磁性材料 第6章 技術(shù)磁化理論--磁性材料ppt課件

第二章技術(shù)磁化理論,第1節(jié)技術(shù)磁化過程,2節(jié)反磁化過程,第2節(jié)靜態(tài)磁參數(shù)分析,Weiss分子場假說自旋交換作用導(dǎo)致磁性體內(nèi)部存在分子場，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化（MST關(guān)系，以及居里點的存在）在未受外磁場作用時為什么絕大多數(shù)鐵磁體不顯示宏觀磁性呢？磁疇假說磁疇的概述：寬度約為10-3cm，包含1014個磁性原子（從微觀和宏觀兩種角度認(rèn)識磁疇）,Introduce,磁疇結(jié)構(gòu)：磁疇的大小、形狀以及它們在鐵磁體內(nèi)的排布方式。研究磁疇結(jié)構(gòu)的形式及其在外磁場中的變化是磁學(xué)的重要內(nèi)容之一,（1）了解鐵磁體內(nèi)部自發(fā)磁化的分布；（2）為研究磁化過程提供理論依據(jù),鐵磁體為什么形成磁疇？磁疇的尺寸和結(jié)構(gòu)與哪些因素有關(guān)？,所有這一切都是由鐵磁體系統(tǒng)內(nèi)的總自由能等于極小值所決定的。具體而言，鐵磁體磁疇結(jié)構(gòu)的形成以及磁化過程中磁化曲線、磁滯回線上的每一點都代表鐵磁體的平衡狀態(tài)，而從熱力學(xué)的觀點來看，在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的總自由能等于極小值,第1節(jié)技術(shù)磁化TechnicalMagnetization,鐵磁性物質(zhì)的基本特征：（1）、鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在按磁疇分布的自發(fā)磁化（2）、鐵磁性物質(zhì)的磁化率很大（3）、鐵磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與磁化磁場強(qiáng)度之間不是單值函數(shù)關(guān)系，顯示磁滯現(xiàn)象，具有剩余磁化強(qiáng)度，其磁化率都是磁場強(qiáng)度的函數(shù)（4）、鐵磁性物質(zhì)有一個磁性轉(zhuǎn)變溫度-居里溫度TC（5）、鐵磁性物質(zhì)在磁化過程中，表現(xiàn)為磁晶各向異性和磁致伸縮現(xiàn)象,一、磁化過程概述(Generalofmagnetizingprocess),1、一些基本概念：,磁化過程：指處于磁中性狀態(tài)的強(qiáng)磁性體在外磁場的作用下，其磁化狀態(tài)隨外磁場發(fā)生變化的過程，分為靜態(tài)磁化過程和動態(tài)磁化過程當(dāng)磁場作準(zhǔn)靜態(tài)變化時，稱為靜態(tài)磁化過程（又分為技術(shù)磁化和內(nèi)稟磁化）；當(dāng)磁場作動態(tài)變化時，稱為動態(tài)磁化過程技術(shù)磁化：指施加準(zhǔn)靜態(tài)變化磁場于強(qiáng)磁體，使其自發(fā)磁化的方向通過磁化矢量M的轉(zhuǎn)動或磁疇移動而指向磁場方向的過程,2、磁化曲線的基本特征：,鐵磁性、亞鐵磁性磁化曲線為復(fù)雜函數(shù)關(guān)系,強(qiáng)磁體的磁化曲線可分為五個特征區(qū)域：,（1）、起始磁化區(qū)（可逆磁化區(qū)域）MiHB0iH（i1+i）,（2）、Rayleigh區(qū)：仍屬弱場范圍，其磁化曲線規(guī)律經(jīng)驗公式：,（3）、陡峭區(qū)中等場H范圍，M變化很快。特點是不可逆磁化過程，發(fā)生巴克豪森跳躍的急劇變化，其與均很大且達(dá)到最大值又稱最大磁導(dǎo)率區(qū),（4）、趨近飽和磁化區(qū)較強(qiáng)H，M變化緩慢，逐漸趨于技術(shù)磁化飽和。符合趨于飽和定律：,其中a、b與材料形狀有關(guān),（5）、順磁磁化區(qū)需極高的H，難以達(dá)到。在技術(shù)磁化中不予考慮,3、磁化過程的磁化機(jī)制：,若磁體被磁化，則沿外磁場強(qiáng)度H上的磁化強(qiáng)度MH可以表示為：,當(dāng)外磁場強(qiáng)度H發(fā)生微小的變化H，則相應(yīng)的磁化強(qiáng)度的改變MH可表示為：,疇壁位移磁化過程,磁疇轉(zhuǎn)動磁化過程,順磁磁化過程,即技術(shù)磁化過程為疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動兩種基本磁化機(jī)制,強(qiáng)磁性材料被磁化，實質(zhì)上是材料受外磁場H的作用，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也即是磁體內(nèi)部總能量的平衡分布重新調(diào)整過程,技術(shù)磁化過程大致可以分為三個階段：（i）、可逆疇壁位移磁化階段（弱場范圍內(nèi)）：若H退回到零，其M也趨于零。（多見于金屬軟磁材料和磁導(dǎo)率較高的鐵氧體中）（ii）、不可逆疇壁位移磁化階段（中等磁場范圍內(nèi)）即有Barkhausenjumps發(fā)生（iii）、磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動磁化階段（較強(qiáng)磁場范圍內(nèi)）此時樣品內(nèi)疇壁位移已基本完畢，要使M增加，只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。一般情況下，可逆與不可逆磁疇轉(zhuǎn)動同時發(fā)生于這個階段,第2節(jié)反磁化過程ReversalofMagnetizingProcess,一、概述,反磁化過程：鐵磁體從一個方向飽和磁化狀態(tài)變?yōu)橄喾捶较虻募夹g(shù)飽和磁化狀態(tài)的過程；主要特征磁滯現(xiàn)象（磁化強(qiáng)度M隨H變化中出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象）來自于不可逆磁化過程實驗證明，一般的磁性材料除在極低的磁場或極高磁場以外，在不同大小的磁場作用下反復(fù)磁化均可得到相應(yīng)的磁致回線，而其中最大的回線就是飽和磁滯回線（Hc、Mr）,與磁化過程一樣，反磁化中也存在可逆與不可逆磁化過程反磁化過程中，磁滯形成的根本原因主要由于鐵磁體內(nèi)存在應(yīng)力起伏、雜質(zhì)以及廣義磁各向異性引起不可逆磁化過程；所以磁滯與反磁化過程中的阻力分布有密切的關(guān)系；磁滯的機(jī)制肯定包括下面兩種：（1）在疇壁不可逆位移過程中，由應(yīng)力和雜質(zhì)所引起的磁滯；（2）在磁疇不可逆轉(zhuǎn)動過程中，由磁各向異性能所引起的磁滯。,與技術(shù)磁化過程不同，反磁化過程是從技術(shù)飽和磁化狀態(tài)開始的（似乎不存在磁疇結(jié)構(gòu)）；反磁化過程產(chǎn)生磁滯的第三種機(jī)理：反磁化核的成長過程（晶格的點缺陷、面缺陷對疇壁的釘扎也是引起磁滯的另一種重要機(jī)制）一般來說，軟磁材料中主要是由不可逆疇壁位移導(dǎo)致磁滯，而某些單疇顆粒材料中，磁滯主要是由不可逆疇轉(zhuǎn)磁化過程來決定；同時在有些材料中，反磁化是通過反磁化核的生長來實現(xiàn)，因此其磁滯主要決定于反磁化核生長的阻力,注意：矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Mr是磁滯回線上的物理量，而矯頑力HC是表征磁滯的主要磁學(xué)量，在一級近似下，Hc可看作不可逆磁化過程的臨界磁場H0的平均值來進(jìn)行計算，即：,其物理意義就是相應(yīng)于鐵磁體中大量地進(jìn)行反磁化的平均磁場；即當(dāng)外磁場達(dá)到H0時，鐵磁體內(nèi)的不可逆磁化過程已大部分進(jìn)行完了研究反磁化問題的核心就是計算矯頑力,第3節(jié)靜態(tài)磁參數(shù)分析AnalysisofStaticMagneticParameters,一、起始磁化率i,起始磁化率i是軟磁材料工作在弱磁場中的一個重要磁性參數(shù)，也是電訊工程技術(shù)上應(yīng)用磁性材料性能的重要指標(biāo)；技術(shù)磁化理論中的起始磁化率的共同特點：與材料的飽和磁化強(qiáng)度MS的平方成正比，而與材料內(nèi)部存在的S、K1和雜質(zhì)濃度成反比；即與很多因素有關(guān)，如雜質(zhì)、氣孔以及晶粒大小、取向和排列等有密切關(guān)系；目前的磁化理論還不能精確計算起始磁化率i，但如果要想獲得高的起始磁化率必須從材料的四個方面來考慮：（1）材料的磁化強(qiáng)度MS；（2）材料的K1和S；（3）材料晶體結(jié)構(gòu)的完整性；（4）材料組成成分的均勻性,（一）、材料的飽和磁化強(qiáng)度MS：,磁化理論決定的起始磁化率i均與Ms2成正比，所以提高M(jìn)S的大小有利于獲得高的i；在軟磁材料中可以選擇適當(dāng)?shù)呐浞匠煞忠院?，確實可以提高材料的MS值；MS值一般不可能變動很大，且提高M(jìn)S后不一定能夠同時保證低的K1和S等所以改變MS的大小并不是提高起始磁化率i的最有效的方法,（二）、磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)S：,控制S和K1是改善起始磁化率i的一個重要途徑（無論是在疇壁位移還是在疇轉(zhuǎn)磁化過程中）例如Fe-Ni合金的K1和S隨其成分及結(jié)構(gòu)不同而變化，而且可以在很大范圍內(nèi)變化其大小和符號,可能使K1和S很小，甚至可以使K10和S0。如含78.5Ni的Fe-Ni坡莫合金，經(jīng)過雙重?zé)崽幚砗罂墒蛊淦鹗即艑?dǎo)率增高到104,對于軟磁鐵氧體材料，控制材料中幾種成分的適當(dāng)比例，可以制成K1和S較低的復(fù)合鐵氧體材料，通常采用加入ZnO和過鐵配方以達(dá)到同時降低K1和S值的目的,一般尖晶石鐵氧體材料的K10的CoFe2O4或S0的Fe3O4均可達(dá)到降低K1和S的目的,（三）、內(nèi)應(yīng)力和摻雜及其分布：,方案：盡量減少材料中的雜質(zhì)含量和內(nèi)應(yīng)力的分布，主要通過選擇原料純度、控制燒結(jié)溫度以及熱處理條件來實現(xiàn)例如：鐵氧體材料，若選擇原料純度高、活性好、適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和時間、熱處理條件就可以使燒成的材料結(jié)構(gòu)均勻、晶粒大小適當(dāng)，雜質(zhì)和空隙較少；金屬軟磁材料，通過選擇成分、原料純度、控制熔煉過程的溫度和時間以及熱處理條件等，可以得到單相、無氣泡、雜質(zhì)少以及低的殘余應(yīng)力實踐證明，熱處理對于材料結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)影響很大，因而可能影響到K1和S的性質(zhì)，如對于S大的材料要注意降低內(nèi)應(yīng)力，而K1大的材料則要盡量減少雜質(zhì)的含量,（四）控制晶粒尺寸的大?。?若材料晶粒大，晶界對疇壁位移的阻滯較??；實驗已證明，起始磁化率隨晶粒尺寸的增大而升高，且隨著晶粒尺寸大小的不同，對起始磁化率i的貢獻(xiàn)的磁化機(jī)制也不同；如MnZn鐵氧體材料，當(dāng)其晶粒在5m以下時，磁導(dǎo)率約為500左右，這時晶粒近似為單疇，其貢獻(xiàn)是以疇轉(zhuǎn)磁化為主，若晶粒尺寸在5m以上時，已不是單疇，將會發(fā)生疇壁位移，其磁導(dǎo)率增大為3000以上,晶粒的尺寸大小一般要受到燒結(jié)條件及熱處理的影響，提高鐵氧體燒結(jié)溫度，可以使晶粒長大，有利于提高磁導(dǎo)率，但燒結(jié)溫度過高，會使材料內(nèi)部某些元素?fù)]發(fā)而產(chǎn)生大空隙和應(yīng)力，對提高磁導(dǎo)率產(chǎn)生不利的一面,（五）材料的織構(gòu)化,利用i的各向異性特點來改進(jìn)磁性材料的磁特性的一種特殊方法，分結(jié)晶織構(gòu)和磁疇織構(gòu)兩種方法；結(jié)晶織構(gòu)：將各晶粒易磁化軸排列在同一個方向上，若沿該方向磁化可獲得高的i；磁疇織構(gòu)：使磁疇沿磁場方向取向排列，從而提高i,二、剩余磁化強(qiáng)度MR,剩余磁化強(qiáng)度MR的大小，決定于材料從飽和磁化降到H0的反磁化過程中磁疇結(jié)構(gòu)的變化；它是反磁化過程中不可逆磁化的標(biāo)志，也是決定磁滯回線形狀大小的一個重要物理量,剩余磁化狀態(tài)：鐵磁體磁化至飽和后，再將外磁場減退至零的狀態(tài)，即H0，而M0的磁化狀態(tài)；一般可以理解為鐵磁體磁化至飽和后，在反磁化過程中保留了大量不可逆的磁化部分，而退掉了在H0區(qū)域中的可逆磁化部分,以由單軸各向異性晶粒組成的多晶體為例說明剩余磁化的磁疇結(jié)構(gòu)變化示意圖,在多晶體中，假設(shè)晶粒的單易磁化軸是均勻分布的，當(dāng)多晶體在某個方向磁化飽和后，再將外磁場降為零，由于不可逆磁化的存在，各個晶粒內(nèi)的磁矩不是從飽和磁化方向回到自己原來的易磁化軸方向，而是只回到各自最靠近外磁場方向上的那些易磁化軸方向，所以磁矩均勻分布在半球內(nèi),則在原來磁場方向上保留的剩磁大小可近似為MRMScos，其中為外磁場與每個晶粒的易磁化軸間的夾角,三、矯頑力HC,H,M,B,BHC,MHC,磁感矯頑力BHC：在BH磁滯回線上，使B0的磁場強(qiáng)度;內(nèi)稟矯頑力MHC：在MH磁滯回線上，使M0的磁場強(qiáng)度;通常情況下，,1、兩種矯頑力的定義：,2、各種因素決定的矯頑力Hc：,3、控制矯頑力HC大小的有效途徑：,軟磁HC要小，而硬磁HC要大，如何做到這一點呢？采用什么途徑呢？根本出發(fā)點：根據(jù)決定矯頑力HC的磁滯機(jī)理理論，在工藝制作中控制影響HC大小的各種因素,（1）、如何提高矯頑力HC：,a、增強(qiáng)對疇轉(zhuǎn)磁化的阻力通過疇轉(zhuǎn)獲得高矯頑力HC的必要條件為使材料形成單疇顆粒，其充分條件則是提高材料的磁各向異性,b、提高對疇壁位移的阻力基本方向：增大內(nèi)應(yīng)力的起伏分布和增加雜質(zhì)的體積濃度，同時若提高材料的S和K1將更有效,誤區(qū)：認(rèn)為高矯頑力HC的材料一定是單疇結(jié)構(gòu)，且由位移磁化過程所決定的往往不高,60年代以后，對鐵氧體永磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，其反磁化過程是以反磁化核生長而通過疇壁位移進(jìn)行的，可以獲得HC高達(dá)約106/4(A/m),70年代以來，針對高K1的稀土合金研究，發(fā)展了疇壁位移阻力的理論，提出了疇壁釘扎的概念來解釋稀土永磁合金高HC的來源問題如SmCo5材料HC高達(dá)約4106(A/m),總之，提高對反磁化核生長的阻滯以及疇壁位移的阻滯是提高矯頑力的普適方法之一,（）、如何降低矯頑力HC：,軟磁材料要求矯頑力HC越小越好，一般其HC為0.1100A/m的數(shù)量級，顯然不是單疇顆粒材料所為;軟磁材料的反磁化過程是通過疇壁位移來進(jìn)行的；降低HC的總體原則：降低內(nèi)應(yīng)力起伏、雜質(zhì)濃度含量以及其它缺陷分布；若內(nèi)應(yīng)力不易消除，則應(yīng)注意降低S；若雜質(zhì)較多，則應(yīng)注意降低K1值（與提高起始磁化率的方法一致）,四、最大磁能積（BH）max,1、（BH）max的理論值：,基本特征：Mr=MS，MHCMSBr=BS=0MS，BHC=MS,理想退磁曲線方程仍可以表示為：,判別一種永磁材料是否有發(fā)展?jié)摿Φ睦碚撘罁?jù),2、（BH）max的確定：,B1,H1,3、HC、Br、（B