材料的磁学学习教案.pptx

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1、会计学1材料材料(cilio)的磁学的磁学第一页，共75页。2第1页/共74页第二页，共75页。33.1 原子磁性原子磁性(cxng)及材料磁及材料磁性性(cxng)原子的磁性原子的磁性(cxng)量子力学哥本哈根学派领袖(ln xi)，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页第三页，共75页。4JJ耦合耦合:各电子的各电子的L、S相互作用相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子再叠加为原子(yunz)总磁矩总磁矩；（Z88)JJ+LS (Z=3388)LS耦合耦

2、合:各电子的各电子的L、S相互作用弱，相互作用弱，先各自耦合为总先各自耦合为总L、总、总S，再叠加，再叠加为原子为原子(yunz)总磁矩总磁矩；（；（Z33)LS耦合耦合:原子原子(yunz)总磁矩总磁矩:朗德因子朗德因子(ynz):原子总角动量：原子总角动量：第3页/共74页第四页，共75页。5第4页/共74页第五页，共75页。6材料材料(cilio)(固体固体)的磁性的磁性原子原子(yunz)磁矩磁矩磁化强度磁化强度铁磁性铁磁性顺磁性顺磁性材料材料(cilio)器件器件磁畴磁畴单晶单晶多晶多晶微观微观宏观宏观原子原子晶胞晶胞第5页/共74页第六页，共75页。7(2)磁矩（磁矩（m）环形电流

3、周围的磁场环形电流周围的磁场(cchng)定价于磁偶极子周围的磁场定价于磁偶极子周围的磁场(cchng):3.2 磁学量及材料磁学量及材料(cilio)磁性分磁性分类类NSNS磁学量磁学量 电场电场(din chng)强度强度 E电偶极距电偶极距磁偶极矩磁偶极矩(1)磁场强度磁场强度 H二者均与二者均与介质无关介质无关NS第6页/共74页第七页，共75页。8静磁能：磁矩在外磁场静磁能：磁矩在外磁场(cchng)作用下具有的势能（磁势能）：作用下具有的势能（磁势能）：磁力矩磁力矩:磁矩磁矩m在外磁场在外磁场H中受到一个中受到一个 转动力距转动力距(l j)，以降低磁势能，直至，以降低磁势能，直至

4、U最小最小第7页/共74页第八页，共75页。9(3)磁化强度磁化强度 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(yudo)出宏观磁矩出宏观磁矩M，从而显示宏观磁性的过程。，从而显示宏观磁性的过程。磁化强度：磁化强度：HS SNN 磁化率磁化率/系数系数(xsh)M=MM=MS SHN S M=0M=0第8页/共74页第九页，共75页。10 外加磁场外加磁场H在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）

5、B，是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果，是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果(ji gu)，与介质有关。，与介质有关。对于真空：对于真空：对于磁介质：对于磁介质：（4）磁感应强度）磁感应强度(qingd)B真空真空(zhnkng)磁导率磁导率相对磁导率相对磁导率第9页/共74页第十页，共75页。11物质磁学和电学基本物质磁学和电学基本(jbn)量的比较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

6、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(xingdu)介电常数介电常数(ji din chn sh)第10页/共74页第十一页，共75页。12 物质的磁性物质的磁性(cxng)分类分类 根据物质的磁化率，可以把物质的磁性根据物质的磁化率，可以把物质的磁性(cxng)大致分为五类。根据大致分为五类。根据 的关系，作出磁化曲线。的关系，作出磁化曲线。（1）抗磁体）抗磁体(ct)在磁场中受微弱斥力。在磁场中受微弱斥力。金属中一

7、般简单金属为抗磁体。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体经典抗磁体：不随温度变化，不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体反常抗磁体：随温度变化，如铋、镓、锑等。随温度变化，如铋、镓、锑等。（10-6）第11页/共74页第十二页，共75页。13（2）顺磁体）顺磁体(ct)（10-6 10-3）在磁场中受微弱吸引力。在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体：其正常顺磁体：其 随温度变化符合随温度变化符合(fh)反比关系，如金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。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。与温度无关的顺磁体

8、，如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线性关系值很大，且与外磁场呈非线性关系(gun x)变化）变化）如铁、钴、镍等。如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此此临界温度临界温度称为称为居里温度居里温度或或居里点居里点，用，用Tc表示。表示。所以，所以，居里温度居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。第12页/共74页第十三页，共75页。14（4）亚铁磁体）亚铁磁体（值没有值没有(mi yu)铁磁体那样大）铁磁体那样大）磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁

9、体。亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向(fn xin)平行排列，抵消后的剩余磁矩。平行排列，抵消后的剩余磁矩。（5）反铁磁体）反铁磁体（是小的正数是小的正数(zhngsh)。）。）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。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。如如 、铬、氧化镍、氧化锰等。、铬、氧化镍、氧化锰等。MnO第13页/共74页第十四页，共75页。153.3 铁磁性和反铁磁性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

10、里温度居里温度(wnd)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页第十五页，共75页。161.分子分子(fnz)场与场与自发磁化自发磁化铁磁性特点：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）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显示(xinsh)磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性，必须要经磁化以后，才显示(xinsh)磁性（吸铁）；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？）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

11、么？1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：年，外斯提出铁磁性的分子场理论：（1）分子场假说）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表示，其大小等于饱和磁化强度 。1907,Weiss第15页/共74页第十六页，共75页。17（2）磁畴假说）磁畴假说 由于自然铁磁性材料宏观不显示

12、磁性，这些自发磁化由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化矢量矢量 必然分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的必然分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的“磁畴磁畴”。所谓磁化，是借助外加磁场所谓磁化，是借助外加磁场(cchng)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。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。磁化磁化(chu)第16页/共74页第十七页，共75页。18根据根据(gnj)Boltzmann统计，统计，Weiss导出导出其中其中(qzhng)，布里渊函数，布里渊函数n原子原子(yunz)体积浓度体积浓度（3）外斯（）外斯（

13、Weiss)理论理论第17页/共74页第十八页，共75页。192.量子量子(lingz)直接直接交换作用交换作用贡献于电子贡献于电子(dinz)云重叠部分云重叠部分Fe Fe 第18页/共74页第十九页，共75页。20K 是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑(kln)能。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关。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关。a(1)-a原子原子(yunz)中的电子中的电子1的波函数。的波函数。b(2)-b原子原子(yunz)中的电子中的电子2的波函数。的波函数。a(

14、2)-b原子原子(yunz)中的电子中的电子2在在a原子原子(yunz)的波的波函数。函数。b(1)-a原子原子(yunz)中的电子中的电子1在在b原子原子(yunz)的波的波函数。函数。电子自旋角动量矢量电子自旋角动量矢量(shling)第19页/共74页第二十页，共75页。21当 A 0 时，自旋反平行为基态，这是氢分子情形(qng xing)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(hu mian)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

15、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(qingd)（103T)，但从量子力学效应来看，这是很自然的。第20页/共74页第二十一页，共75页。22 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(b tn)原子中电子的交换。N个电子系统的交换能：由于由于(yuy)交换作用是近程作用，只对近邻求和交换作用是近程作用，只对近邻求和:证明，证明，Weiss的分子的分子(fnz)场可表达为：场可表达为：z是最近邻原子数目是最近邻原子数目二二.

16、Heisenberg 铁磁理论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页第二十二页，共75页。23I.物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳 层，即层，即有原子磁距。（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(zhl)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：交换交换(ji

17、ohun)积分及铁积分及铁磁性条件磁性条件:第22页/共74页第二十三页，共75页。24第23页/共74页第二十四页，共75页。253.居里居里(j l)温温度度MsTTc铁磁性物质铁磁性物质Ms与温度与温度(wnd)的关系的关系物质物质Ms(A/m)Tc(K)Fe1.741061043Co1.431061403Ni5.1106631 铁电性物质的饱和(boh)极化强度有类似规律第24页/共74页第二十五页，共75页。26反铁磁性反铁磁性1.量子量子(lingz)间接交换间接交换作用作用MnOMn2+O2-Mn2+Mn2+O2-Mn2+3d52p63d5Mn+O-Mn2+(a)基态基态(j t

18、i)(b)激发态激发态间接交换作用示意图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，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(chu)（铁磁性）；（铁磁性）；当当A0，要求反向排列（反铁磁性），要求反向排列（反铁磁性）（畴壁尺度）（畴壁尺度）第37页/共74页第三十八页，共75页。39（3）磁晶各向异性）磁晶各向异性(xin y xn)能能 E k 在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发(zf)磁化）磁化）是不同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的磁化功不同。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

19、（单晶尺度(chd)）第38页/共74页第三十九页，共75页。40、为为M与三个晶轴的方向余弦，与三个晶轴的方向余弦，K0、K1、K2代表晶体各向异性常数。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(muxi)方向上能量最低，而在另一些方向能量高。方向上能量最低，而在另一些方向能量高。原

20、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。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页第四十页，共75页。41（4）退磁）退磁(tu c)能能 E d 形状各向异性形状各向异性能能 铁磁材料铁磁材料(cilio)磁化后，在端面形成磁极，在内部产生一个退磁场磁化后，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，其方向与磁化强度M、外加磁场、外加磁场H相反，起抵消作用。相反，起抵消作用。SSNNHdHM（宏观（宏观(

21、hnggun)、单晶尺度）、单晶尺度）在退磁场在退磁场Hd中，中，物质具有退磁能物质具有退磁能Ed:退磁因子退磁因子第40页/共74页第四十一页，共75页。42球形样品球形样品(yngpn)：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品棒状样品(yngpn)：ab=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄片样品薄片样品(yngpn)：ab,c,Nx=1,Ny=Nz=0 退磁因子退磁因子N有方向性，故与材料形状有方向性，故与材料形状(xngzhun)有关：有关：xx 解释解释(jish)Bloch壁，壁，Neel壁壁 退磁场退磁场Hd的存在抵消了磁化强度的存在抵消了磁化强度M，故对磁化起阻碍作用。，故

22、对磁化起阻碍作用。退磁因子退磁因子N越大，材料越难磁化。越大，材料越难磁化。x第41页/共74页第四十二页，共75页。43（5）磁弹性）磁弹性(tnxng)能能 E 材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长/收缩，这一过程收缩，这一过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样(zhyng)，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、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。杂质等都可能增加其磁弹性能。磁化时磁化时,微元遭受磁力微元遭受磁力(体积力体积力)应力应力(面积力面积力

23、)应变应变（磁）弹性能，（磁）弹性能，由下式计算：，由下式计算：磁化方向和应力磁化方向和应力(yngl)方向方向的夹角；的夹角；饱和磁致伸缩系数；饱和磁致伸缩系数；（磁畴尺度）（磁畴尺度）第42页/共74页第四十三页，共75页。444 4 磁畴成因磁畴成因磁畴成因磁畴成因(chngyn)(chngyn)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(cj)，形成退磁场

24、，增加体系的退磁能（体积能），要破坏自发磁化的形成。，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。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假设假设(jish)(jish)不考虑不考虑EkEkd0第43页/共74页第四十四页，共75页。45 (a)整个晶体整个晶体(jngt)磁化，磁化，Ed大大 (b)磁畴二分

25、，产生磁畴二分，产生1个畴壁个畴壁 (c)磁畴四分，产生磁畴四分，产生2个畴壁个畴壁 Ed,Eex 当二者相当时，不再分畴当二者相当时，不再分畴 (d)封闭畴封闭畴(b)的精细的精细 (e)封闭畴封闭畴(c)的精细的精细 钴单晶磁畴的形成钴单晶磁畴的形成(xngchng)(xngchng)过程过程假设假设(jish)(jish)不考虑不考虑EkEk第44页/共74页第四十五页，共75页。46技术技术技术技术(jsh)(jsh)磁化磁化磁化磁化 技术磁化技术磁化(chu)：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：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

26、化(chu)，区别于理论磁化，区别于理论磁化(chu)而言。而言。技术磁化技术磁化(chu)，一般用磁化，一般用磁化(chu)曲线和磁滞回线来表征。曲线和磁滞回线来表征。磁势能：磁势能：微小微小(wixio)变化变化畴壁位移畴壁位移磁畴转动磁畴转动磁化矢量转动磁化矢量转动能量低能量低,小磁场小磁场能量高，大磁场能量高，大磁场 HM M=f(H)第45页/共74页第四十六页，共75页。47 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(chngd)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

27、。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页第四十七页，共75页。481.畴壁位移畴壁位移(wiy)1)可逆畴壁位移可逆畴壁位移(wiy)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(chu)（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。（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，斜率线性变化，斜率 。如金属软磁材料，高如金属软磁材料，高 铁氧体材料等。铁氧体材料等。2）不可逆畴壁位移）不可

28、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。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。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，在非线性变化，在巴克豪生区对应最大斜率巴克豪生区对应最大斜率 。HH晶界不移动！晶界不移动！但会有应变但会有应变第47页/共74页第四十八页，共75页。492.磁畴转动磁畴转动(zhun dng)在不可逆畴壁位移之后，继续在不可逆畴壁位移之后，继续(jx)增大磁场，某些情况下，可发

29、生可逆磁畴转动。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。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。非线性变化，斜率逐渐减小。1)可逆磁畴转动可逆磁畴转动(zhun dng)2）不可逆磁畴转动）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。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。接近线性变化，斜率趋于最小。HH晶粒不转动！晶粒不转动！自发磁化矢量转自发磁化矢量转动动第48页/共74页第四十九页，共75页。503.磁化磁化(chu)曲线曲线

30、(1)起始或可逆磁化区起始或可逆磁化区 oa：线性：线性(2)瑞利区瑞利区 ab：偏离线性，不可逆：偏离线性，不可逆(3)最大磁化率区最大磁化率区 bc：M 剧增，剧增，达到达到(d do)m，剧烈不可逆，剧烈不可逆 （巴克豪生跳跃）。（巴克豪生跳跃）。(4)趋近饱和区趋近饱和区 cd：M缓慢升高，最后趋近缓慢升高，最后趋近 一水平线一水平线(技术饱和技术饱和)。(5)顺磁磁化区顺磁磁化区 d后：外场对自发磁化的微弱增强。后：外场对自发磁化的微弱增强。第49页/共74页第五十页，共75页。51磁滞磁滞磁滞磁滞(c zh)(c zh)现象现象现象现象1.磁滞磁滞(c zh)概概念念 磁化后，退磁

31、过程中，磁化强度磁化后，退磁过程中，磁化强度M的变化的变化 落后于外加磁场落后于外加磁场H变化的现象，导致变化的现象，导致M-H曲线不能返回曲线不能返回(fnhu)起点，叫磁滞。起点，叫磁滞。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。引起磁滞的根源：引起磁滞的根源：1)不可逆畴壁位移；不可逆畴壁位移；2)不可逆磁畴转动；不可逆磁畴转动；3)反磁化形核；反磁化形核；4)畴壁钉扎畴壁钉扎;残余内应力残余内应力杂质、缺陷杂质、缺陷吸收磁化功HMo第50页/共74页第五十一页，共75页。52铁磁体铁磁体H-M磁滞回线磁滞回线铁电体铁电体P-E电滞回线电滞回线退极化曲线退极化曲线2

32、.磁滞回线磁滞回线磁化磁化(chu)反磁化反磁化(chu)退磁退磁(tu c)例如，例如，Fe,Co例如，例如，BiTiO3,PZT第51页/共74页第五十二页，共75页。53u 分线段：分线段：u OAB 磁化曲线，磁化曲线，BCDE 反磁化反磁化(CD 正退磁正退磁)u EFGB 正磁化正磁化(FG 反退磁反退磁)u 磁滞回线（封闭）：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(kf)交换能、磁弹性能。交换能、磁弹性能。u 最大磁能积最大磁能积(BH)maxu 第二象限

33、内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。u 硬磁、软磁材料：硬磁、软磁材料：u 硬磁：高硬磁：高Br、高、高Hc，软磁：低软磁：低HC、高磁导率、高磁导率u Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯铁硅钢，纯铁 概概 括：括：第52页/共74页第五十三页，共75页。543.技术参数技术参数u 饱和磁化强度饱和磁化强度Ms 或或Bsu 矫顽力矫顽力Hc：u 剩余剩余(shngy)磁化磁化Br：u 起始磁化率起始磁化率：u 最大磁能积最大磁能积(BH)max第53页/共74页第五十四页，共75页。557.5 磁性材料磁性材料(c xn ci lio)及其应用及

34、其应用基本基本(jbn)(jbn)属性属性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-基本基本(jbn)(jbn)参数：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-组织相关组织相关/敏感敏感-基本基本(jbn)(jbn)参数：参数：材料材料(cilio)(cilio)配方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页第五十五页，共75页。56 铁磁材料铁磁材料(cilio)(cilio)分类分类1.软磁材料软磁材料 能够迅速能够迅速(xn

35、 s)响应外磁场响应外磁场变化变化（快速磁化），且能低损耗地（快速磁化），且能低损耗地 获得高磁感应强度的材料。获得高磁感应强度的材料。磁极磁极(cj)磁路磁路 软磁材料软磁材料Hc40 KA/m.第55页/共74页第五十六页，共75页。57 用途：用途：磁路：变压器、继电器的磁芯磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、电动机转子和定子、磁路中的连接元件(yunjin)、感应圈铁芯。、感应圈铁芯。（利用高导磁率、低损耗）（利用高导磁率、低损耗）磁极：电磁极头、电子计算机开关元件磁极：电磁极头、电子计算机开关元件(yunjin)和存储元件和存储元件(yunji

36、n)等。等。（利用饱和磁化强度高）（利用饱和磁化强度高）电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用导磁率高、导电性）（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：降低磁滞损耗的措施：1）增加纯度，减小不均匀）增加纯度，减小不均匀(jnyn)性，性，2）减小各向异性，）减小各向异性，3）减小电阻率。）减小电阻率。第56页/共74页第五十七页，共75页。58 剩磁剩磁(shngc)电阻电阻(dinz)磁极磁极(cj)导磁导磁磁极磁极导磁导磁中频中频高频高频第57页/共74页第五十八页，共75页。59

37、2.2.硬磁材料硬磁材料 被外加磁场磁化后，撤掉磁场，被外加磁场磁化后，撤掉磁场，仍能保留较强磁性仍能保留较强磁性(cxng)(cxng)的一类材的一类材料。料。用用 途：途：制造各种永磁体（磁极制造各种永磁体（磁极(cj)），以便提供磁场空间；），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。可用于举重器、分料器和选矿器中。硬磁材料磁滞回线示意硬磁材料磁滞回线示意图图第58页/共74页第五十九页，共75页。60FeCrCo第59页/共74页第六十页，共75页。61第60页/共74页第六十一

38、页，共75页。62 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烧结永磁体、Sm2Co17多相沉淀硬化(ynghu)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中永磁材料永磁材料(cilio)分类分类第61页/共74页第六十二页，共75页。63 第62页/共74页第六十三页，共75页。64 一一Al-Ni-CoAl-Ni-Co合金合金(1960)(1960)它们是含有它们是含有A

39、lAl、NiNi、CoCo加上加上3%Cu3%Cu的铁基系合金的铁基系合金,以磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造以磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造/粉末冶金。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(r j)(r j)和受话器。和受话器。Al-Ni-Co Al-Ni-Co具有高具有高(BH)max=4070kJ/(BH)max=4070kJ/3 3，高剩磁，高剩磁Br=0.71.35Br=0.71

40、.35，适中的矫顽力，适中的矫顽力HcHc40160kA/m40160kA/m。第63页/共74页第六十四页，共75页。65二二 Fe-Cr-Co Fe-Cr-Co合金合金(1980)(1980)它是它是19711971年年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-CrFe-Cr

41、合金基础上发展的，合金基础上发展的，Fe-CrFe-Cr合金在合金在475 oC475 oC发生发生SpinodalSpinodal分解。分解。+，产生富铁的铁磁相，产生富铁的铁磁相和富铬的、低磁性相和富铬的、低磁性相 ，具有永磁性能，具有永磁性能 。但铬使但铬使BrBr、TcTc降低，在降低，在Fe-CrFe-Cr合金基础上加入合金基础上加入Co,Co,形成形成(xngchng)Fe-Cr-Co(xngchng)Fe-Cr-Co合金。合金。Co Co使使BrBr、TcTc提高提高,Spinodal,Spinodal分解温度提高。分解温度提高。第64页/共74页第六十五页，共75页。66成分，

42、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页第六十六页，共75页。67 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硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。

43、在铁氧体中金属离子处于四面体为A A位、八面体为位、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(rnwi)(rnwi)来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。磁铅石型铁氧体：一般式是磁铅石型铁氧体：一般式是MO.6Fe2O3,MO.6Fe2O3,这里这里M M代表二价金属代表二价金属BaBa、SrSr、PbPb；常用的为钡铁氧体；常用的为钡铁氧体(BaO6Fe2O3)(Ba

44、O6Fe2O3)、锶铁氧体、锶铁氧体(SrO6Fe2O3)(SrO6Fe2O3)和铅铁氧体和铅铁氧体(PbO6Fe2O3)(PbO6Fe2O3)。烧结成型。烧结成型。第66页/共74页第六十七页，共75页。68 成分成分Bs,TBs,THc,Hc,kA.mkA.m-1-1(BH)max,BH)max,kJ.m kJ.m-3-3Y30Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5

45、Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5Y25BHY25BH0.360.360.390.3917617621621623.923.927.127.1Y30BHY30BH0.380.380.400.4022422424024027.127.130.330.3第67页/共74页第六十八页，共75页。69 四、稀土永磁体四、稀土永磁体 稀土永磁材料的发展(fzhn)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

46、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页第六十九页，共75页。70 Nd2Fe14B晶体结构 四方点阵,空间(kngjin)群P42/mnm。a=0.882,c=1.219 nm 对Fe a=b=c=0.286nmNd 4f 46s2原子占4f、4g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。左图为左图为1个单胞由个单胞由4个个Nd2Fe14B化合物分子组成化合物分子

47、组成,箭头箭头(jintu)表示原子磁矩。表示原子磁矩。第69页/共74页第七十页，共75页。71 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(jn ln)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Nd2Fe14B 相.第70页/共74页第七十一页，共75页。72 铸铸态态组组织织(zzh)N

48、d2Fe14B：晶晶粒粒内内是是Nd2Fe14 B相相,晶晶界界是是富富Nd相相（吸吸引引畴畴壁壁，阻阻止止畴畴壁壁运运动动）,晶晶内内小小颗颗粒粒是是富富B相相。研研究究认认为为,晶晶界界、空空位位、位位错错等等金金属属的的缺缺陷陷是是畴畴壁壁很很强强的的钉钉扎扎中中心心,将将限限制制畴畴壁壁的位移的位移,从而提高磁体的矫顽力。从而提高磁体的矫顽力。成核理论：成核理论：晶粒边界软磁晶粒边界软磁性缺陷性缺陷(quxin)区区域反磁化成核域反磁化成核场场第71页/共74页第七十二页，共75页。73 以Nd2Fe14B四方相化合物为基体的Nd-Fe-B永磁材料，其磁体性能(xngnng)不仅限决于

49、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(xngnng)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(xngnng)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页第七十三页，共75页。74Thanks 铁磁材料铁磁材料(cilio)(cilio)的应用的应用第73页/共74页第七十四页，共75页。75感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第74页/共74页第七十五页，共75页。