《材料的磁学》课件.ppt

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1、1,第三章 材料的磁学,3.1 原子磁性及材料磁性3.2 磁学量及材料磁性分类3.3 铁磁性和反铁磁性3.4 技术磁化与磁滞现象3.5 磁性材料及其应用,2,磁性与磁学 磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均具有“磁性”，本质上来源于电子磁矩。材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。磁性材料 基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。磁性材料已经形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；按材料构成来划分，有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。,3,4,3.1 原子磁性及材料磁性3.1.1

2、原子的磁性,量子力学哥本哈根学派领袖，1922年获诺贝尔物理学奖，师从卢瑟福，弟子有海森堡、泡利、狄拉克、朗道等诺贝尔奖获得者,Bohr(1885-1962),5,JJ耦合:各电子的L、S相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩；（Z88)JJ+LS(Z=3388)LS耦合:各电子的L、S相互作用弱，先各自耦合为总L、总S，再叠加为原子总磁矩；（Z33),LS耦合:,原子总磁矩:,朗德因子:,原子总角动量：,6,7,3.1.2 材料(固体)的磁性,原子磁矩,磁化强度,铁磁性,顺磁性,材料器件,磁畴,单晶多晶,微观,宏观,原子,晶胞,8,(2)磁矩（m）,环形电流周围的磁场 定价于

3、磁偶极子周围的磁场:,3.2 磁学量及材料磁性分类,N,S,N,S,3.2.1 磁学量,电场强度 E,电偶极距,磁偶极矩,(1)磁场强度 H,二者均与介质无关,N,S,9,静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：,磁力矩:磁矩m在外磁场H中受到一个 转动力距，以降低磁势能，直至U最小,10,(3)磁化强度 M=0 MS,磁化：在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏观磁矩M，从而显示宏观磁性的过程。磁化强度：,H,S,S,N,N,磁化率/系数,M=MS,H,N,S,M=0,11,外加磁场H在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）B，是外磁场与

4、内部磁化强度综合作用的结果，与介质有关。对于真空：对于磁介质：,（4）磁感应强度 B,真空磁导率,相对磁导率,12,物质磁学和电学基本量的比较,相对介电常数,介电常数,13,3.2.2 物质的磁性分类,根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根据 的关系，作出磁化曲线。,（1）抗磁体,在磁场中受微弱斥力。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体：不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体：随温度变化，如铋、镓、锑等。,（10-6）,14,（2）顺磁体,（10-6 10-3）,在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体：其 随温度变化符合反比关系，如金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。与温度

5、无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。,（3）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）,如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点，用Tc表示。所以，居里温度 是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。,15,（4）亚铁磁体（值没有铁磁体那样大）,磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。,（5）反铁磁体（是小的正数。）,温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。如、铬、氧化镍、氧化锰等。,MnO,16,3.3 铁磁性和反铁磁性,3.3.1 铁磁性 1.分子场与自发磁化 2.

6、量子直接交换作用 3.居里温度3.3.2 反铁磁性 1.量子间接交换作用 2.反铁磁性和亚铁磁性,17,分子场与自发磁化,铁磁性特点：1）自然状态下，绝大多数铁磁性矿物、材料宏观并不显示磁性，必须要经磁化以后，才显示磁性（吸铁）；2）这种磁性并不能永久保持，如果提高温度或者反向充磁，这种磁性会消失。为什么？1907年，外斯提出铁磁性的分子场理论：（1）分子场假说 铁磁性物质内存在某种很强的分子场（力），约束着原子，使内部各区域的原子磁矩一致排列。这种无外加磁场下自发产生的磁化，称为自发磁化。自发磁化，用矢量自发磁化强度 表示，其大小等于饱和磁化强度。,1907,Weiss,18,（2）磁畴假说

7、 由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性，这些自发磁化矢量 必然分区存在、相互抵消，这些区域即所谓的“磁畴”。所谓磁化，是借助外加磁场作用，将自发磁化调整到外场方向（显示出来）而已，并非向其提供额外磁性。,磁化,19,根据Boltzmann统计，Weiss导出,其中，布里渊函数,n原子体积浓度,（3）外斯（Weiss)理论,20,2.量子直接交换作用,贡献于电子云重叠部分,Fe Fe,21,K 是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能。A 是两个氢原子中电子交换所产生的交换能，与电子云重叠的程度有关。,a(1)-a原子中的电子1的波函数。b(2)-b原子中的电子2的波函数。a(2)-b原子中的

8、电子2在a原子的波函数。b(1)-a原子中的电子1在b原子的波函数。,电子自旋角动量矢量,22,当 A 0 时，自旋反平行为基态，这是氢分子情形 A 0 时，自旋平行为基态，这是可能出现铁磁性的条件海森伯的讨论就从交换能开始。,其中，后面一项我们称作交换能,虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用，但从氢分子的例子中可以看出：它起源于原子之间的库仑相互作用Vab，交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果。由于泡利原理，自旋取向的不同决定了电子空间分布的不同（对称或反对称），从而影响了库仑相互作用。所以分子场当作一个磁场作用来看虽具有难以理解的巨大强度（103T)，但从量子力学效应来看，这是很自然的

9、。,23,假设：N个原子组成的系统中，每个原子只有一个电子对铁磁性有贡献，只考虑不同原子中电子的交换。N个电子系统的交换能：,由于交换作用是近程作用，只对近邻求和:,证明，Weiss的分子场可表达为：,z是最近邻原子数目,二.Heisenberg 铁磁理论,量子力学奠基人之一，1932年获诺贝尔物理学奖，师从索末菲、波恩、波尔，弟子有诺贝尔奖获得者布洛赫等,Heisenberg(1901-1976),1928,24,物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳 层，即有原子磁距。（Si0）物质具有铁磁性的充分条件是 A0，这里A 可以理解为广义的或等效的交换积分，且交换能可以表示为：,交

10、换积分及铁磁性条件:,25,26,3.居里温度,Ms,T,Tc,铁磁性物质Ms与温度的关系,铁电性物质的饱和极化强度有类似规律,27,3.3.2 反铁磁性1.量子间接交换作用,MnO,Mn2+,O2-,Mn2+,Mn2+,O2-,Mn2+,3d5,2p6,3d5,Mn+,O-,Mn2+,(a)基态(b)激发态间接交换作用示意图,A0,28,2.反铁磁性和亚铁磁性,亚铁磁性 未完全抵消的反铁磁性,MnO,Fe3O4,29,3.4 技术磁化与磁滞现象,3.4.1 磁畴结构 磁畴 畴壁 磁化相关能 磁畴成因3.4.2 技术磁化 畴壁位移 磁畴转动 磁化曲线3.4.3 磁滞现象 磁滞概念 磁滞回线 技

11、术参数,30,3.4.1 磁畴结构 磁畴：形状、尺寸，转动（可逆+不可逆）畴壁：类似、厚度，位移（可逆+不可逆）1.磁畴,磁畴是磁体中沿某一方向饱和磁化的微小区域，低于居里温度自发磁化的磁体，由于退磁能的作用，将分成沿不同方向磁化的许多磁畴，磁矩相互抵消，一般情况无外磁场时，磁体的宏观磁化强度为零。,31,磁畴结构示意图,晶 界,畴 壁,磁 距,1800畴壁和900畴壁，,1）种类，按角度2）单晶和多晶,自发磁化,32,2.畴壁,理论和实验都证明，在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故，不可能发生突变，而是逐渐的变化，从而形成一个有一定厚度的过渡层，称为畴壁。按畴壁两边磁化矢量的

12、夹角来分类，可以把畴壁分成1800壁和900壁两种类型。在具有单轴各向异性的理想晶体中，只有1800壁。在 K10 的理想立方晶体中有1800壁和900壁两种类型。在 K10 的理想立方晶体中除去1800和900壁外，还可能有1090和710壁，实际晶体中，由于不均匀性，情况要复杂得多。nm级,33,立方晶系，易磁向100 180壁和90壁,180畴壁,畴,90壁,34,在大块晶体中，当磁化矢量从一个磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方向时，转动的仅仅是平行于畴壁的分量，垂直于畴壁的分量保持不变，这样就避免了在畴壁的两侧产生磁荷，防止了退磁能的产生。,1)Bloch壁,X,y,z,X,y,35,在

13、薄膜样品中,自旋取向始终平行于薄膜表面转向，在畴壁面内产生了磁荷和退磁场，但在样品表面没有了退磁场。,2)Neel壁,X,y,z,36,Neel 壁,Bloch 壁,试样变厚，增大，Bloch壁变薄，面内退磁场降低；试样变薄，减小，Neel 壁变宽，面内退磁场降低。,37,3.磁化相关能量,磁化实质：跨越磁畴、单晶尺度的磁畴结构变化:畴壁位移（平动）和磁畴（自发磁化矢量）转动；磁化状态，满足平衡状态下总自由能最小化原理。构成此总自由能的能量，包括：磁晶各向异性能、静磁能、磁弹性能、交换能等。这些能量及其最小化对磁畴结构有重要影响，例如：,磁畴产生 自旋交换能作用 磁畴运动 磁力距使然 磁畴大小

14、 各种能量的平衡,38,（1）静磁能（磁势能）E H,静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能（磁势能）：,（宏观、微观尺度）,39,（2）交换作用能 Eex,铁磁物质原子磁距趋向于平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化。对于过渡金属原子，其3d、4s轨道能量相差不大，3d具有空轨道，当它们形成晶体时，电子云重叠使s、d轨道电子再分配、交换，这种交换产生一种交换能Eex。,当A0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；当A0，要求反向排列（反铁磁性）,（畴壁尺度）,40,（3）磁晶各向异性能 E k,在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不同的，称为磁晶各向异性，

15、因此消耗的磁化功不同。,（单晶尺度）,41,、为M与三个晶轴的方向余弦，K0、K1、K2代表晶体各向异性常数。磁晶各向异性起源，可按自旋轨道相互作用模型解释：一、电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向能量高。原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排列在易磁化方向上。,42,（4）退磁能 E d 形状各向异性能,铁磁材料磁化后，在端面形成磁极，在内部产生一个退磁场Hd，其方向与磁化强度M、外加磁场H相反，起抵消作用。,SS,NN,

16、Hd,H,M,（宏观、单晶尺度）,在退磁场Hd中，物质具有退磁能Ed:,退磁因子,43,球形样品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品：ab=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄片样品：ab,c,Nx=1,Ny=Nz=0,退磁因子N有方向性，故与材料形状有关：,x,x,解释Bloch壁，Neel壁,退磁场Hd的存在抵消了磁化强度M，故对磁化起阻碍作用。退磁因子N越大，材料越难磁化。,x,44,（5）磁弹性能 E,材料在磁化时受磁力，导致微小的伸长/收缩，这一过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。磁化

17、时,微元遭受磁力(体积力)应力(面积力)应变（磁）弹性能，由下式计算：,磁化方向和应力方向的夹角；饱和磁致伸缩系数；,（磁畴尺度）,45,4 磁畴成因,交换能（界面能）产生自发磁化，其磁化强度方向沿晶体的易磁化轴排列，产生磁晶各向异性能（体积能），都达到极小值。但铁磁体磁化后，产生表面磁极，形成退磁场，增加体系的退磁能（体积能），要破坏自发磁化的形成。矛 盾：磁畴增大，交换能减小，退磁能增大。为了满足总自由能最小，铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸。所以，过大的磁畴要分裂，而过小磁畴要合并。因此，出现磁畴。,ET,d,假设不考虑Ek,d0,46,(a)整个晶体磁化，Ed大(b)磁畴二分，产生1个畴

18、壁(c)磁畴四分，产生2个畴壁 Ed,Eex 当二者相当时，不再分畴(d)封闭畴(b)的精细(e)封闭畴(c)的精细,钴单晶磁畴的形成过程,假设不考虑Ek,47,3.4.2 技术磁化,技术磁化：在磁畴及以上尺度，研究铁磁材料磁畴结构、运动及其控制手段的磁化，区别于理论磁化而言。技术磁化，一般用磁化曲线和磁滞回线来表征。,磁势能：,微小变化,畴壁位移,磁畴转动,磁化矢量转动,能量低,小磁场,能量高，大磁场,HM,M=f(H),48,在磁场作用下，两种过程均可发生，由于不同材料中发生两种过程的难易程度不同，也可能在不同磁场范围内以一种过程为主、另一种过程为辅。,49,1.畴壁位移,可逆畴壁位移,结

19、构均匀、内应力小、杂质和缺陷少的铁磁材料，畴壁位移阻力小，在起始磁化（小磁场）时，发生可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移可恢复，无能量损耗。M-H线性变化，斜率。如金属软磁材料，高 铁氧体材料等。,2）不可逆畴壁位移,在可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，发生不可逆畴壁位移。如果撤掉磁场，畴壁位移不可恢复，伴随量损耗。由于应力起伏或杂质起伏，使畴壁越过后无以恢复。M-H非线性变化，在巴克豪生区对应最大斜率。,H,H,晶界不移动！但会有应变,50,2.磁畴转动,在不可逆畴壁位移之后，继续增大磁场，某些情况下，可发生可逆磁畴转动。源于磁晶各向异性或应力各向异性等。M-H非线性变化，斜率逐渐减小。,可

20、逆磁畴转动,2）不可逆磁畴转动,在可逆磁畴转动之后，继续增大磁场，磁化趋于饱和，发生不可逆磁畴转动。M-H接近线性变化，斜率趋于最小。,H,H,晶粒不转动！自发磁化矢量转动,51,3.磁化曲线,(1)起始或可逆磁化区 oa：线性(2)瑞利区 ab：偏离线性，不可逆(3)最大磁化率区 bc：M 剧增，达到m，剧烈不可逆（巴克豪生跳跃）。(4)趋近饱和区 cd：M缓慢升高，最后趋近 一水平线(技术饱和)。(5)顺磁磁化区 d后：外场对自发磁化的微弱增强。,52,3.4.3 磁滞现象,1.磁滞概念,磁化后，退磁过程中，磁化强度M的变化 落后于外加磁场H变化的现象，导致M-H曲线不能返回起点，叫磁滞。

21、磁滞必然磁化做功，造成能量损耗。引起磁滞的根源：1)不可逆畴壁位移；2)不可逆磁畴转动；3)反磁化形核；4)畴壁钉扎;,残余内应力,杂质、缺陷,吸收磁化功,H,M,o,53,铁磁体H-M磁滞回线,铁电体P-E电滞回线,退极化曲线,2.磁滞回线,磁化,反磁化,退磁,例如，Fe,Co,例如，BiTiO3,PZT,54,分线段：OAB 磁化曲线，BCDE 反磁化(CD 正退磁)EFGB 正磁化(FG 反退磁)磁滞回线（封闭）：BCDEFGB 磁化功：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，内因：克服交换能、磁弹性能。最大磁能积(BH)max 第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。硬磁、软

22、磁材料：硬磁：高Br、高Hc，软磁：低HC、高磁导率 Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯铁,概 括：,55,3.技术参数,饱和磁化强度Ms 或Bs 矫顽力Hc：剩余磁化Br：起始磁化率：最大磁能积(BH)max,56,7.5 磁性材料及其应用,7.5.1 基本属性1.本征属性 内禀属性(内因)-微观 晶胞尺度-组织无关/不敏感-基本参数：2.统计属性 平均属性（外因）-介观、宏观 组织及以上尺度-组织相关/敏感-基本参数：,材料配方,材料制备及磁化工艺,57,7.5.2 铁磁材料分类,1.软磁材料 能够迅速响应外磁场变化（快速磁化），且能低损耗地 获得高磁感应强度的材料。,磁极,磁路,软磁

23、材料Hc40 KA/m.,58,用途：磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、感应圈铁芯。（利用高导磁率、低损耗）磁极：电磁极头、电子计算机开关元件和存储元件等。（利用饱和磁化强度高）电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用导磁率高、导电性）,磁滞损耗原因：沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用 降低磁滞损耗的措施：1）增加纯度，减小不均匀性，2）减小各向异性，3）减小电阻率。,59,剩磁,电阻,磁极,导磁,磁极,导磁,中频,高频,60,2.硬磁材料 被外加磁场磁化后，撤掉磁场，仍能保留较强磁性的一类材料。,用 途：制造各种永磁体（磁极），以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、

24、录音机、电视机，磁扣、磁珠；可用于举重器、分料器和选矿器中。,硬磁材料磁滞回线示意图,61,FeCrCo,62,63,一、铁镍钴基合金 不含稀土：Fe-Cr-Co合金，Tc高 Al-Ni-Co合金，Tc高 含稀土：NdFeB系，SmCo系-SmCo系：SmCo5烧结永磁体、Sm2Co17多相沉淀硬化永磁体。Br、Hc较大，脆、加工性稍差、造价高。-NdFeB系合金，Nd2Fe14B磁铁王。Br、Hc大，温度稳定性，抗腐蚀性稍差。二、铁氧体 硬磁铁氧体，Tc中,永磁材料分类,64,65,一Al-Ni-Co合金(1960)它们是含有Al、Ni、Co加上3%Cu的铁基系合金,以磁性能高稳定性好著称。

25、脆性，铸造/粉末冶金。广泛应用的合金永磁体。用于仪表、电机器件上，例如，发电机、电动机、继电器和磁电机；电子行业中的应用如扬声器、电话耳机和受话器。Al-Ni-Co具有高(BH)max=4070kJ/3，高剩磁Br=0.71.35，适中的矫顽力Hc40160kA/m。,66,二 Fe-Cr-Co合金(1980)它是1971年Kaneko等研制的永磁材料，它具有良好的延展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材，由于Fe-Cr-Co的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是别的合金不能做到的。它是在Fe-Cr合金基础上发展的，Fe-Cr合金在475 oC发生Spinodal分解。+，产生富铁的

26、铁磁相和富铬的、低磁性相，具有永磁性能。但铬使Br、Tc降低，在Fe-Cr合金基础上加入Co,形成Fe-Cr-Co合金。Co使Br、Tc提高,Spinodal分解温度提高。,67,68,三、硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体中金属离子处于四面体为A位、八面体为B位。从配位情况看，金属离子最近邻都是阴离子，金属离子间电子壳层几乎不能交叠，直接交换作用不适用了，磁性被认为来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。磁铅石型铁氧体：一般式是MO.6Fe2O3,这里M代表二价金属Ba、Sr、Pb；常用的为钡铁氧体(BaO6Fe2O3)、锶铁氧体(SrO6Fe2O3)和铅铁氧

27、体(PbO6Fe2O3)。烧结成型。,69,70,四、稀土永磁体,稀土永磁材料的发展的三个阶段：（1）SmCo5型（2）Sm2Co17型（3）Nd2Fe14B型,71,Nd2Fe14B晶体结构 四方点阵,空间群P42/mnm。a=0.882,c=1.219 nm 对Fe a=b=c=0.286nmNd 4f 46s2原子占4f、4g晶位B 2s22p1原子占据4g晶位，Fe 3d64s2 原子占据4c、4e、8j、16k等六个晶位。,左图为1个单胞由4个Nd2Fe14B化合物分子组成,箭头表示原子磁矩。,72,整个晶体可以看作是由富Nd、富B与富Fe共6个原子层交替组成的。Nd和B仅分布一、四

28、两个层中,Fe分布在二、三、五、六层中。铁在不同晶位上，由于原子之间的间距、近邻同类或异类原子数的差异，Fe-Fe、R-Fe和 R-R原子间交换作用强弱不同，其原子磁矩不同。B的添加对Nd2Fe14B 相形成起重要作用,当无B时合金由Nd2Fe17加a-Fe组成,当B为4at%时Nd2Fe17 消失,形成Nd2Fe14B 相.,73,铸态组织Nd2Fe14B：晶粒内是Nd2Fe14 B相,晶界是富Nd相（吸引畴壁，阻止畴壁运动）,晶内小颗粒是富B相。研究认为,晶界、空位、位错等金属的缺陷是畴壁很强的钉扎中心,将限制畴壁的位移,从而提高磁体的矫顽力。,成核理论：晶粒边界软磁性缺陷区域反磁化成核场

29、,74,以Nd2Fe14B四方相化合物为基体的Nd-Fe-B永磁材料，其磁体性能不仅限决于Nd2Fe14B化合物的内禀磁性K1、Ms、Tc，而且还和显微组织及致密度有关，取决于加工工艺。Nd-Fe-B材料的成分若按Nd2Fe14B配比，可获得单相的Nd2Fe14B化合物，但其永磁性能不一定高，因为烧结后的致密度不高,还需要含有富Nd相。富Nd相熔点低,使烧结时发生液相烧结,提高致密度。铸态的Nd15Fe77B8存在Nd2Fe14B基体、富Nd相、富B相及树枝状晶a-Fe。a-Fe为软磁性相,对提高烧结钕铁硼永磁体性能不利，合金铸锭应通过急冷的办法或均匀化来消除a-Fe。新的甩带法可基本消除a-Fe。,75,Thanks,7.5.3 铁磁材料的应用,