磁性材料和器件分析.ppt

在铁磁，亚铁磁材料中，因为静磁能，磁畴是必然要出现的 在磁性材料中决定磁畴结构的主要有静磁能Ums, 磁壁中的交换能Uex和磁各向异性能Ua，磁弹性能。 例：对于单轴晶体内180o畴壁 单位面积畴壁中增加的总交换能 在磁壁中主要考虑交换能Uex和磁各向异性能Ua 相邻格点i,j之间，增加的交换能 总能量密度 单位面积上的磁晶各项异性能 当 时，能量密度取极小值 此时 在测量材料磁化曲线前可以通过交流退磁；热退磁等方法，使材料退磁。 初始磁化曲线 初始磁导率：零场附近的磁导率 ； 第二节 软磁和硬磁材料 最大磁导率 1，主要磁性材料参数 相对磁导率 复数磁导率 磁导率 矫顽力HC：M=0时对应的磁场； 磁滞回线 （M－H，或者B－H回线） 饱和磁化强度：Ms 剩磁：H=0时对应的磁感应强度Br=u0Mr； 磁损耗 磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积 涡流损耗 稳定性 被磁化的非闭合磁体将在磁体两端产生磁荷， 会在磁性体内部产生磁场， 其方向和磁化强度方向相反，有减弱磁化的作用，我们称这一磁场为退 磁场。 若磁性体磁化是均匀的，则退磁场也是均匀的，可以表示为： 如果磁性体内部磁化不均匀，还将产生体磁荷 N仅与磁体形状有关，细长棒 N～0，扁平盘N～1，球体N＝1/3 退磁能： 2 ,软磁材料（高磁导率材料） 要求：快速响应外磁场变化，在很低的损耗下获得高磁通密度 高磁导率（初始磁导率，最大磁导率），低矫顽力，低损耗，较高的饱和极化强度，低磁滞损耗，高电阻率，低磁致伸缩系数，低各向异性 通常矫顽力在10-1~102 Am-1的量级 常见用途：电动机，发电机，变压器，继电器，磁记录 常见软磁材料 纯Fe 结构：室温为体心立方（α铁），高温（1184K以上）为面心立方（γ铁）， 高压下为六角密排（ε铁）。 铁中碳含量对μmax和Hc 的影响 C，Cu ，Mn，Si ，N，O，S 等杂质含量的提高都会降低纯 铁的软磁性能。主要是杂质作为 畴壁的钉扎点，提高了磁畴翻转 所需能量，其他类型的缺陷有类 似作用。 电工软铁（纯铁）一般用在继 电器，小型发电机中 提高软磁性能一般原则： 增大晶粒，减少杂质，降低内应力 合金 合金化的好处：提高电阻，减少铁损；降低磁各向异性系数和磁致伸缩系数。 合金化的不利之处：降低饱和磁通密度 软磁合金按照新添加元素所处的位置可分为：替位式和填隙式固溶体合金 前者的例子有硅钢和坡莫合金，后者如碳钢 当畴壁运动是Hc的决定因素时 当原子磁矩是Hc的决定因素时 分子上的常数分别是磁致伸缩系数，内应力，畴壁宽度 K为各向异性常数 软磁材料的初始磁导率 表征弹性应变的参数 硅钢 硅的质量分数在1.5%～4.5% 掺硅的作用：增加最大磁导率，增加电阻率，降低矫顽力 特点：最大磁导率和饱和磁感应强度较大，矫顽力和磁滞损耗较低，便宜 用途：继电器，变压器，发电机，电动机的磁芯（大功率软磁材料） 坡莫合金（FeNi合金） 用途：磁屏蔽，磁头，继电器等 45%～50%，具有1.6T的最大饱和磁极化强度。 35%～40%，具有最高的电阻率，镍含量40%时，ρ=60μΩ.cm。 坡莫合金：铁镍合金，镍量在35％～90％ 50%～65%，有最高的居里温度。 70%～81% ，具有最高的磁导率，矫完力可到0.5Am-1 。 性能与镍含量有很大关系 纳米晶软磁材料，各项指标全面占优 非金 非晶材料处于亚稳态，其结构为长程无序，短程有序，无晶粒边界， 位错，各向异性 非晶磁性材料磁导率高，矫顽力低，电阻高，涡流损耗小。 制备方法：气相急冷（冷底板气相沉积）；液相急冷（甩带）； 缺陷导入（离子注入）等。 非晶软磁分类： 过渡金属（Fe ，Co ，Ni ）－非金属（B，C，Si ，P等）； 过渡金属（Fe ，Co ，Ni ）－金属（Ti, Zr, Nb, Ta等）； 过渡金属（Fe ，Co ）－稀土（Gd，Tb，Dy ，Nd等）； 铁氧体（MO·Fe 2O3 ：MnFe 2O4， MgFe2O4 …） 晶系 立方晶系 铁氧体分类 六方晶系统 尖晶石型 MFe2O4(M=Fe,Ni,Zn) 石榴石型 RFe2O12(R为稀土元素) 钙钛矿型 RFeO3(R为稀土元素) MFe12O19 M＝Ba ，Sr ，Pb 对称性低，各向异性强， 硬磁材料 对称性高，磁性最软 电阻高，涡流损耗小，多用于高频（通讯用线圈1K～1M，高频变压器～300K， 磁头等。 尖晶石结构 O2－ 八面体位 四面体位 以MnFe2O4为例：Mn2+占据八面体位，Fe3+ 一半占据四面体位，一半 占据八面体位， Mn2+ 和 Fe3+皆有磁矩，通过超交换相互作用，形成反 平行的自旋（亚铁磁），八面体位和四面体位的 Fe3+ 相互抵消，剩下 Mn2+产生净磁