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磁 性 材 料 方必军 常州大学材料科学与工程学院 磁性材料概述 磁性材料：具有实际工程意义的强磁性的材料?软铁、硅钢片、铁氧体、非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料 磁性材料的功能：能量转换、存储或改变能量状态 磁性材料的分类：硬磁材料、半硬磁材料、软磁材料 磁性材料的应用：计算机及大容量存储、通讯、自动化、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗?工、农、医、现代科技、国防各个领域 新型磁性材料、新技术和新工艺 物质的磁性 基本磁性参量 1 磁场强度 磁化强度（M）：单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和 磁感应强度（B） 物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列将产生附加磁场 基本磁性参量 2 磁导率（?）和磁化率（?） 物质磁性的分类 1 顺磁性 起因于原子或分子磁矩在外磁场下的排列?产生一定强度的附加磁场 弱磁性，磁化后，磁化场方向与外场方向相同，?：10-3-10-6 顺磁性材料：Mo、Al、Pt、Sn…… 应用：磁量子放大器、光量子放大器 抗磁性 原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流?产生与外磁场方向相反的感生磁矩 磁化后，磁化场方向与外场方向相反，?：10-5-10-6 物质产生抗磁性的条件：抗磁场 顺磁场 抗磁性材料：C、Au、Ag、Cu、Zn、Pb…… 物质磁性的分类 2 铁磁性 原子间的交换作用?原子磁矩有序排列?自发磁化 绝对零度时，铁磁材料中原子磁矩平行排列 磁化后，磁化场方向与外场方向相反，?：1-104 温度对材料磁性的影响 顺磁质 Langevin顺磁性：Curie定律：? = C / T Pauline顺磁性：Curie-Weiss定律： ? = C / ( T - TC ) 铁磁质 随着温度的升高，磁矩的有序排列破坏 居里温度以上，磁矩的有序排列全部被破坏?顺磁性 TC：M-T曲线上Ms2?0对应的温度 磁各向异性 磁各向异性：磁性材料在不同方向具有不同的磁性能 磁各向异性的分类 磁晶各向异性 形状各向异性 感生各向异性 应力各向异性…… 磁畴结构 1 磁畴的形成：交换作用能、退磁能 磁畴：磁矩取向一致的自发磁化区域 磁畴结构 2 Bloch磁畴壁：畴壁两侧原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180° Neel磁畴壁：畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面，平行于界面 磁畴移动与磁化过程 1 磁化过程 磁性材料在外磁场作用下由宏观无磁状态变为有磁状态的过程 磁化过程通过磁畴的运动实现 磁畴移动与磁化过程 2 磁化曲线 磁化过程的四个阶段 M随H呈线性缓慢增长?可逆磁畴壁移动过程 M随H急剧增长?不可逆磁畴壁移动过程，Barkhausen跳跃 M的增长趋于缓慢，磁畴的磁化矢量转到最接近H的方向?可逆转动 磁化曲线平缓的趋近于水平线，达到饱和状态 磁性材料的技术磁参量 1 磁性材料的技术磁参量 2 损耗 软磁材料磁化一周总的能量损耗： W=We+Wh+Wr 涡流损耗We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发生产生的损耗 We ? t·Bm2 / ? 磁滞损耗Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，也以热的形式表现出来 ? 磁滞回线的面积 剩余损耗Wr：总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗的部分 磁性材料的技术磁参量 3 磁能积（BH） 磁铁在气隙空间建立的磁能量密度 永磁体作用：磁场源或动作源?在磁铁的两磁极空间（空气隙）产生磁场Hg?主要取决于磁能积BH Hg = ( BmHmVm / ?0Vg )1/2 最大磁能积(BH)max = ?BrHc：退磁曲线上磁能积最大的点 永磁材料的退磁曲线与磁能积密度曲线 磁性材料的稳定性 温度稳定性：磁性能随温度的变化 时间稳定性：在特定工作环境下长期工作过程中磁性能随时间的变化 化学稳定性：在腐蚀介质环境中磁性随时间的变化 磁性材料分类 1 按矫顽力分类 软磁材料：Hc 100A/m（1.25Oe） 半硬磁材料：Hc ：100-1000A/m 硬（永）磁材料：Hc 1000A/m（12.5Oe） 按用途分类 铁芯材料：变压器、继电器 磁头材料：录音机 磁记录材料：磁带、磁盘 磁致伸缩材料：传感器 磁屏蔽材料：通讯仪器、电器 磁性材料分类 2 软磁材料 矫顽力低（Hc 100A/m ）、磁导率高、磁滞回线细长 铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁 应用：制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、电感器、电抗器、继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与磁介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯、极头与极靴；磁路的导磁体等 分类：高磁饱和材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料 按材料的成分，可分为电工纯铁