第六章 材料磁性能.ppt

1、第六章材料的磁特性、6.1磁学基本量及磁分类6.2强磁性和亚铁磁性材料的特性6.3磁性材料的自发磁化和技术磁化、6.1磁基本量及磁分类、1 .磁学基本量：1)磁场强度h:I安培(a )从通过直流电的无限长直导线的轴线在r米(m )产生的磁场强度磁偶极矩m :环电流在其运动中心产生磁矩(或磁偶极矩):3 )磁感应强度b :材料通过磁场强度h的施加磁场，在材料内部产生一定的磁通密度，将其称为磁感应强度b的单位：特斯拉(t )或波/波或者(VS/m2 )式中，u是磁导率，是材料的固有残奥仪表，材料通过单位磁场强度的施加磁场表示材料内部的磁通密度。 在真空中，0是真空导磁率，0=410-7 (H/m

2、)、(A/m )、(A m2)，6.1磁基本量和磁分类，1 .磁基本量：4)相对导磁率r: 5的磁感应的强度，另外，材料的宏观磁性由构成材料的原子中的电子的磁矩引起产生磁矩的原因有： (1)电子绕原子核进行轨道运动，产生一个非常小的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩；(2)电子绕自身旋转轴运动，产生自旋磁矩，远远超过轨道磁矩因此，原子中的各电子可以看作小磁铁，具有永久轨道磁矩和自旋磁矩。 1)H(A/m) -E (V/m) :对极化的外部驱动力的测量。 2)B (VS/m2) -P (C/m2) :材料对外部作用场响应的度量。 3 ) x ()- xe无量纲描述材料对外部作用场的响应。 4

3、)0-0材料的相应残奥仪表和尺度残奥仪表，2 .残奥仪表和介电残奥仪表的比较，6.1磁基本量和磁分类，例如把Al磁化成磁感应强度和地球的磁感应强度相同。 6.1磁基本量和磁分类，3 .物质的磁分类：根据固体中电子与外部磁场之间相互作用的性质和强度，将材料分为5类：外部不响应(基本): 反磁顺磁性X 1反铁磁性与外部磁场有强相互作用：铁磁性X 1亚铁磁性、 6.1“古典”抗磁性体： x是与t无关的Cu、Ag、Au、Hg、Zn的“异常”抗磁性体： x是与t有关的Bi、Ga、In、Zr-Cu (其x是前者的10100倍，构成物质的原子具有完全满足的电子壳层，具有反磁性在充满的壳层中，正负电子自旋的电

4、子数相等，来自自旋运动的总磁矩为0，例如：多个离子键结晶和共价键结晶，大多数有机化合物，惰性气体。 6.1磁基本量和磁分类，4 .反磁/顺磁性2 )顺磁体：磁化率x为正值，约为10-310-6，它们在磁场中受到微弱引力。 正常顺磁性体： X 1/T Pt、残奥镭、奥氏体系不锈钢、与稀土类金属x的温度无关的顺磁性体： Li、Na、k、Rb (1)来源于未被满足的内电子壳层中的不成对的电子所具有的磁矩，大部分的过渡金属和稀土类金属通常6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性，1 .铁磁性X1，在较低温度下，铁磁性物质中相邻原子的磁偶极矩之间的交换作用，其强度可以克服热波动的影响，结果没有外部磁场的作用，相

5、邻偶极也相互排列整齐。例：在纯铁- B0=10-6T的情况下，其磁化M=104A/m FeSO4(顺磁性)，在B0=10-6T的情况下，其磁化M=0.001A/m具有强磁性的Ni的3d带和稀土类金属的4f满足6.2强磁性和亚铁磁性材料的特性，1 .强磁性一般来说，磁性材料具有临界温度Tc，在该温度以上，高温下的原子的激烈热运动会使原子磁矩的排列紊乱。 在这个温度以下，原子的磁矩排列，产生自发磁化，物体变为强磁性。 居里温度是指材料在铁磁体和顺磁体之间可以变化的温度。 低于居里温度的话，这种物质变成强磁性体，这时关于材料的磁场难以变化。 温度高于居里温度时，该物质成为顺磁铁，磁铁的磁场容易根据周

6、围磁场的变化而变化。 此时的磁灵敏度约为10的负6次幂。6.2铁磁性和亚铁磁性材料特性，2 .磁化曲线特征：非线性，Ms:饱和磁化Bs:饱和磁感应强度(1)初始磁导率(ui ):磁化曲线起始部分的斜率； 3 .磁滞回路在h降低时，B-C-D-E Mr:剩馀磁化Br:剩馀磁感应强度Hc:矫顽力的闭曲线： EFG-B (1)退磁过程中的m的变化延迟到h的变化磁滞现象。 (2)试样的磁化曲线形成作为闭曲线的磁滞环。 磁滞回路所包围的面积表示磁化1周内所消耗的功，磁滞损耗q、6.2强磁性和亚铁磁性材料的特性、4 .磁结晶各向异性和各向异性能量1 )磁各向异性：根据单晶的结晶方向，磁特性不同。 磁化功：

7、强磁性体的磁化所消耗的能量。 磁结晶各向异性能量：沿着磁化强度矢量不同的结晶轴方向的能量差。 2 )对于Fe、Ni、Co、6.2强磁性和亚铁磁性材料的特性，4 .磁结晶各向异性和各向异性能量3 )对于立方晶系，磁化m和三个结晶轴方向的侑弦，即Ek:磁结晶各向异性能量K0: K1、K2:磁结晶的各向异性常数、原子结构一般而言，K2可以忽略。 6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性，5 .铁磁性体的形状各向异性和退磁能量1 )形状各向异性：对于一定形状的材料，在不同方向测定的磁化曲线不同。 2 )静磁能：磁场中强磁性体的能量。 包括强磁性体和外部磁场的作用和强磁性体在自减磁场中的能量。 3 )反磁场：形

8、状各向异性是由反磁场引起的。 反磁场强度：反磁场强度与磁化强度成正比，负号表示反磁场的方向与磁化强度的方向相反。 d是反磁场因子，与形状有关。 6.2铁磁性和亚铁磁性材料的特性，5 .磁收缩和磁弹性能1 )磁收缩：铁磁体在磁场中磁化，形状和尺寸发生变化。 特性： (1)关于磁场强度；(2)与磁化方向有角度时；(3)各向异性；(2)磁弹性能：磁化时的材料变化尺寸受到限制，产生应力而产生弹性能，物体内部的缺陷、杂质都有可能增加其磁弹性能。 6.3磁性材料的自发磁产生和技术磁产生，1 .自发磁产生理论1 )铁磁产生的原因： (a )自发磁化的根源是原子磁矩，而且起主导作用的是电子的自旋磁矩。 电子壳

9、层的存在未被电子充满的状态是产生强磁性的必要条件。 (b )原子间的相互结合作用是否有利于铁磁性形成。作为原子形成分子的电子云彼此重叠，作为电子彼此的交换位置的交换能量(eex )使相邻的原子内的d层抵消的自旋磁矩在同一方向排列。 A:交换积分常数是邻接的2个电子自旋磁矩的夹角，6.3磁性材料的自发磁和技术磁，1 .自发磁理论交换积分A: A0时，邻接的原子磁矩同方向排列，实现自发磁， 产生铁磁性的本质：静电力强制电子自旋磁矩的平行排列和电子运动状态的波动关系的r是参与交换作用的电子的核的距离(电子壳层的半径)产生铁磁性的条件： (1)不满足原子内部的电子壳层(本征磁矩不为0 ) (2)有2)

10、rab/r3，交换(一定的晶体结构)，6.3磁性材料的自发磁产生和技术磁产生，2 )反铁磁性和亚铁磁性：所有偶极子都朝向同一方向-虽然是铁磁性， 有其他特殊情况：方向交替变化的偶极子具有相同的大小：反铁磁性在相反方向交替排列的两种偶极子大小不同：亚铁磁性x :电负性原子(o、s、Fe、f )，n=1或2 .例： MnO、CuO、NiO为一种金属原子偶极子大小典型的材料是氧化物陶瓷材料：立方铁氧体(MFe2O4 M:二价过渡金属Ni，Co，Fe，Mn，Zn )稀土类铁氧体(M3Fe5O12 M:三价稀土类金属y，Cd )六方铁氧体(MFe12O19 M )。 对于亚铁磁性材料，请预测是立方铁氧体

11、、稀土铁氧体还是六方铁氧体。 CrF2、MnFe2O4、CaFe12O19、CuO、CD3Fe5o 12、6.3磁性材料的自发磁和技术磁；3 )磁区： (1)由不同磁偶极子取向的小区域组成的磁铁的各区域为磁区磁偶极子。 副磁区没有上述的固定关系(2)磁壁：邻接磁区的边界为180度和90度，是实质上具有一定厚度的过渡区域，其中原子磁矩阶段性变化。 特例：整个过渡区域中原子磁矩平行于磁壁平面，该壁称为Bloch壁。 铁中的这个壁厚约为300个晶格常数。 6.3磁性材料的自发磁和技术磁，3 )磁区： (3)磁壁的能量：交换能Eex，磁结晶各向异性Ek，两者矛盾。 另外，由于原子磁矩的逐渐转向，产生向

12、各方向伸缩的难易度不同的磁弹性能，6.3磁性材料的自发磁产生和技术磁产生，3 )磁区： (4)磁区的形成a )单晶：交换能力-结晶自发磁产生饱和，磁化方向为结晶易磁化方向(Eex和Ek为最小值) -产生磁极的6.3磁性材料的自发磁和技术磁，3 )磁区： (4)磁区的形成b )多晶：晶界：磁壁一般不通过晶界作用夹杂物，空洞： (1)楔形磁区附加磁区(2)吸收磁壁的作用不均匀应力：磁化不均匀形式：磁壁的移动和磁区的旋转。(b )技术磁化过程区：磁壁可逆过渡区：不可逆过渡区：磁区旋转区磁化曲线斜率越小越大，达到最大值越小的过程。 6.3磁性材料的自发磁产生和技术磁产生，具体机理是： (1)当磁场不施

13、加时，形成两个磁区，磁壁随着夹杂相(2) H的增加，磁壁移动，形成几个圆弧(内部原子磁矩的转向过程)，消除磁场，回到原来的位置6.3磁性材料的自发磁产生和技术影响磁壁迁移的因素： (1)材料中的夹杂物、第二相、孔隙数和分布；(2)内部应力的大小；(3)磁结晶各向异性；(4)磁致伸缩和磁弹性能；(3)影响合金铁磁性和铁磁性的因素；铁磁性和铁磁性：与自发磁化有关：组织进入TC )，成分，只有原子内应力，6.3磁性材料的自发磁和技术磁，3 .影响合金强磁和亚铁磁性的因素1 )温度：对于强磁性材料，物质的强磁性与具有相互作用的原子磁矩克服热波动的影响的能力有关，温度上升时磁矩的取向排列能力下降饱和磁化是温度的减法函数。 居里温度：在一定温度下Ms下降到0，这个温度从居里温度，也就是强磁性变为顺磁性。 6.3磁性材料的自发磁和技术磁，居里温度对所有磁性材料来说，并非在任何温度下都具有磁性。 一般来说，磁性材料具有临界温度Tc，在该温度以上，高温下的原子的激烈热运动会使原子磁矩的排列紊乱。 在这个温度以下，原子的磁矩排列，产生自发磁化，物体变为强磁性。 居里温度是指材料在铁磁体和顺磁体之间可以变化的温度。