磁性材料第6章技术磁化理论-磁性材料

磁性材料,第二章 技术磁化理论,第二章 技术磁化理论,第1节 技术磁化过程,2节 反磁化过程,第2节静态磁参数分析,Weiss,分子场假说,自旋交换作用导致磁性体内部存在分子场，从而产生自发磁化（,M,S,T,关系，以及居里点的存在）,在未受外磁场作用时为什么绝大多数铁磁体不显示宏观磁性呢？,磁畴假说,磁畴的概述：宽度约为,10,-3,cm,，包含,10,14,个磁性原子（从微观和宏观两种角度认识磁畴）,Introduce,磁畴结构,：磁畴的大小、形状以及它们在铁磁体内的排布方式。研究磁畴结构的形式及其在外磁场中的变化是磁学的重要内容之一,（1）了解铁磁体内部自发磁化的分布；,（2）为研究磁化过程提供理论依据,铁磁体为什么形成磁畴？磁畴的尺寸和结构与哪些因素有关？,所有这一切都是由,铁磁体系统内的总自由能等于极小值所决定的,。具体而言，铁磁体磁畴结构的形成以及磁化过程中磁化曲线、磁滞回线上的每一点都代表铁磁体的,平衡状态,，而从热力学的观点来看，在平衡状态下，系统的总自由能等于极小值,第1节 技术磁化,Technical Magnetization,铁磁性物质的基本特征：,（1）、铁磁性物质内存在,按磁畴分布的自发磁化,（2）、铁磁性物质的,磁化率,很大,（3）、铁磁性物质的,磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数关系，显示磁滞现象，具有剩余磁化强度，其磁化率都是磁场强度的函数,（4）、铁磁性物质有一个,磁性转变温度-居里温度T,C,（5）、铁磁性物质在磁化过程中，表现为,磁晶各向异性和磁致伸缩现象,一、磁化过程概述,(General of magnetizing process),1、一些基本概念：,磁化过程：指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场的作用下，其,磁化状态随外磁场发生变化的过程,，分为,静态磁化过程,和,动态磁化过程,当,磁场作准静态变化,时，称为静态磁化过程（又分为技术磁化和内禀磁化）；,当磁场作动态变化时，称为动态磁化过程,技术磁化：指施加,准静态变化磁场,于强磁体，使其自发磁化的方向通过,磁化矢量,M,的转动或磁畴移动而指向磁场方向的过程,2、磁化曲线的基本特征：,铁磁性、亚铁磁性磁化曲线为,复杂函数关系,H,起始磁化区,陡峭区,趋近饱和区,Rayleigh区,M,顺磁磁化区,强磁体的磁化曲线可分为五个特征区域：,（1）、起始磁化区（可逆磁化区域）,M,i,H,B,0,i,H （,i,1+,i,）,（2）、Rayleigh区：仍属弱场范围，其磁化曲线规律经验公式：,（3）、陡峭区,中等场H范围，M变化很快。特点是,不可逆磁化过程,，发生巴克豪森跳跃的急剧变化，其,与,均很大且达到最大值又称,最大磁导率区,（4）、趋近饱和磁化区,较强H，M变化缓慢，逐渐趋于技术磁化饱和。符合趋于饱和定律：,其中,a,、,b,与材料形状有关,（5）、顺磁磁化区,需极高的H，难以达到。在技术磁化中不予考虑,3、磁化过程的磁化机制：,若磁体被磁化，则沿外磁场强度,H,上的磁化强度,M,H,可以表示为：,当外磁场强度,H,发生微小的变化,H,，则相应的磁化强度的改变,M,H,可表示为：,畴壁位移磁化过程,磁畴转动磁化过程,顺磁磁化过程,即技术磁化过程为,畴壁位移,和,磁畴转动,两种基本磁化机制,强磁性材料被磁化，实质上是材料受外磁场,H,的作用，其,内部的磁畴结构,发生变化，也即是磁体内部总能量的平衡分布重新调整过程,技术磁化过程大致可以分为三个阶段：,（i）、可逆畴壁位移磁化阶段（,弱场范围内,）：,若,H,退回到零，其,M,也趋于零。（多见于,金属软磁材料,和,磁导率,较高,的铁氧体中）,（ii）、不可逆畴壁位移磁化阶段（,中等磁场范围内,）,即有Barkhausen jumps 发生,（iii）、磁畴磁矩的转动磁化阶段（,较强磁场范围内,）,此时样品内畴壁位移已基本完毕，要使,M,增加，只有靠磁畴磁矩的转动来实现。一般情况下，可逆与不可逆磁畴转动同时发生于这个阶段,第2节 反磁化过程,Reversal of Magnetizing Process,一、概述,反磁化过程：铁磁体从一个方向饱和磁化状态变为相反方向的技术饱和磁化状态的过程；,主要特征,磁滞现象（磁化强度,M,随,H,变化中出现滞后的现象）,来自于不可逆磁化过程,实验证明，一般的磁性材料除在,极低的磁场,或,极高磁场以外,，在不同大小的磁场作用下反复磁化均可得到相应的磁致回线，而其中最大的回线就是,饱和磁滞回线（,H,c,、,M,r,）,与磁化过程一样，反磁化中也存在可逆与,不可逆磁化,过程,反磁化过程中，磁滞形成的根本原因主要,由于铁磁体内存在应力起伏、杂质以及广义磁各向异性引起不可逆磁化过程,；所以磁滞与反磁化过程中的阻力分布有密切的关系；,磁滞的机制肯定包括下面两种：（,1,）在畴壁不可逆位移过程中，由应力和杂质所引起的磁滞；（,2,）在磁畴不可逆转动过程中，由磁各向异性能所引起的磁滞。,与技术磁化过程不同，反磁化过程是从,技术饱和磁化状态开始,的（似乎不存在磁畴结构）；,反磁化过程产生磁滞的第三种机理：,反磁化核的成长过程,（晶格的点缺陷、面缺陷对畴壁的钉扎也是引起磁滞的另一种重要机制）,一般来说，软磁材料中主要是由,不可逆畴壁位移导致磁滞,，而某些单畴颗粒材料中，磁滞主要是由,不可逆畴转磁化过程来决定,；同时在有些材料中，反磁化是通过,反磁化核的生长来实现,，因此其磁滞主要决定于反磁化核生长的阻力,注意：矫顽力,H,c,和剩余磁化强度,M,r,是磁滞回线上的物理量，而矫顽力H,C,是表征磁滞的主要磁学量，在一级近似下，,H,c,可看作不可逆磁化过程的临界磁场,H,0,的平均值来进行计算，即：,其物理意义就是相应于铁磁体中大量地进行,反磁化的平均磁场,；即当外磁场达到,H,0,时，铁磁体内的不可逆磁化过程已大部分进行完了研究反磁化问题的核心就是计算矫顽力,第3节 静态磁参数分析,Analysis of Static Magnetic Parameters,一、起始磁化率,i,起始磁化率,i,是,软磁材料工作在弱磁场中,的一个重要磁性参数，也是,电讯工程技术上应用磁性材料性能的重要指标；,技术磁化理论中的起始磁化率的共同特点：与材料的饱和磁化强度,M,S,的平方成正比，而与材料内部存在的,S,、,K,1,和杂质浓度,成反比；即与很多因素有关，如杂质、气孔以及晶粒大小、取向和排列等有密切关系；,目前的磁化理论还不能精确计算起始磁化率,i,，但如果要想获得高的起始磁化率必须从材料的四个方面来考虑：（1）材料的磁化强度M,S,；（2）材料的K,1,和,S,；（3）材料晶体结构的完整性；（4）材料组成成分的均匀性,（一）、材料的饱和磁化强度,M,S,：,磁化理论决定的起始磁化率,i,均与,M,s,2,成正比，所以提高,M,S,的大小有利于获得高的,i,；,在软磁材料中可以选择适当的配方成分以后，确实可以提高材料的,M,S,值；,M,S,值一般不可能变动很大，且提高,M,S,后不一定能够同时保证低的,K,1,和,S,等,所以改变,M,S,的大小并不是提高起始磁化率,i,的最有效的方法,（二）、磁晶各向异性常数K,1,和磁致伸缩系数,S,：,控制,S,和,K,1,是改善起始磁化率,i,的一个重要途径（无论是在畴壁位移还是在畴转磁化过程中）,例如,Fe-Ni,合金的,K,1,和,S,随其成分及结构不同而变化，而且可以在,很大范围内变化其大小和符号,可能使K,1,和,S,很小，甚至可以使K,1,0,和,S,0,。如含78.5Ni的Fe-Ni坡莫合金，经过双重热处理后可使其起始磁导率增高到10,4,对于软磁铁氧体材料，控制材料中几种成分的适当比例，可以制成,K,1,和,S,较低的复合铁氧体材料,，通常采用加入ZnO和过铁配方以达到同时降低K,1,和,S,值的目的,一般尖晶石铁氧体材料的K,1,0和,S,0的CoFe,2,O,4,或,S,0的Fe,3,O,4,均可达到降低K,1,和,S,的目的,（三）、内应力和掺杂及其分布：,方案：,尽量减少材料中的杂质含量和内应力的分布,，主要通过选择原料纯度、控制烧结温度以及热处理条件来实现,例如：铁氧体材料，若选择原料纯度高、活性好、适当的烧结温度和时间、热处理条件就可以使烧成的材料结构均匀、晶粒大小适当，杂质和空隙较少；金属软磁材料，通过选择成分、原料纯度、控制熔炼过程的温度和时间以及热处理条件等，可以得到单相、无气泡、杂质少以及低的残余应力,实践证明，热处理对于材料结构和微结构影响很大，因而可能影响到K,1,和,S,的性质，如对于,S,大的材料要注意降低内应力，而K,1,大的材料则要尽量减少杂质的含量,（四）控制晶粒尺寸的大小：,若材料晶粒大，晶界对畴壁位移的阻滞较小；,实验已证明，起始磁化率随晶粒尺寸的增大而升高，且随着晶粒尺寸大小的不同，对起始磁化率,i,的贡献的磁化机制也不同；,如,MnZn,铁氧体材料，当其晶粒在,5,m,以下时，磁导率约为,500,左右，这时晶粒近似为单畴，其贡献是以畴转磁化为主，若晶粒尺寸在,5,m,以上时，已不是单畴，将会发生畴壁位移，其磁导率增大为,3000,以上,晶粒的尺寸大小一般要受到烧结条件及热处理的影响，提高铁氧体烧结温度，可以使晶粒长大，有利于提高磁导率，但烧结温度过高，会使材料内部某些元素挥发而产生大空隙和应力，对提高磁导率产生不利的一面,（五）材料的织构化,利用,i,的各向异性特点来改进磁性材料的磁特性的一种特殊方法，分,结晶织构,和,磁畴织构,两种方法；,结晶织构：将各晶粒易磁化轴排列在同一个方向上，若沿该方向磁化可获得高的,i,；,磁畴织构：使磁畴沿磁场方向取向排列，从而提高,i,二、剩余磁化强度,M,R,剩余磁化强度,M,R,的大小，决定于材料从饱和磁化降到,H,0的反磁化过程中,磁畴结构的变化,；它是反磁化过程中,不可逆磁化的标志,，也是决定磁滞回线形状大小的一个重要物理量,剩余磁化状态,：铁磁体磁化至饱和后，再将外磁场减退至零的状态，即H0，而M,0的磁化状态；一般可以理解为铁磁体磁化至饱和后，在反磁化过程中保留了,大量不可逆的磁化部分,，而,退掉了在H 0区域中的可逆磁化部分,H,M,A,B,C,O,D,C,以由,单轴各向异性晶粒,组成的多晶体为例说明剩余磁化的磁畴结构变化示意图,在多晶体中，假设晶粒的单易磁化轴是均匀分布的，当多晶体在某个方向磁化饱和后，再将外磁场降为零，由于,不可逆磁化,的存在，各个晶粒内的磁矩不是,从饱和磁化方向回到自己原来的易磁化轴方向,，而是只,回到各自最靠近外磁场方向上的那些易磁化轴方向,，所以磁矩均匀分布在半球内,则在原来磁场方向上保留的剩磁大小可近似为,M,R,M,S,cos,，其中,为外磁场与每个晶粒的易磁化轴间的夹角,三、矫顽力,H,C,H,M,B,B,H,C,M,H,C,磁感矫顽力,B,H,C,：在,B,H,磁滞回线上，使,B,0,的磁场强度,;,内禀矫顽力,M,H,C,：在,M,H,磁滞回线上，使,M,0,的磁场强度,;,通常情况下，,1、两种矫顽力的定义：,2、各种因素决定的矫顽力,H,c,：,（1）、对畴壁位移的阻力,a,、内应力理论,H,C,H,0,S,/,0,M,S,b,、含杂理论,H,C,H,0,2/3,/,0,M,S,（2）、对畴转过程的阻力,a,、磁晶各向异性,H,C,H,0,K,1,/,0,M,S,b、应力各向异性,H,C,H,0,S,/,0,M,S,c,、形状各向异性,H,C,H,0,(,N,2,-N,1,),M,S,3、控制矫顽力,H,C,大小的有效途径：,软磁,H,C,要小，而硬磁,H,C,要大，如何做到这一点呢？采用什么途径呢？,根本出发点：根据决定矫顽力,H,C,的,磁滞机理理论,，在工艺制作中,控制影响,H,C,大小的各种因素,（1）、如何提高矫顽力,H,C,：,a、增强对,畴转磁化,的阻力,通过畴转获得高矫顽力,H,C,的,必要条件,为使材料形成单畴颗粒，其,充分条件,则是提高材料的磁各向异性,b