磁性材料論文

摘要磁性材料最開始在中國被發(fā)現(xiàn)并應用于中國四大發(fā)明中的指南針上，隨后歷經(jīng)多年的發(fā)展，磁性材料已經(jīng)廣泛的應用在我們的生活之中，也與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經(jīng)濟的方方面面緊密相關。本文綜述了對磁性材料的認識，磁性材料的分類與相關概況，磁性材料的基本特性，磁性材料的機理與生產工藝，實際應用以及發(fā)展前景等。Abtract：MagneticmaterialsinthebeginninginChinawasfoundandappliedinthefourgreatinventionsofthecompass,andaftermanyyearsofdevelopment,magneticmaterialshavebeenwidelyusedinourlife,andwiththeinformation,automation,mechanicalandelectricalintegration,nationaldefense,nationaleconomyiscloselyrelatedtoallaspectsof.Thispapersummarizesthemagneticmaterialunderstanding,magneticmaterialsclassificationandrelatedsurvey,thebasiccharacteristicofthemagneticmaterial,themechanismofmagneticmaterialsandproductionprocess,applicationanddevelopmentprospect,etc.Keywords：MagneticmaterialsApplicationsofMagneticmaterialsDevelopmentofMagneticmaterials磁性材料關鍵詞磁性材料磁性材料的應用磁性材料的發(fā)展前景1磁性材料的認識中國是世界上最先發(fā)現(xiàn)物質磁性現(xiàn)象和應用磁性材料的國家。早在戰(zhàn)國時期就有關于天然磁性材料（如磁鐵礦）的記載。11世紀就發(fā)明了制造人工永磁材料的方法。1086年《夢溪筆談》記載了指南針的制作和使用。1099～1102年有指南針用于航海的記述，同時還發(fā)現(xiàn)了地磁偏角的現(xiàn)象。近代，電力工業(yè)的發(fā)展促進了金屬磁性材料——硅鋼片（Si-Fe合金）的研制。永磁金屬從19世紀的碳鋼發(fā)展到后來的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。20世紀40年代，荷蘭J.L.斯諾伊克發(fā)明電阻率高、高頻特性好的鐵氧體軟磁材料，接著又出現(xiàn)了價格低廉的永磁鐵氧體。50年代初，隨著電子計算機的發(fā)展，美籍華人王安首先使用矩磁合金元件作為計算機的內存儲器，不久被矩磁鐵氧體記憶磁芯取代。50年代初人們發(fā)現(xiàn)鐵氧體具有獨特的微波特性，制成一系列微波鐵氧體器件。后來又出現(xiàn)了強壓磁性的稀土合金，非晶態(tài)（無定形）磁性材料等?，F(xiàn)代磁性材料已經(jīng)廣泛的用在我們的生活之中，例如將永磁材料用作馬達，應用于變壓器中的鐵心材料，作為存儲器使用的磁光盤，計算機用磁記錄軟盤等。可以說，磁性材料與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經(jīng)濟的方方面面緊密相關。而通常認為，磁性材料是指由過度元素鐵、鈷、鎳及其合金等能夠直接或間接產生磁性的物質。2磁性材料的分類與概念磁性材料具有磁有序的強磁性物質，廣義還包括可應用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。磁性是物質的一種基本屬性。物質按照其內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等。2.1永磁材料永磁材料經(jīng)外磁場磁化以后，即使在相當大的反向磁場作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩余磁感應強度Br高，矯頑力BHC(即磁性材料抗退磁能力)強，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場能量)大。相對于軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。2.1.1永磁材料的分類永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類：合金類：包括鑄造、燒結和可加工合金。鐵氧體類：主要成分為MO?6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復合組分。③金屬間化合物類：主要以MnBi為代表。2.1.2永磁材料的應用永磁材料有多種用途①基于電磁力作用原理的應用主要有：揚聲器、話筒、電表、按鍵、電機、繼電器、傳感器、開關等。②基于磁電作用原理的應用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基于磁力作用原理的應用主要有：磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、復印機、控溫計等。其他方面的應用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。根據(jù)使用的需要，永磁材料可有不同的結構和形態(tài)。有些材料還有各向同性和各向異性之別。2.2．軟磁材料它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此，對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度，同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應強度Bs則越大越好。2.2.1軟磁材料的分類軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態(tài)合金薄3.1.2基本磁化曲線圖2基本磁化曲線圖3退磁曲線對于同一鐵磁材料，若開始時不帶磁性，依次選取磁化電流為I1、I2、…Im(I1<I2…<Im)則相應的磁場強度為H1、H2、…、Hm。在每一個選定的磁場值下，使其方向發(fā)生兩次變化（即H1→-H1→H1,…Hm→-Hm→Hm等），則可得到一組逐漸增大的磁滯回線我們把原點o和各個磁滯回線的頂點a1、a2、…、a所連成的曲線，稱為鐵磁材料的基本磁化曲線（圖2）。在理論上，要消除剩磁Br，只需通一反方向磁化電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就行。實際上，矯頑磁力的大小通常并不知道，因而無法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟示：如果使鐵磁材料磁化達到飽和，然后不斷改變磁化電流的方向，與此同時逐漸減小磁化電流，以至于零，那么該材料得磁化過程就是一連串逐漸縮小而最終趨于原點的環(huán)狀曲線，如圖3所示。當H減小到零時，B亦同時降為零，達到完全退磁。3.2軟磁材料的常用磁性能參數(shù)3.2.1飽和磁感應強度Bm其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態(tài)是材料內部的磁化矢量整齊排列，是永磁材料極為重要的參數(shù)。永磁材料的飽和磁化強度越高，它標志著材料的最大磁能積和剩磁可能達到的上限值越高。3.2.2剩余磁感應強度Br是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時的B值，即鐵磁體磁化到飽和并去掉外磁場后，在磁化方向保留的剩余磁化強度或剩余磁感應強度稱為剩磁。3.2.3矩形比Br∕Bm，表示磁記錄材料磁滯回線矩形程度的重要參數(shù)，符號Rs。它是材料最大剩余磁通密度Br與最大磁通密度Bm之比，即Rs=Br/Bm。對于磁記錄材料而言，矩形比愈大愈好，一般Rs值應為0.90～0.97左右。矩形比也稱矩形系數(shù)。3.2.4矯頑力Hc是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。鐵磁體磁化到飽和后，使它的磁化強度或磁感應強度降低到零所需要的反向外磁場稱為矯頑力。3.2.5磁導率μ是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關。初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp。3.2.6居里溫度Tc鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。3.2.7損耗P磁滯損耗Ph及渦流損耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2/，ρ降低，降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）3.2.8最大磁能積最大磁能積是退磁曲線上磁感應強度和磁場強度乘積的最大值。這個值越大，說明單位體積內存儲的磁能越大，材料的性能越好。3.3軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉換在設計軟磁器件時，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉換關系。設計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應的電氣參數(shù)。4市場分析與前景4.1中國磁性產品市場變化產品檔次從低端向高端發(fā)展，高檔產品占全部產量的30%以上。產品向片式化、集約化發(fā)展，器件尺寸越來越小。國際市場競爭，促使磁性材料的價格下降。磁性產品向新技術和新應用領域發(fā)展。4.1.1中國家電市場的變化平板電視的發(fā)展、變頻空調、冰箱壓縮機洗衣機、微波爐、電磁爐、電剃刀、廚房用品等用磁的發(fā)展。平面顯示器是典型的數(shù)字電子消費品。提供的一些重要電子元件，這些元件可以使平面顯示器更薄，質量更高，電磁噪音更低。數(shù)字家電產品要求磁性元件抗電磁干擾和電磁兼容材料。隨著電子設備向高頻、高速、高組裝密度發(fā)展，各類磁芯向高磁導率、高頻化和小型化發(fā)展?，F(xiàn)在國際上綠色環(huán)保對電磁干擾和電磁兼容提出更高的要求，禁止無上述功能的電子設備銷售。4.1.2工業(yè)類整機應用發(fā)展汽車工業(yè)、IT行業(yè)、通訊行業(yè)中國成為世界最大生產基地和銷售市場之一，具有良好的發(fā)展前景。WTO后，與世界接軌，電子、電力產品必須達到抗電磁干擾，市場強勁，世界各大電子元件公司投入開發(fā)，我國起步較晚，EMI對策元件將迅速發(fā)展，器件片式化、微小型化、高頻化、集成化發(fā)展，磁性薄膜和厚膜是EMI軟磁元件面臨的主題。另外，汽車成為中國經(jīng)濟的第五柱工業(yè)，2006排名世界第三(1-7月)生產400萬輛，2010年達1000萬輛，磁性材料最大的受益行業(yè)之一，現(xiàn)在汽車是“行駛的計算機”舒適、安全的理念，新一代汽車技術的開發(fā)碩果頻頻，如混合動力和燃料電池汽車和用于無線通訊的遠程信息處理技術。同時，汽車的安全保障是無條件的。汽車導航系統(tǒng)被認為是汽車的“大腦”，并且在日益計算機化。它們是如此的便利，以至于一旦使用，便難以釋手。功能的進化是飛速的，包括數(shù)據(jù)的存儲從DVD到移動硬盤的更新?lián)Q代。4.2磁性材料市場前景中國的磁性材料工業(yè)憑借豐富的資源和勞動力的優(yōu)勢，以及巨大的國內外市場的支持，一躍成為世界磁性材料生產大國和制造中心。據(jù)制冷快報記者了解，我國磁性材料中低檔產品占據(jù)國際市場的60%以上，高檔產品方面也開始形成競爭力?？v觀國際國內市場發(fā)展的需求，在通信、計算機、汽車和電動自行車以及消費類電子產品市場的拉動下，磁性材料市場前景十分光明。隨著產業(yè)扶持政策的頒布實施，一大批企業(yè)更是迎著政策的東風搶占市場的制高點，競爭態(tài)勢空前高漲、磁性材料行業(yè)的發(fā)展將迎來黃金機遇期。可謂是“前途一片光明”。參考文獻：［1］佚名磁性材料［EB/OL］［2］佚名磁化曲線[EB/OL]［3］佚名磁性材料基本知識[EB/OL]［4］龍毅,張正義.新功能磁性材料及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.［5］翁興園.磁流體技術及應用的發(fā)