2第二講磁性材料1ppt課件

1、 上節(jié)回顧上節(jié)回顧: 基本概念基本概念 功能復(fù)合效應(yīng)功能復(fù)合效應(yīng) 功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 界面效應(yīng)界面效應(yīng) 復(fù)合材料界面作用機理復(fù)合材料界面作用機理 影響界面穩(wěn)定性的因素影響界面穩(wěn)定性的因素第二章第二章 磁功能與復(fù)合材料磁功能與復(fù)合材料具有強磁性的材料稱為磁性材料。具有強磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、磁性材料廣泛地應(yīng)用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。儀器和儀表、航空

2、航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。 宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。 當(dāng)原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強。 當(dāng)原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。第一節(jié)第一節(jié) 磁性材料磁性材料磁性的產(chǎn)生磁性的產(chǎn)生宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強度宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強度M： M = 原子原子/V磁化強度磁化強度M 任何物質(zhì)在外磁場作用下，除了外磁場任何物質(zhì)在外磁場作用下，除了外磁場H外，由于物質(zhì)內(nèi)部外，由于物質(zhì)內(nèi)

3、部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個附加的磁場原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個附加的磁場M。在物質(zhì)內(nèi)部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應(yīng)強度在物質(zhì)內(nèi)部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應(yīng)強度B B。B = o(H+M) o - 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 = M / H - 磁化率磁化率 = B / H - 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 1. 1. 抗磁性反磁性）抗磁性反磁性）外場加速或減速軌道電子：最外外場加速或減速軌道電子：最外層電子貢獻最大層電子貢獻最大電子軌道的偏轉(zhuǎn)電子軌道的偏轉(zhuǎn)自由電子自由電子超導(dǎo)材料：超導(dǎo)材料：2. 順磁性順磁性 電子自旋自旋順磁性）電子自旋自旋順磁性） 外場使自旋磁矩的方向趨向外場使自旋磁矩的

4、方向趨向于沿著外場的方向于沿著外場的方向 受溫度影響較小受溫度影響較小 自由原子和稀土元素以及自由原子和稀土元素以及他們的鹽類和氧化物：他們的鹽類和氧化物： 受溫度影響較大受溫度影響較大Curie Law: Curie-Weiss Law: 軌道電子順磁性軌道電子順磁性只觀察到自旋順磁性：只觀察到自旋順磁性： 電子軌道和晶格的耦合阻止軌道磁矩變到外場方向電子軌道和晶格的耦合阻止軌道磁矩變到外場方向稀土元素：深層的稀土元素：深層的4f電子；晶格場被外層電子屏蔽電子；晶格場被外層電子屏蔽 g因子：軌道運動因子：軌道運動/自旋貢獻自旋貢獻順磁性與抗磁性順磁性與抗磁性順磁性：軌道和自旋順磁性的材料具有

5、未飽和順磁性：軌道和自旋順磁性的材料具有未飽和4f電子的稀土金屬）電子的稀土金屬）抗磁性：抗磁性：大多數(shù)材料沒有軌道順磁性，大多數(shù)材料沒有軌道順磁性，自旋磁矩是否相互抵消自旋磁矩是否相互抵消具有全填充電子能帶沒有凈自旋磁矩，本征半導(dǎo)體、絕緣體、離具有全填充電子能帶沒有凈自旋磁矩，本征半導(dǎo)體、絕緣體、離子晶體子晶體具有部分填充能帶的材料具有部分填充能帶的材料(順磁性順磁性)：Hunds ruleBohrBohr磁矩：磁矩：如如Fe，Co， Ni， Gd等金屬及其合金稱為鐵等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。磁性物質(zhì)。 3. 3. 鐵磁性鐵磁性圖15.7飽和磁化強度與溫度相關(guān)飽和磁化強度與溫度相關(guān)壓磁性

6、壓磁性PiezomagnetismPiezomagnetism）磁彈性磁彈性magnetostriction）: 鐵磁性亞鐵磁性、反鐵磁性物鐵磁性亞鐵磁性、反鐵磁性物質(zhì)放入磁場中尺度的變化質(zhì)放入磁場中尺度的變化Tb-Dy-Fe合金比合金比Fe和和Fe-Ni合金高合金高3個數(shù)量級個數(shù)量級Ni Fe交換能和靜態(tài)磁能的競爭交換能和靜態(tài)磁能的競爭為什么分成磁疇？為什么分成磁疇？一個自旋方向到另一個自旋方向的過渡？疇壁一個自旋方向到另一個自旋方向的過渡？疇壁Block wall）Barkhausen effect: 外場下疇壁的變化是跳動的。（晶體的缺陷）外場下疇壁的變化是跳動的。（晶體的缺陷）冷加工增

7、加矯頑力和磁滯回線的面積：冷加工增加矯頑力和磁滯回線的面積：冷加工降低磁導(dǎo)率，引起磁滯回線的順時針旋轉(zhuǎn)。冷加工降低磁導(dǎo)率，引起磁滯回線的順時針旋轉(zhuǎn)。力學(xué)硬度和磁的硬度多數(shù)情況下是相互平行的硅鐵是例外）力學(xué)硬度和磁的硬度多數(shù)情況下是相互平行的硅鐵是例外）4. 4. 反鐵磁性反鐵磁性MnO MnF2FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強度相等，沒有磁性。等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強度相等，沒有磁性。Neel temperature基本沒有實際應(yīng)用基本沒有實際應(yīng)用5. 亞鐵磁

8、性亞鐵磁性(Ferrimagnetism)行為和鐵磁性類似磁疇和磁滯回線）行為和鐵磁性類似磁疇和磁滯回線）陶瓷材料氧化物）：電導(dǎo)性差，高頻應(yīng)用抑制陶瓷材料氧化物）：電導(dǎo)性差，高頻應(yīng)用抑制eddy電流）電流）不完美的反鐵磁性不完美的反鐵磁性Fe: 3d64s2；Ni:3d84s2磁矩和實驗值的差別：軌道效應(yīng)和磁矩和實驗值的差別：軌道效應(yīng)和金屬離子在金屬離子在A和和B位的分布偏離位的分布偏離NiNi鐵氧體：鐵氧體：NiOFe2O3NiOFe2O3反尖晶石結(jié)構(gòu)反尖晶石結(jié)構(gòu)inverse spinel structure）ZnOFe2O3 normal spinel飽和磁化強度和磁化率隨溫度的變化飽和

9、磁化強度和磁化率隨溫度的變化三、應(yīng)用三、應(yīng)用 電工鋼(electrical steel)：電動機用每年達百萬噸，上億美元 永磁體：擴聲器，磁記錄材料1. 1. 電工鋼軟磁材料）電工鋼軟磁材料）高的磁導(dǎo)率高的磁導(dǎo)率易于磁化和退磁易于磁化和退磁磁滯回線中的區(qū)域應(yīng)該小磁滯回線中的區(qū)域應(yīng)該小在電動機和變壓器中的能量損失，每年全美國有在電動機和變壓器中的能量損失，每年全美國有31010kWh，相當(dāng)，相當(dāng)于于3百萬人的能量消耗，浪費百萬人的能量消耗，浪費20億美元。通過改善磁芯，能量損失減億美元。通過改善磁芯，能量損失減少少5%，就可以每年節(jié)省，就可以每年節(jié)省1億美元。億美元。電磁線圈的芯，變壓器、電動機

10、、發(fā)電機、電磁鐵電磁線圈的芯，變壓器、電動機、發(fā)電機、電磁鐵（1 1鐵芯損耗鐵芯損耗(core losses)(core losses)Eddy current絕緣體貴）（高頻應(yīng)用包覆絕緣層的絕緣體貴）（高頻應(yīng)用包覆絕緣層的鐵粉壓成鐵粉壓成50-100微米）（電導(dǎo)降低的同時微米）（電導(dǎo)降低的同時磁導(dǎo)率降低）磁導(dǎo)率降低）薄片組成薄片組成A降低）降低）磁滯損失磁滯損失hysteresis losses）(材料選擇材料選擇;軋制和退火軋制和退火) 措施：措施：相關(guān)量：相關(guān)量：（2 2晶粒取向晶粒取向通過采用合適的晶粒取向可以增加磁導(dǎo)率和降低磁滯損耗通過采用合適的晶粒取向可以增加磁導(dǎo)率和降低磁滯損耗磁

11、各向異性磁各向異性magnetic anisotropy）（鐵單晶）（鐵單晶）軋制和退火使某個晶向平行于軋制方向軋制和退火使某個晶向平行于軋制方向晶粒取向的電工鋼晶粒取向的電工鋼Grain-oriented electrical steel） 熱軋，冷軋，退火，冷軋熱軋，冷軋，退火，冷軋（3 3芯材料的組分芯材料的組分低碳鋼低碳鋼0.05%C）（廉價）（廉價） 純化：增加磁導(dǎo)率的同時增加電導(dǎo)率和成本純化：增加磁導(dǎo)率的同時增加電導(dǎo)率和成本Fe-Si 合金合金(1.4-3.5%Si) 高的磁導(dǎo)率和低的電導(dǎo)率高的磁導(dǎo)率和低的電導(dǎo)率 在高溫下應(yīng)用再降溫不相變在高溫下應(yīng)用再降溫不相變 增加增加Si的含量

12、芯損失降低，但是變脆不容易軋制的含量芯損失降低，但是變脆不容易軋制 增加增加Al和和Mn: 影響晶粒結(jié)構(gòu)和降低磁滯損耗影響晶粒結(jié)構(gòu)和降低磁滯損耗最高的磁導(dǎo)率是最高的磁導(dǎo)率是NiNi基合金：用于電子設(shè)備屏蔽磁場基合金：用于電子設(shè)備屏蔽磁場改善方法改善方法（4非晶磁體非晶磁體Amorphous metals (metallic glasses)在晶化溫度以下退火應(yīng)力松弛具有相當(dāng)高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力在晶化溫度以下退火應(yīng)力松弛具有相當(dāng)高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力具有低的電導(dǎo)，小的具有低的電導(dǎo)，小的eddyeddy電流損失電流損失低的飽和磁化強度，升高溫度迅速降低低的飽和磁化強度，升高溫度迅速降低低電流器件

13、的應(yīng)用：通訊設(shè)備的變壓器，磁感應(yīng)器低電流器件的應(yīng)用：通訊設(shè)備的變壓器，磁感應(yīng)器大的剩磁，相對大的矯頑力和磁滯回線包圍面積大的剩磁，相對大的矯頑力和磁滯回線包圍面積退磁曲線退磁曲線退磁場退磁場HdHd和磁體的形狀相關(guān)和磁體的形狀相關(guān)邊緣通量和磁體邊上的漏磁邊緣通量和磁體邊上的漏磁磁能積磁能積Alnico合金合金(少量的少量的Cu和和Ti) 1250 1250 加熱使材料均一化；急冷；在加熱使材料均一化；急冷；在600 600 回火回火 在磁場中冷卻合金在磁場中冷卻合金 晶粒取向：融化后冷卻坩堝的底部，形成長柱形晶粒具有沿著晶粒取向：融化后冷卻坩堝的底部，形成長柱形晶粒具有沿著熱流的熱流的方向方向

14、冷卻和回火中形成柱狀鐵和富冷卻和回火中形成柱狀鐵和富Co的沉淀物，平行于的沉淀物，平行于方向，這方向，這些磁性沉淀物是單疇顆粒，埋置在弱磁的些磁性沉淀物是單疇顆粒，埋置在弱磁的Ni和和Al基體中，從而具有基體中，從而具有易磁化方向的立方晶體結(jié)構(gòu)。易磁化方向的立方晶體結(jié)構(gòu)。硬脆只能通過鑄造或者壓制和燒結(jié)金屬粉末成型。硬脆只能通過鑄造或者壓制和燒結(jié)金屬粉末成型。Nd-B-Fe合金是最新的硬磁材料具有優(yōu)秀的矯頑力和大的磁能合金是最新的硬磁材料具有優(yōu)秀的矯頑力和大的磁能積；缺點是具有相對較低的居里溫度積；缺點是具有相對較低的居里溫度300 ）陶瓷鐵氧體磁體陶瓷鐵氧體磁體 (脆，相對不貴脆，相對不貴)

15、Ba或或Sr鐵氧體鐵氧體BaO6Fe2O3和和SrO6Fe2O3）片狀的，垂直方向是易磁化方向，在燒結(jié)時互相平行形成好的片狀的，垂直方向是易磁化方向，在燒結(jié)時互相平行形成好的徑向。徑向。鐵氧體粉末和塑料材料制成彈性磁體。鐵氧體粉末和塑料材料制成彈性磁體。(冰箱門的墊圈冰箱門的墊圈)高碳鋼磁體包含或不包含高碳鋼磁體包含或不包含CoCo、W W、CrCr）比其他磁體性能差比其他磁體性能差磁性源于馬氏體誘導(dǎo)的內(nèi)部應(yīng)力，阻止磁疇壁的移動磁性源于馬氏體誘導(dǎo)的內(nèi)部應(yīng)力，阻止磁疇壁的移動C、N等非金屬元素添加入鐵等非金屬元素添加入鐵/稀土磁體如稀土磁體如Fe-Nd-C或或Fe17Sm2Nx N處理燒結(jié)的處理

16、燒結(jié)的Fe14Nd2B可以增加居里溫度可以增加居里溫度100 Fe17Sm2的氮化導(dǎo)致室溫下矯頑力的氮化導(dǎo)致室溫下矯頑力2.4106 A/m(30kOe)，剩磁，剩磁1.5T，居里溫度，居里溫度470 Fe-Nd-B的腐蝕形成的腐蝕形成Nd(OH)3 ）可以通過利用合金化合物改善，如：可以通過利用合金化合物改善，如：Fe-Nd-Al，F(xiàn)e-Nd-Ga或者或者應(yīng)用阻止潮氣的涂層應(yīng)用阻止潮氣的涂層研究方向：研究方向：耐腐蝕、本錢、剩磁、矯頑力、磁有序溫度和加工工藝。耐腐蝕、本錢、剩磁、矯頑力、磁有序溫度和加工工藝。3. 3. 磁記錄和磁存儲磁記錄和磁存儲磁帶、磁盤、銀行卡的磁條等包含磁帶、磁盤、銀行卡的磁條等包含0.10.5m的針狀氧化物顆的針狀氧化物顆粒粒(單個磁疇單個磁疇)，埋置在沒有磁性的粘合劑中，埋置在沒有磁性的粘合劑中亞鐵磁性的亞鐵磁性的-Fe2O3: Hc=20-28kA/m鐵磁性的鐵磁性的CrO2: 40-80kA/m； 0.050.4m；低的居里溫度；低的居里溫度128高的矯頑力和高的剩磁阻止自退磁和偶然的擦除，強的信號和更薄的涂層高的矯頑力和高的剩磁阻止自退磁和偶然的擦除，強的信號和更薄的涂層Co摻雜的摻雜的-Fe2O3:48kA/m鐵顆粒：鐵顆粒： 120kA/m；表面需要涂；表面需要涂Sn磁頭磁頭(recording