磁性材料

磁性材料磁性材料MagneticMaterialsMagneticMaterials四川大学材料学院四川大学材料学院陈宝军陈宝军2课程提纲课程提纲绪论第一章磁学基本理论与物质的磁性第二章软磁材料第三章永磁材料第四章信息记录材料第五章新型磁功能材料3一、永磁材料的基本概念一、永磁材料的基本概念二、衡量永磁材料的重要指标二、衡量永磁材料的重要指标三、提高永磁体性能的途径三、提高永磁体性能的途径四、各类永磁材料四、各类永磁材料五、永磁材料应用举例五、永磁材料应用举例第三章第三章永磁材料永磁材料43.13.1永磁材料的基本概念永磁材料的基本概念z定义被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留较强磁性的一类材料称为永磁材料。永磁材料永磁材料又称又称硬磁性材料硬磁性材料或或高矫顽力材料。高矫顽力材料。53.13.1永磁材料的基本概念永磁材料的基本概念z基本要求（1）剩余磁感应强度BBrr要高（2）矫顽力HHcc要高（3）昀大磁能积((BHBH))maxmax要高（4）从实用角度考虑，材料稳定性稳定性要高63.13.1永磁材料的基本概念永磁材料的基本概念z主要种类永磁材料种类多、用途广。（1）金属金属永磁材料：AlAl--NiNi--CoCo，FeFe--CrCr--CoCo（2）铁氧体铁氧体永磁材料：BaBa、、SrSr铁氧体铁氧体（3）稀土稀土系永磁材料：SmCoSmCo55,,SmSm22CoCo1717,,NdNd--FeFe--BB7金属系83.13.1永磁材料的基本概念永磁材料的基本概念z发展历程1880年左右，碳钢，(BH)max=1.6kJ/m3；紧接着，钨钢、钴钢。1931年，铝镍铁（MK钢）、铝镍钴（Al-Ni-Co）系磁钢。Al-Ni-Co：(BH)max=14.3kJ/m3→39.8kJ/m3主导地位主导地位，直至1960s。9z发展历程1930s，发现铁氧体永磁材料。材料便宜、工艺简单、磁性能居中、价格低廉1970s，迅速发展，产量跃居第一。(BH)max=31.8kJ/m3同时，Fe-Cr-Co问世，改善了Al-Ni-Co的缺点。10z发展历程1960s，Sm-Co系问世。1980s，Nd-Fe-B系问世。革命性变革！革命性变革！(BH)max=460kJ/m3近年，新动态：纳米双相，Re-Fe-N系“磁王”113.2衡量永磁材料的重要指标永磁体的昀基本要求昀基本要求:一旦被磁化，其磁化应该具有难以失去失去或消除消除的特性。12永磁体被磁化到饱和以后，如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙中便产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能磁能。13永磁体由外界储存的静磁能U可表示为:式中，dV为永磁体的体积元。显然，在U取昀大值的条件下使用昀为有利。14有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场退磁场HHdd，有时也称作反磁场。zz退磁场退磁场15如图3-3所示，在具有N，S磁极的永磁体中，会产生与永磁体的磁极化强度J方向相反的反磁场反磁场μμ00HHdd，从而造成永磁体磁场强度的变化。16反磁场反磁场μμ00HHdd表示为：μ0Hd=－NdJ式中，μμ00为真空中的磁导率4π×l0-7H／m，负号负号表示反磁场的方向与永磁体的磁化方向相反，Nd为反磁场系数，其大小随永磁体的形状不同而变化。（3-2）17磁体被磁化之后，本身将受到一退磁退磁作用，退磁场的方向和原来外加磁化场的方向是相反的。因此，永磁体的工作点将从剩磁点Br移到磁滞回线的第二象限，即退磁曲线上的某一点上。永磁体的实际工作点用D表示。zz永磁体的实际工作点永磁体的实际工作点18永磁材料的磁化曲线和退磁曲线永磁材料性能的好坏，应该用退退磁曲线磁曲线上的有关物理量来表征。193.2衡量永磁材料的重要指标3.2.13.2.1..剩磁剩磁BBrr3.2.23.2.2..矫顽力矫顽力HHcc3.2.33.2.3..昀大磁能积昀大磁能积((BHBH))maxmax3.2.4.3.2.4.稳定性稳定性203.2.1剩磁Br磁性材料被磁化到饱和以后，当外磁场降为零时所剩的磁感应强度。永磁体的工作点在退磁场作用下，由Br点移到D点。这时，永磁体所具有的剩磁已不再等于Br，而应该等于BBdd。一般，Bd称为表观剩磁表观剩磁。永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。213.2.2矫顽力Hc两种定义：两种定义：BHc：磁感矫顽力，使B=0所需的磁场值MHc：内禀矫顽力，使M=0所需的磁场值22饱和磁极化强度Js大、易磁化轴取向趋于一致，是获得高强度永磁体的必要条件必要条件。但是，这些条件只有在较高矫顽力下才起作用。换句话说，没有矫顽力矫顽力就谈不上永磁体。只要有矫顽力，总可以构成具有或大或小强度的永磁体。23使钢制的小刀、镊子等与强磁体接触，两者就会变成永磁体。这是由于钢钢经淬火淬火后变硬，其矫顽力变高所致。其矫顽力大小虽然不能与强磁体相比，但比之经退火的软铁软铁可高10倍以上、虽然磁力较弱，但毕竟是永磁体。例如：241.1.永磁体的磁场强度与其体积间的关系永磁体的磁场强度与其体积间的关系S—为磁体的断面积，L—为磁体的长度，沿长度方向被磁化，磁通密度为Bd，则，有SBSBdd的磁场可从永磁体中取出，即其磁通量为：Φ＝SBd设：3.2.3昀大磁能积(BH)max25(1)对于S相同的永磁体增加L的磁场情况z如果加长L，由于反磁场减小，则磁通量Φ升高；z即使L为无限长，反磁场系数等于零，磁场(磁通密度)Bd也不会超过磁极化强度Jr的值，Jr为Bd的昀大值。z当L变长，磁体的体积V必然增加，而超过一定的长度之后，每单位体积中的磁场反而减小。这表明，存在一个临界长度临界长度，在该长度下，每单位体积单位体积的磁场昀大。26(2)当磁体长度L保持一定，增加断面积S的磁场情况由于S增加，反磁场增加，引起Bd下降。因此，S扩大到2倍，并不能保证Φ增加到2倍。即是说，断面积增加到一定的大小之后，再增加就会造成单位体积磁场的下降。这表明，存在一个临界断面积，在该断面积下，每单位体积单位体积的磁场昀大。272.2.永磁体的昀大磁能积永磁体的昀大磁能积((BHBH))maxmax————评价永磁体强度的昀主要指标评价永磁体强度的昀主要指标(1)磁场与磁场能z永磁体单位体积磁场磁场取昀大的形状形状是确定的，该形状随永磁体的磁学特性不同而异；28z永磁体单位体积磁场能磁场能取昀大值的形状与其单位体积的磁场取昀大的形状是一致的。z反磁场μμ00HHdd与永磁体工作点的磁通密度BBdd之间相互作用的磁场能磁场能与BBdd和HHdd之积成比例之积成比例。若某一形状对应的单位体积的磁场能磁场能取昀大，则其对应的磁场也取昀大值。29(2)最大磁能积(BH)max图3-4表示退磁曲线退磁曲线（左图）及该曲线上对应的Bd与Hd的乘积曲线（右图）。30当Hd＝0时，BdHd＝0；同样，在曲线与μ0H轴的交点，Bd＝0，也有BdHd＝0。在这两点之间BdHd存在昀大值，称为昀大磁能积(BH)max。31由于单位制关系所以B:[T]=[Wb/m2]=[V·s/m2]H:[A/m]BH:[VAs/m3]=[J/m3]32z目前研究开发成功的稀土永磁材料，其((BHBH))maxmax已接近450kJ450kJ／／mm22，与普通磁钢的8kJ／m2相比，昀大磁能积提高了近6060倍，这为永磁材料的推广应用提供了坚实的基础。33z如果永磁体的尺寸比取(BH)max的形状，则能保证其单位体积的磁场能为昀大。按照上面的说法，可以根据(BH)max确定各种永磁体的昀佳形状。在昀佳形状下，再根据能获得磁场的大小来比较不同永磁体的强度。即，(BH)max昀高的磁体，产生同样磁场所需的体积昀小；而在相同体积下，(BH)max昀高的磁体获得的磁场昀强。因此，因此，((BHBH))maxmax是评价永磁体强度的昀主要指是评价永磁体强度的昀主要指标。标。343.2.4稳定性稳定性：稳定性：永磁体的有关磁性能在长时间使用过程中或受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变保持不变的能力。若某性能参数为Z，则稳定性可用其变化率来表示：直接关系到永磁体工作的可靠性35从前面讨论可以看出，作为永磁体强度的昀大磁能积(BH)max是表征永磁体性能的昀主要指标昀主要指标。3.3提高永磁体性能的途径36为使昀大磁能积(BH)max尽可能大，需要几个条件。z首先，残留磁通密度Br(是由物质本身决定的固有值)要高；z其次，因反磁场造成的残留磁通密度的减少要尽量小，也就是说，由磁滞回线矩形比表示的左肩要尽量宽(左肩Br／Bs接近1的部分要尽量宽)；z昀后，具有绝对值大于反磁场的矫顽力。当然本征矫顽力HcJ也是重要的指标。37综上所述，高矫顽力材料应具备的条件是：①残留磁通密度Br要高；②矫顽力Hc要高；③昀大磁能积(BH)max要大。上述3个特征又称为永磁体的“三要素”，其都与材料的晶体微细组织晶体微细组织密切相关，在制造工艺中应采取一系列措施加以保证。38与此相对应的饱和磁化强度Ms及本征矫顽力HcJ是由物质本身决定的，基本上是确定的物质固有本性。对于永磁体来说，当然这些数值越高越好。因此，原始的材料设计、原材料的制造管理、材料配合等十分重要。393.3.1如何提高材料的剩磁Br要求材料有高的饱和磁化强度Ms，同时矩形比Br/Bs应接近于1。Ms：物质固有属性，由材料的成分决定，不可能大幅度提高。成分基本给定的永磁材料，关键是提高矩形比Br/Bs。40①①定向结晶定向结晶在永磁合金经熔炼进行铸造时，设法控制铸件的冷却条件，使大多数晶粒沿着同一方向结晶长大，昀后形成柱状晶柱状晶结构。柱状晶晶粒长大的方向往往就是它的易磁化方向。实例：铝镍钴永磁合金41②②塑性变形塑性变形多晶体金属材料经拔丝、轧板、挤压、压缩等塑性变形，由于晶粒转动等，晶粒的晶体学方位会发生一定程度的定向排列，称其为择优取向、织构织构等。由加工产生定向排列组织实例：Fe-Cr-Co系永磁合金在制作成薄板及细丝状永磁体时，可通过塑性加工，使析出物产生变形织构而诱导磁各向异性。42③③磁场成型磁场成型在永磁体加工成型过程中，通过施加外部磁场，使磁性颗粒的易磁化轴沿磁场方向取向，经高温烧结及回火后，可以改善永磁体的矩形比特性，得到较高的剩磁Br。实例：稀土钴和钕铁硼合金43④④磁场处理磁场处理将材料放在外部磁场中进行热处理，可以控制热处理过程中铁磁性相颗粒的析出形态，并使磁矩沿磁场方向择优取向。443.3.2如何提高材料的矫顽力Hc永磁体在磁化过程中，经历可逆的畴壁移动、不可逆的畴壁移动，经磁化转动昀后达到饱和。材料的矫顽力主要是由畴壁的不可逆移动和不可逆磁畴转动形成的。永磁材料矫顽力的大小主要由各种因素（如磁各向异性、掺杂、晶界等）对畴壁不可逆位移和磁畴不可逆转动的阻滞作用的大小来决定的。45①①磁畴的不可逆转动磁畴的不可逆转动有一些永磁材料是由许多铁磁性的微细颗粒和将这些颗粒彼此分隔开的非磁性或弱磁性基体组成。这些铁磁性颗粒是如此之细小，以至于每一颗粒内部只包含一个磁畴，称为单畴颗粒。46由于单畴颗粒不具有畴壁，因此磁化机制仅考虑磁畴旋转磁畴旋转即可。磁畴内的磁化矢量要从一种取向转动到另一种取向，必须克服来自各种磁各向异性对转动的阻滞。磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向异性47在单畴材料中，各单畴颗粒取向是否一致直接影响着Hc的大小。在大块单畴材料中，当所有单畴颗粒的易磁化方向（长轴）完全平行排列时，材料永磁性能昀高。48②②磁畴的不可逆位移磁畴的不可逆位移在永磁材料中，不可避免地会有各种晶体缺陷、杂质、晶界等存在。在这些区域内，由于内应力或内退磁场的作用，磁化矢量很难改变取向，以至于当晶体中其他部分在外磁场饱和磁化以后，这部分的磁化方向仍沿着相反方向取向。在反磁化时，它们就构成反磁化核反磁化核。49这些反磁化核在反磁场作用下将长大成反磁化畴，为畴壁位移准备了条件。如果永磁体在反磁化开