磁性材料(概述與應(yīng)用)

1、第七講 磁性材料,您對磁究竟了解多少？,靜磁學(xué)現(xiàn)象？ 磁性來源？ 磁性材料？非磁性材料？ 磁的分類？ 磁的應(yīng)用？,磁= ？,吸鐵石,!,磁性是物質(zhì)一種比較少見的只在少數(shù)地方得到應(yīng)用的現(xiàn)象呢？還是一種存在非常普遍應(yīng)用非常廣泛的現(xiàn)象呢？,生活中的常識問題-1,所有物質(zhì)都有磁性嗎？ 鐵-吸鐵石，哪個有磁性？ 水 銅 鋁 家裝市場材質(zhì)的簡單實用驗證-銅、不銹鋼？ 電飯鍋 鐵氧體有磁性，但為何高溫會失去？,答案是： 磁性是物質(zhì)的基本屬性，就像物質(zhì)具有質(zhì)量和電性一樣。 換句更簡單的話說就是： 一切物質(zhì)都具有磁性。,生活中的常識問題-2,臥室床的擺放方向-風(fēng)水？偽科學(xué)？,磁學(xué)發(fā)展史,磁鐵礦(Fe3O4) 或

2、磁赤鐵礦(-Fe2O3),在西方，據(jù)傳說，磁性首先是被一個牧羊人發(fā)現(xiàn)的。他注意到他的木棍的鐵端，被一塊石頭所吸引。這種石塊在小亞細亞(Asia Minor)、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過。人們相信“Magnetism”一字就是來源于這些地名。,十七世紀(jì)：英國，威廉.吉伯 ，磁體 ,十八世紀(jì)：法國，庫侖， 庫侖定律,2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀,十九世紀(jì) 1820年：丹麥，奧斯特，電流產(chǎn)生磁場 1831年：英國，法拉第，電磁感應(yīng)現(xiàn)象 1873年：英國，麥克斯韋，統(tǒng)一電磁理論 1899年：法國，居里，居里溫度，磁性轉(zhuǎn)變,法拉第電磁感應(yīng),居里（P

3、 Curie）,二十世紀(jì) 1905：法國，郎之萬基于統(tǒng)計力學(xué)理論解釋了順磁性隨溫度的變化。 1907：法國，外斯提出分子場理論，擴展了郎之萬的理論。 1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國，康普頓提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩。,1928：英國，狄拉克用相對論量子力學(xué)完美地解釋了電子的內(nèi)稟自旋和磁矩，并與德國物理學(xué)家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。 1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學(xué)教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學(xué)和鐵磁學(xué)的篇章。 1936-1948：法國，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論。,1967：奧地利，斯奈特在

4、量子磁學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磁能積空前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開了永磁材料發(fā)展的新篇章。 1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問世。 1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B問世。 1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問世。 1991：德國，克內(nèi)勒提出了雙相復(fù)合磁體交換作用的理論基礎(chǔ)，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景。,物質(zhì)磁性的起源,原子有哪幾中運動方式？,現(xiàn)代科學(xué)認為物質(zhì)的磁性來源于組成物質(zhì)中原子的磁性 原子中電子的軌道磁矩 電子的自旋磁矩 原子核的核磁矩,載流閉合回路小線圈存在磁矩：,磁矩： 單位：A m2 磁矩反應(yīng)了載流線圈產(chǎn)生磁場的大小，可以把它引用到物質(zhì)的微觀系統(tǒng)中去。,電子的軌道

5、運動相當(dāng)于一個恒定的電流回路，必有一個磁矩（軌道磁矩），自旋也會產(chǎn)生磁矩（自旋磁矩）。,磁矩,軌道磁矩,自旋磁矩,原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩. 注:原子核自旋磁矩僅是電子磁矩的1/1836.5, 忽略不計.,原子總磁矩,電子的填充方式對磁矩的影響：,因此，大多數(shù)元素的原子都存在固有磁矩。這些原子也成為磁性原子。,當(dāng)原子中某一電子層完全被電子填滿時，該電子層的電子云在空間的分布呈球形對稱，這時其電子循軌磁矩和自旋磁矩都互相抵消，即該層電子磁矩對原子磁矩沒有貢獻。因此惰性元素沒有固有磁矩。,為什么通常情況下無磁性表現(xiàn)？,大多數(shù)元素

6、的原子存在原子的固有磁距. 物體的磁性,取決于原子磁矩的取向.在無外磁場作用時,各原子磁矩的取向是紊亂的,物質(zhì)不呈現(xiàn)宏觀性;而當(dāng)其受外磁場作用時,則原子呈取向性分布,物質(zhì)呈現(xiàn)宏觀的磁性.,物質(zhì)內(nèi)部原子、分子中的每個電子參與兩種運動，一是軌道運動，即電子繞原子核的旋轉(zhuǎn)運動，其運動會形成一個電流，進而會產(chǎn)生一個磁矩，稱為軌道磁矩；二是電子的自旋運動，相應(yīng)地也會產(chǎn)生一個磁矩，稱為自旋磁矩。一個分子中所有電子的各種磁矩之總和構(gòu)成這個分子的固有磁矩Pm，稱為分子磁矩，這個分子固有磁矩可以看成是由一個等效的圓形分子電流i產(chǎn)生的。,總之：,一類是分子中各電子的磁矩不完全抵消而整個分子具有一定的固有磁矩， 一

7、類是分子中各電子的磁矩，完全相互抵消而整個分子不具有固有磁矩,磁性材料的分類,根據(jù)材質(zhì) 合金磁體 橡膠磁體 氧化物磁體,根據(jù)磁化后介質(zhì)內(nèi)部的磁場與附加磁場和外磁場的關(guān)系,可分為五種：,1、抗磁質(zhì)：附加磁化強度與外磁場相反。,對于電子殼層被填滿的物質(zhì)，原子磁矩為零。在外磁場作用下，電子運動將產(chǎn)生一個附加的運動（由電磁感應(yīng)定律而定），感生出與H反向的磁矩。,實例：惰性氣體、許多有機化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金屬（如：Si、P、S）,抗磁質(zhì)的幾點說明：,任何物質(zhì)都具有抗磁的本性。 物質(zhì)具有抗磁的本性并不是一定會呈現(xiàn)出抗磁性，而只有當(dāng)物質(zhì)的這種抗磁因素超過其順磁因素時，物質(zhì)才呈現(xiàn)抗

8、磁性，才稱為抗磁質(zhì)。 隨外磁場的增加，附加的抗磁磁矩增強，抗磁磁化強度增大。,2、順磁質(zhì) 結(jié)構(gòu)特點：原子中具有未填滿電子的電子層，形成原子的固有磁矩。在磁場作用下，原子磁矩轉(zhuǎn)向H方向，感生出與H一致的M。 如：稀土金屬和鐵族元素的鹽。,順磁質(zhì)磁化強度隨外磁場的增大而增大，但很難達到磁飽和，只有當(dāng)溫度趨近熱力學(xué)零度時，才能使順磁物質(zhì)的原子磁矩沿外磁場呈完全規(guī)則取向。,順磁質(zhì)的幾點說明：,金屬的順磁性與抗磁性,價電子固有磁矩.順磁性 正離子 抗磁性？ 順磁性？,3、鐵磁性,在較弱的磁場作用下就能產(chǎn)生很強的磁化強度。在外磁場除去后 仍保持相當(dāng)大的永久磁性，具有磁滯現(xiàn)象。鐵磁體在溫度高于居 里溫度后變

9、成順磁體。,原子是否具有未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩) 原子在晶格中的排列方式,具有鐵磁性的金屬有鐵、鈷、鎳等，鐵磁質(zhì)的應(yīng)用最廣泛， 特別是在信息的記錄和存儲方面（磁帶、計算機存儲器）,材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：,鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子。 分別具有4、3和2的凈磁矩。 鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向（交換作用）。 形成相鄰原子的磁矩都向一個方向排列的小區(qū)域，稱為磁疇。,原子核外電子排布示意圖,鐵磁性材料,加入小的磁場，可以獲得大的磁場強度。,4、反鐵磁性,在MnO晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰Mn2+離子的磁矩都成反向平行排列， 結(jié)果磁矩相互對消，整個固

10、體材料的總磁矩為零。,在有些材料中，相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結(jié)果 總磁矩為零，叫反鐵磁性。反鐵磁性物質(zhì)有某些金屬如Mn，Cr等， 某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些鐵氧體如ZnFe2O4等。,以氧化錳(MnO)為例，它是離子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-離子 組成， O2-離子沒有凈磁矩，因為其電子的自旋磁矩和軌道磁矩 全部都對消了；Mn2離子有未成對3d電子貢獻的凈磁矩。,MnO晶體結(jié)構(gòu),5、亞鐵磁性,亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。成因是由于材料結(jié)構(gòu)中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。

11、,根據(jù)鐵磁質(zhì)的矯頑力的大小，將磁性材料分成 軟磁、硬磁和矩磁材料,(1) 軟磁材料 具有較高的磁導(dǎo)率和較高的飽和磁感應(yīng)強度； 較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄； 在磁場作用下非常容易磁化； 取消磁場后很容易退磁化,象軟鐵、坡莫合金、硅鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。 由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成。,軟磁材料應(yīng)用圖書防盜磁條,將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過門禁處交變磁場檢測磁條的磁性變化來區(qū)分被保護對象是否帶有磁條，來達到防盜的目的。 磁條由軟磁材料制作

12、，通常為鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金或坡莫合金（鐵鎳合金）。 防盜磁條技術(shù)的運用大大降低了開架售貨領(lǐng)域如圖書館、超市、藥店等的運營成本。,電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場中，要求在工作頻率下對外磁場變化足夠靈敏。,軟磁材料的應(yīng)用電力變壓器,軟磁材料的應(yīng)用電子電路元器件,常見開關(guān)電源電路中多處應(yīng)用了軟磁器件！,軟磁材料的應(yīng)用電子電路元器件,變壓器 貼片變壓器 電感,濾波器 環(huán)形電感濾波器 諧波電流抑制器,軟磁材料的應(yīng)用電機鐵芯,電機鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者鐵鎳合金沖壓而成。,硬磁材料： 硬磁材料是指那些難以磁化，且除去外場以后，仍能保留高的剩余磁化強度的材料，又稱永磁材料。（

13、磁鐵）,種類：鋁鎳鈷系硬磁合金、硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個系列。 用途：1、硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。2、硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術(shù)的磁控管中亦有應(yīng)用。,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料AlNiCo系永磁合金,AlNiCo系永磁合金：包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場取向合金和定向結(jié)晶合金。生產(chǎn)工藝包括：鑄造磁鋼與燒結(jié)磁鋼。鑄造鋁鎳鈷合金具有生產(chǎn)工藝簡單和產(chǎn)品性能高等特點。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn)。,左上：鑄造鋁鎳鈷合金； 左下：各類異形件 右下：燒結(jié)鋁鎳鈷合金,鑄造鋁鎳鈷系合金的磁性,產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料之永

14、磁鐵氧體,鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)。晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。具有高的磁晶各向異性常數(shù)、高矯頑力和低剩磁，最大磁能積偏低；其剩磁溫度系數(shù)是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚聲器、電機、電話機、笛簧接點元件和轉(zhuǎn)動機械等方面得到普遍應(yīng)用。,鋇鐵氧體的微波應(yīng)用：1、器件；2、隱身涂層。,以鐵、鉻（23.527.5%）、鈷（11.521.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平；定向凝固+磁場處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變

15、時效)顯著提高合金性能。,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料鐵鉻鈷系合金,鐵鉻鈷合金各種加工形式，包括絲材。,SmCo系合金（SmCo5,Sm2Co17)：耐高溫稀土永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世紀(jì)60年代；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世紀(jì)70年代。 Sm2Co17的工作溫度可達350oC。,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料釤鈷系合金,其缺點是含有較多的金屬鈷(w(Co)66%)和蘊藏量稀少的稀土金屬元素Sm。原材料昂貴，受到資源與價格的限制。 主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域。,第三代稀土永磁體；其價格只相當(dāng)于釤鈷合金的50%左右；分燒結(jié)釹鐵硼和粘接釹鐵硼；優(yōu)點：最大磁能積和最大矯頑力；缺點：剩磁溫度系數(shù)較高

16、。,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料釹鐵硼,永磁材料的應(yīng)用永磁電機,永磁步進電機,在各種應(yīng)用中，永磁材料主要用來提供恒定磁場。,永磁電機/發(fā)電機永磁材料大發(fā)展,變頻家用電器,硬盤驅(qū)動器音圈電機（VCM）,兆瓦級永磁直驅(qū)（半直驅(qū)）風(fēng)力發(fā)電機,混合動力汽車,現(xiàn)代汽車需要使用幾十個小型永磁電動機和其它磁控機械元件。EPS將成為高性能永磁體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。,The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today.,永磁材料應(yīng)用舉例,永磁磁選設(shè)備,揚聲器：電聲換能,永磁式

17、核磁共振譜儀 （MRI）,(3) 矩磁材料-鐵氧體 鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。 磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料， 剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強度 具有高磁導(dǎo)率、高電阻率 由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合燒結(jié)而成。 在兩個方向上的剩磁可用于表示計 算機二進制中的“0”和“1”，可作磁性記憶元件，如高速存儲器。,磁性材料的應(yīng)用,指南針的鼻祖司南 地磁場是指南的前提 戰(zhàn)國末年（先秦）韓非子：“先王立司南以端朝夕?！?東漢時的王充在他的著作論衡中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。,指南針磁性材料的最早應(yīng)用,指南針中國古代四大發(fā)明之一,指南針磁性

18、材料的最早應(yīng)用,北宋，曾公亮武經(jīng)總要：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。”（利用地磁場人工磁化）,指南魚,指南龜,北宋，沈括夢溪筆談：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！?人工磁化方法的發(fā)明，對指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用。,IBM硬盤的發(fā)展,關(guān)于磁性材料的認識之一磁存儲技術(shù),在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用,磁性材料的應(yīng)用,生物界和醫(yī)學(xué)界的磁應(yīng)用,軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用,考古天文地址采礦界領(lǐng)域的磁應(yīng)用,傳統(tǒng) 工業(yè),汽車中用到磁性材料的組件,磁懸浮列車,上海

19、磁懸浮列車 平均時速300公里/小時，最高時速430公里/小時,磁懸浮列車是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。 磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導(dǎo)型。另一種是電動型，也稱斥力型、超導(dǎo)型。,磁懸浮列車原理,兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)電磁型；(b)電動型,磁制冷冰箱,磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù) ，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應(yīng)即磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而等溫退磁時從外界吸取熱量，以達到制冷目的, 磁盤存儲,所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無

20、來儲存資料。,數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點來表示， 被磁化的點代表1，沒有被磁化的點代表0,電飯鍋,日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。,電磁爐,電磁爐的內(nèi)部有一個金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時，會產(chǎn)生磁場。這一隨時間變化的磁場導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場。金屬煲內(nèi)的電子受電場影響進行運動。由于有電阻，電子運動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。 金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。,特點： 直接發(fā)熱，熱效率高達90% 爐面無明火，無煙無廢氣 電磁火力強勁，安全可靠,在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像。,利用磁性納米材料表面功能基團與可識別病兆的功能分子進行耦聯(lián)，是實現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應(yīng)用的最可行的手段之一。,生物 醫(yī)學(xué),電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力將炮彈射出的一種新型武器