件、微波电子管通信技术：滤波器、增感器通信技术：滤波器、增感器国防技术国防技术：磁性水雷、电磁炮：磁性水雷、电磁炮生产生活：各种家用电器等生产生活：各种家用电器等 此外，磁性材料在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、此外，磁性材料在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。主要是利用其各种磁特性和特殊效应制成元件或器件；用主要是利用其各种磁特性和特殊效应制成元件或器件；用于存储、传输和转换电磁能量与信息，或在特定空间产生一定于存储、传输和转换电磁能量与信息，或在特定空间产生一定强度和分布的磁场；有时也以材料的自然形态而直接利用。强度和分布的磁场；有时也以材料的自然形态而直接利用。磁磁性性材材料料25