材料磁学性能材料科学基础

1、4-4 材料的磁学性能 (magnetic properties),4-4-1 物质的磁性 物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。 1、磁学基本量 （1）磁矩m 表征磁性物体磁性大小的物理量。 电子轨道磁矩（电子绕原子核运动） 电子自旋磁矩（电子本身自旋） 磁矩只与物体本身有关， 与外磁场无关。 任何一个封闭的电流都具有磁矩 方向：右手法则 大小：IS(即电流与封闭环形的面积乘积) 单位: Am2,（2）磁化强度 A、磁化: 对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；在外磁场作用下, 各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性这就叫磁化 B、磁化强度: 外磁场

2、中物质被磁化的程度. MmV, 物理意义：单位体积的磁矩 单位：Am-1（即与磁场强度H的单位一致） 方向：由磁体内磁矩矢量和的方向决定 磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由磁化强度M决定。磁化强度M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B。,介质,（3）磁感应强度 真空 B。H 。 B 磁感强度（Wbm-2） (magnetic flux density) H 磁场强度（Am-1）(magnetic field strength) 0 真空磁导率，4l0-7（Hm） (亨/米）,M: 磁化强度,（4）磁

3、化率 (magnetic susceptibility) M=（r -1）H H,r =/0 为介质的相对磁导率 =r 1 为介质的磁化率,仅与磁介质性质有关，它反映材料磁化的能力。 没有单位，为一纯数。 可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。,2、磁性的本质 （1）电子的磁矩 (Magnetic moments) 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。 因为：电子的自旋磁矩 轨道磁矩 所以：物质的磁性主要是由自旋磁矩引起的，每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子B ，B 是原子磁矩的单位（ B 9.271024A.m2） 孤立原子可以具有磁矩，也可以没有，这决定于原子的结构。 具有“永久

4、磁矩” ：原子中有未被填满的电子壳层（自旋磁矩未抵消） 如铁原子（1s22s22p63s23p63d64s2）,其总的电子自旋磁矩为4B 。 不具“永久磁矩” ：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消） 如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性。,a/D 3时 交换能为正值，为铁磁性 a/D 3时 交换能为负值，为反铁磁性 a/D 5时 交换能趋向零,（2）“交换”作用 铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。 处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种相互作用称为“交换”作用。这是因

5、为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用。 由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。 当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。 J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。,a：原子间距 D：未被填满的电子壳层直径,3、磁性的分类根据材料磁化率的分类 （1）抗磁性(Ferrimagnetism)如：Cu，Ag，Au等 当磁化强度M为负时，固体就表现为抗磁性。 抗磁性物质的孤立原子（离子）的磁矩应为0，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变

6、，感生出一个磁矩，其方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性。 在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为-10-5 磁化率 0，相对磁导率r 1，磁感应强度B B0 周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-等。,（2）顺磁性(Diamagnetism) 顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。 无外加磁场：由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来没有磁性； 有外加磁场：每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，

7、M为正。 磁化率很小，室温下约为10-5 顺磁性物质的磁性除了与磁场强度H有关外，还依赖于温度，其磁化率与绝对温度成反比： xC/T，C：居里常数。 磁化率x0，相对磁导率r 1 一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、锕系元素等都属于顺磁物质。,（3）铁磁性(Ferromagnetism) 抗磁和顺磁两种磁性物质，其磁化率绝对值都很小，因而属于弱磁性物质。 强磁性物质，如 Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103 数量级。 在较弱磁场内，铁磁性物质也可得到较高的磁化强度； 而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性； 磁化率x0（而且很大），相对磁导率r

8、 1 强磁性来源很强的内部交换场，交换能为正值，而且较大 居里点温度Tc：铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过 Tc，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失 。Tc以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律：,C为居里常数,（4）亚铁磁体(Paramagnetism) 类似铁磁体，磁化率x值没有铁磁体大。如：磁铁矿（Fe3O4）。 晶体不同晶格内磁矩的反平行取向而导致的抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性。 （5）反铁磁性(Antiferromagnetism) 由于“交换”作用力负值，电子自旋反向平行排列。在同一子晶

9、格中有自发磁化强度，电子磁矩同向排列；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。整个晶体 M0。 任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。,4-4-2 磁畴与磁滞回线(Domain and Hysteresis loop),1磁畴物质内部存在的自发磁化的小区域。 磁畴结构形成的原因为保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴； 各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。 磁畴壁：相邻磁畴间的过度层。有一定 厚度，一般10-5cm 铁磁体在很弱的外加磁场作用下能 显示出强磁性，这是由于物质内部 存在着自发磁化的小区域磁畴的 缘故。铁磁体

10、在外磁场中的磁化过 程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩 的转向。这一磁化过程使得铁磁体 只需在很弱的外磁中就能得到较大 的磁化强度。,闭合磁畴示意图,2磁滞回线铁磁材料的一个基本特征,(a): 当无外施磁场，具有不同磁化方向的磁畴的磁矩大体可以互相抵消，样品对外不显磁性。 (b): 在外施磁场强度不太大时，畴壁发生移动，使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，其他方向的相应缩小。这种效应不能进行到底。 (c): 当外施磁场增至比较大时，与外磁场方向不一致的磁畴的磁化矢量会按外场方向转动。这样在每一个磁畴中，磁矩都向外磁场H方向排列，处于饱和状态。,磁化曲线 (Hysteresis curve) C 点（

11、处于饱和状态） 此时， 饱和磁感应强度Bs 饱和磁化强度 Ms 对应的外磁场Hs,C点过后，H再增加，B增加极其缓慢，磁化强度的微小提高主要是由于外磁场克服了部分热骚动能量，使磁畴内部各电子自旋方向逐渐都和外磁场方向一致造成的。,4-4-3 金属材料的磁学性能,1金属的抗磁性和顺磁性 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩（很小） （1）正离子的抗磁性和顺磁性 去除自由电子后，剩余电子绕核运动 抗磁性：外磁场作用下，电子在轨道回路产生一个附加的感应电流，从而产生和外磁场方向相反的轨道磁矩 次电子层填满了电子的物质，才能表现出抗磁性效应,抗磁性来源于电子轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下均

12、应有抗磁性效应。但只有次电子层填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。,顺磁性：来源于原子的固有磁矩。 即电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和（又称本征磁矩）。 条件： （1） 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷； （2） 内壳层未被填满的原子或离子。过渡族金属（d壳层没有填满电子）和稀土族金属（f 壳层没有填满电子） 单位体积内金属顺磁磁化率 居里定律：xMHn0Pm23kTCT 顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的1103倍，所以在顺磁性物质中抗磁性被掩盖了 。 大多数金属都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，过渡族金属的盐等。,（2）自由电子的顺磁性和抗磁性 顺磁

13、性来源于电子的自旋磁矩 30NB2 在外磁场作用下，自由电子的顺磁磁化率 x 2EF0 由量子电子理论得出的以上公式 N为单位体积中的自由电子数， B为自旋磁矩； EF0为电子具有的最高能量 抗磁性 自由电子在磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内的运动因受洛伦兹力而做圆周运动，这圆周运动产生的磁矩同外磁场方向相反，具有抗磁性。 抗= -1/3 泡利,某些元素族的磁性分析,顺铁磁性,研究金属磁性一般要从前述四点来分析，哪一个因素影响最大，就决定了材料的磁性行为。,2、金属材料的铁磁性 在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度 铁、钴、镍及其合金，以及稀土族元素钆 纯铁B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/m,居里温度 高于某一温度后，饱和磁化强度Ms降低到零，表示铁磁性消失，材料变成顺磁性材料,它是决定材料磁性能温度稳定性的一个十分重要的物理量,4-4-4 无机非金属材料的磁学性能,磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体。 见课本 p 376,4-4-5 高分子材料的磁学性能,1、高