磁性材料第6章技术磁化理论-磁性材料.ppt

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 MS 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 3cm 包含1014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TechnicalMagnetization 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TC 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 Generalofmagnetizingprocess 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 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 iHB 0 iH 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MH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 MH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Barkhausenjumps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ReversalofMagnetizingProcess 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 Hc Mr 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Hc和剩余磁化强度Mr是磁滞回线上的物理量 而矫顽力HC是表征磁滞的主要磁学量 在一级近似下 Hc可看作不可逆磁化过程的临界磁场H0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H0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AnalysisofStaticMagneticParameters 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MS的平方成正比 而与材料内部存在的 S K1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MS 2 材料的K1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MS 磁化理论决定的起始磁化率 i均与Ms2成正比 所以提高MS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MS值 MS值一般不可能变动很大 且提高MS后不一定能够同时保证低的K1和 S等所以改变MS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K1和磁致伸缩系数 S 控制 S 和K1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K1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K1和 S很小 甚至可以使K1 0和 S 0 如含78 5 Ni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104 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K1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K1和 S值的目的 一般尖晶石铁氧体材料的K10的CoFe2O4或 S 0的Fe3O4均可达到降低K1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K1和 S的性质 如对于 S大的材料要注意降低内应力 而K1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MR 剩余磁化强度MR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H 0 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 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MR MScos 其中 为外磁场与每个晶粒的易磁化轴间的夹角 三 矫顽力HC H M B BHC MHC 磁感矫顽力BHC 在B H磁滞回线上 使B 0的磁场强度 内禀矫顽力MHC 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Hc 3 控制矫顽力HC大小的有效途径 软磁HC要小 而硬磁HC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HC的磁滞机理理论 在工艺制作中控制影响HC大小的各种因素 1 如何提高矫顽力HC a 增强对畴转磁化的阻力通过畴转获得高矫顽力HC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 提高对畴壁位移的阻力基本方向 增大内应力的起伏分布和增加杂质的体积浓度 同时若提高材料的 S和K1将更有效 误区 认为高矫顽力HC的材料一定是单畴结构 且由位移磁化过程所决定的往往不高 60年代以后 对铁氧体永磁材料的磁畴结构研究发现 其反磁化过程是以反磁化核生长而通过畴壁位移进行的 可以获得HC高达约106 4 A m 70年代以来 针对高K1的稀土合金研究 发展了畴壁位移阻力的理论 提出了畴壁钉扎的概念来解释稀土永磁合金高HC的来源问题如SmCo5材料HC高达约4 106 A m 总之 提高对反磁化核生长的阻滞以及畴壁位移的阻滞是提高矫顽力 的普适方法之一 如何降低矫顽力HC 软磁材料要求矫顽力HC越小越好 一般其HC为0 1 100A m的数量级 显然不是单畴颗粒材料所为 软磁材料的反磁化过程是通过畴壁位移来进行的 降低HC的总体原则 降低内应力起伏 杂质浓度含量以及其它缺陷分布 若内应力不易消除 则应注意降低 S 若杂质较多 则应注意降低K1值 与提高起始磁化率的方法一致 四 最大磁能积 BH max 1 BH max的理论值 基本特征 Mr MS MHC MSBr BS 0MS BHC MS 理想退磁曲线方程仍可以表示为 判别一种永磁材料是否有发展潜力的理论依据 2 BH max的确定 B1 H1 3 HC Br BH max的关系 永磁材料的三个重要磁性参数HC Br以及 BH max彼此之间是有联系的 若要想HC的数值大 则Br的数值必须要高 而HC和Br高了 则 BH max就会很大 因此Br的数值大小将直接影响到HC和 BH max的数值大小 由B 0 H M 当H 0时 有 BR 0MR而当B 0时 0 BHC M1 0BHC M1显然M1 MR 则因此 只有Br很大时 BHC才有可能很大 而BR要大的话就要求MR要大