功能材料-第五章--磁性材料

第四章 磁性材料,具有强磁性的材料称为磁性材料。 磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。 磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。,1.磁矩,磁矩m是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。,电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自旋，产生电子自旋磁矩。 这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。,2.磁化强度,磁化强度M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程度，与磁感应强度B和磁场强度H的关系为：,其中：r=/0为介质的相对磁导率；=r-1定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。,3.磁滞回线,磁致回线是磁性材料的主要特性。Br称为剩余磁感应强度， Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）， Hc为矫顽力。,反向磁场使残余磁感应强度变为零时的磁场强度称为矫顽力Hc。,磁导率是表征磁介质磁化性能的一个物理量。对铁磁体来说，磁导率很大，且随外加磁性的强度而变化。磁导率越大越好，已成为鉴别磁性材料性能是否优良的主要指标。,4.磁导率,利用磁性材料制作线圈或变压器磁芯时，希望磁芯内的能量损耗小到尽可能忽略的程度。 损耗系数tg=R/2fL 品质因数为tg/，这是表征铁氧体损耗大小的一个重要参数。,5.最大磁能积（BH）max,6.损耗系数和品质因数,磁性材料的分类：,按化学组成分类 金属磁性材料、非金属（铁氧体）磁性材料,按磁化率大小分类 顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性,按功能分类 软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、 旋磁材料、压磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁记录材料,4.1 软磁材料,4.2 硬磁材料,4.3 磁记录材料,4.4 其他磁性材料,4.1 软磁材料,定义：指矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料 特点： 磁滞回线细而长 高磁导率 低矫顽力 容易磁化，也容易去磁 常见软磁材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率m,分类：金属软磁材料、软磁铁氧体 常用的金属软磁材料 电工用纯铁 电工用硅钢片 铁镍合金与铁铝合金 非晶态合金：铁基、钴基、铁镍基,软磁材料的用途：主要用于导磁，可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。,变压器 磁性传感器,含碳量极低、纯度99.95%以上 用途：铁芯、磁极、磁路等 性能：机械、磁性能 影响性能的因素：结晶轴对磁化方向的取向、杂质、晶粒大小、金属的塑性变形、内应力 改善性能措施 工作环境及减少涡流损耗方法,电工用纯铁,电工用硅钢片,分类：热轧非织构(无取向)硅钢片、冷轧非织构(无取向)硅钢片、冷轧高斯织构(单取向)硅钢片、冷轧立方织构(双取向)硅钢片 用途：电机、发电机、变压器、扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表 机械性能、磁性能的影响因素：硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(硝，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关 高斯织构、立方织构硅钢片性能,软磁材料的磁滞回线,常见软磁材料的Bs和m,几种电工用纯铁的磁性能,Fe-Si3.8%合金单晶体磁化方向,高斯织构、立方织构硅钢片性能比较,铁镍合金,成分：主要成分是铁、镍、铬、钼、铜等元素 特性：在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗。 用途：广泛用于电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域。 铁镍合金相图与不同成分合金的性能 铁镍合金的分类及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85,铁铝合金,铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16以下时，便可以热轧成板材或带材；含铝量在56以上时，合金冷轧较困难。 铁铝合金特点： 电阻率高 高的硬度和耐磨性 比重小，可减轻铁芯自重 对应力不敏感 时效：材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化 温度稳定性,非晶态合金,铁基非晶态软磁合金： 特点：饱和磁感应强度高 、损耗低 缺点：磁致伸缩系数大 钴基非晶态软磁合金：饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小，磁致伸缩系数趋近于零 铁镍基非晶态软磁合金：性能基本上介于两者之间 非晶态合金与晶态软磁材料的比较：磁导率高，电阻大，损耗小,非晶态合金与晶态合金的磁滞回线,铁镍合金相图与不同成分合金的性能,热处理工艺对铁镍合金磁导率的影响,4.2 硬磁材料(永磁材料),定义：指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料 评价永磁材料性能好坏的指标 剩余磁感应强度Br 矫顽力Hc 最大磁能积(BH)max 凸起系数:(BH)max / BrHc 退磁曲线: 永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分,永磁材料种类 铝镍钴系硬磁合金 永磁铁氧体材料 稀土永磁材料 可加工的永磁合金 永磁材料用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用,永磁材料的退磁曲线和磁能曲线,铝镍钴系硬磁合金,特点：铝镍钴系永磁合金具有高的BH及高的Br，适中的Hc。(BH)max =4070kJ/m3，Br=0.71.35T，Hc4060kA/m。这类合金属沉淀硬化型磁体。 成型方法：有铸造法和粉末烧结法两种。 成分：以Fe，Ni，A1为主要成分，通过加入Cu，Co，Ti等元素进一步提高合金性能 铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动机继电器和磁电机；电子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等,稀土永磁材料,成分：稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B、C、N等组成的金属间化合物 研究与发展的4阶段： 第一代是稀土钴永磁材料RCo5型合金(1：5)型。 第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2：17型，TM代表过渡族金属)。 第三代为Nd-Fe-B合金 第四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系。,稀土永磁材料分类,钴基稀土永磁体,SmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5 结构：CaCu5型六方结构 矫顽力：来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎 性能：饱和磁化强度适中，磁晶各向异性极高。 降低成本：成分取代、制备方法 Sm2Co17 结构：六方晶体结构 矫顽力：沉淀粒子在畴壁的钉扎 性能：矫顽力低, 剩余磁感应强度及饱和磁化强度高,铁基稀土永磁体,Nd-Fe-B系永磁合金 特点：磁能积最大的永磁体 分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料 性能：价格便宜，加工性能好，有利于实现磁性器件的轻量化、薄型化。 缺点：耐蚀性差，居里温度低(312)，磁感应强 度温度系数大，材料使用温度低不超过(150) 改进措施 调整合金成分取代元素和掺杂元素 制备工艺控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度,R-Fe-N系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常为Sm或Nd，Er，Y。 特点：Sm2Fe17Nx的居里温度可达746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。 N以间隙原子形式溶入Sm2Fe17晶格，产生晶格畸变，磁化方向改变，具有单轴磁各向异性；磁晶各向异性场约为Nd2Fe14B的两倍，理论磁能积与Nd2Fe14B相近。,可加工的永磁合金,在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的 四个主要系列 -铁基合金 Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金 铜基合金 Fe-Cr-Co永磁合金,磁记录材料,磁记录原理 3种记录模式：水平(纵向)、垂直、杂化 磁记录系统基本单元：换能器、存贮介质、传送介质装置以及相匹配的电子线路 磁记录原理 3种信号类型：音频信号、数字信号、调频信号 两种记录方式：模拟、数字 磁记录介质：磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片,磁记录材料 磁头材料 磁头的基本结构 基本功能：写入、读出 磁头材料的基本性能要求：高的、高的Bs、低的Br和Hc、高的电阻率和耐磨性 磁头材料种类：合金、铁氧体、非晶态合金、 薄膜材料,磁记录介质材料 磁记录介质的基本性能要求 Br高 Hc适当 磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高 磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄 磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态 磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应 基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应 磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团,磁记录介质材料的种类 颗粒(磁粉)涂布型介质：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。 连续薄膜型磁记录介质：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种 湿法，如电镀和化学镀 干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法,磁记录原理,水平和垂直记录方式,磁头的基本结构,三种最基本的磁记录信号,其他磁性材料,超磁致伸缩材料 巨磁电阻材料 巨磁化强度材料 磁光效应材料 磁制冷材料,