磁性材料惠州学院应用化学答辩论文.docx

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磁性材料惠州学院应用化学答辩论文

惠州学院

HUIZHOUUNIVERSITY

材料化学论文

中文题目：

__________磁性材料____________________

英文题目：

MagneticMaterials

姓名__陈远超温燕君佘齐渠温述明

黄彩嫚王丽英陈儒明谢灏琳宋素文

学号100604206100604231100604226100604230100404211100604229100604204100604232100604228

专业班级10应用化学2班

指导教师叶晓萍

提交日期______2012年11月23日____________

磁性材料

陈远超温燕君佘齐渠温述明黄彩嫚王丽英陈儒明谢灏琳宋素文

指导老师：

叶晓萍

（广东省惠州学院化学工程系广东惠州516007）

摘要磁性材料最开始在中国被发现并应用于中国四大发明中的指南针上，随后历经多年的发展，磁性材料已经广泛的应用在我们的生活之中，也与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

本文综述了对磁性材料的认识，磁性材料的分类与相关概况，磁性材料的基本特性，磁性材料的机理与生产工艺，实际应用以及发展前景等。

关键词磁性材料磁流体锰锌铁氧体

MagneticMaterials

ChenyuanchaoWenyanjunSheqiquWenshuming

HuangcaimanWangliyingChenrumingXiehaolinSongsuwen

Teacher:

YeXiaoPing

（GuangdonghuizhoucollegechemicalengineeringGuangdongHuizhou516007，China）

Abtract：

MagneticmaterialsinthebeginninginChinawasfoundandappliedinthefourgreatinventionsofthecompass,andaftermanyyearsofdevelopment,magneticmaterialshavebeenwidelyusedinourlife,andwiththeinformation,automation,mechanicalandelectricalintegration,nationaldefense,nationaleconomyiscloselyrelatedtoallaspectsof.Thispapersummarizesthemagneticmaterialunderstanding,magneticmaterialsclassificationandrelatedsurvey,thebasiccharacteristicofthemagneticmaterial,themechanismofmagneticmaterialsandproductionprocess,applicationanddevelopmentprospect,etc.

Keywords：

MagneticmaterialsApplicationsofMagneticmaterialsDevelopmentofMagneticmaterials

目录

1磁性材料的认识6

2磁性材料的分类与概念6

2.1永磁材料6

2.1.1永磁材料的分类6

2.1.2永磁材料的应用7

2.2．软磁材料7

2.2.1软磁材料的分类7

2.2.2软磁材料的应用7

2.3矩磁材料和磁记录材料7

2.4旋磁材料7

3磁性材料的基本特性8

3.1磁性材料的磁化曲线8

3.1.1铁磁体的磁滞回线8

3.1.2基本磁化曲线9

3.2软磁材料的常用磁性能参数［3］9

3.2.1饱和磁感应强度Bm9

3.2.2剩余磁感应强度Br10

3.2.3矩形比10

3.2.4矫顽力Hc10

3.2.5磁导率μ10

3.2.6居里温度Tc10

3.2.7损耗P10

3.2.8最大磁能积10

3.3软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换11

4磁性材料的机理和生产工艺11

4.1磁流体材料的机理和生产工艺11

4.1.1磁流体的组成与机理11

4.1.2磁性液体的制备13

4.1.2.1化学共沉淀法制备铁氧体型磁液13

4.1.2.2金属型磁液的制备14

4.1.2.3气相-液相反应法制备氮化铁型磁液14

4.2软磁锰锌铁氧体的机理及生产工艺15

4.2.1软磁锰锌铁氧体的机理及生产工艺15

4.2.1.1氧化物法（干法）制备锰锌铁氧体16

4.2.2软磁铁氧体生产工艺流程的分析17

4.2.2.1概述17

4.2.2.2软磁铁氧体批量生产的工艺技术及质量17

4.2.2.3原材料选择及配方17

4.2.2.4以锰锌铁氧体粉体为例做简要分析17

4.2.3锰锌铁氧体的制备机理18

5磁性材料的实际应用与发展20

5.1磁性液体的应用20

5.2平板扬声器结构与原理21

5.2.1平板扬声器的结构21

5.2.2平板扬声器工作原理22

5.3平板扬声器应用与特点分析22

5.3.1平板扬声器应用22

5.3.2平板扬声器特点分析23

6市场分析与前景［16］24

6.1中国磁性产品市场变化24

6.1.1中国家电市场的变化24

6.1.2工业类整机应用发展24

6.2磁性材料市场前景24

7致谢25

参考文献：

25

1磁性材料的认识

中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。

早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。

11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。

1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。

1099～1102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。

近代，电力工业的发展促进了金属磁性材料——硅钢片（Si-Fe合金）的研制。

永磁金属从19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。

20世纪40年代，荷兰J.L.斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的永磁铁氧体。

50年代初，随着电子计算机的发展，美籍华人王安首先使用矩磁合金元件作为计算机的内存储器，不久被矩磁铁氧体记忆磁芯取代。

50年代初人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列微波铁氧体器件。

后来又出现了强压磁性的稀土合金，非晶态（无定形）磁性材料等。

现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。

可以说，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

而通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。

2磁性材料的分类与概念

磁性材料［1］具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。

磁性是物质的一种基本属性。

物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。

铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。

磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。

按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。

功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等。

2.1永磁材料

永磁材料经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。

对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC（即磁性材料抗退磁能力）强，磁能积（BH）（即给空间提供的磁场能量）大。

相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。

2.1.1永磁材料的分类

永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类：

合金类：

包括铸造、烧结和可加工合金；铁氧体类：

主要成分为MO•6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分；金属间化合物类：

主要以MnBi为代表。

2.1.2永磁材料的应用

永磁材料有多种用途：

基于电磁力作用原理的应用主要有：

扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等；基于磁电作用原理的应用主要有：

磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等；基于磁力作用原理的应用主要有：

磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。

其他方面的应用还有：

磁疗、磁化水、磁麻醉等。

　　根据使用的需要，永磁材料可有不同的结构和形态。

有些材料还有各向同性和各向异性之别。

2.2．软磁材料

它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。

因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。

与永磁材料相反，其Br和BHc越小越好，但饱和磁感应强度Bs则越大越好。

2.2.1软磁材料的分类

软磁材料大体上可分为四类。

合金薄带或薄片：

FeNi（Mo）、FeSi、FeAl等；非晶态合金薄带：

Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素,又称磁性玻璃；磁介质（铁粉芯）:

FeNi（Mo）、FeSiAl、羰基铁和铁氧体等粉料；铁氧体：

包括尖晶石型──MO•Fe₂O₃（M代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等）,磁铅石型──Ba₃Me₂Fe₂₄O₄₁（Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分）。

2.2.2软磁材料的应用

软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件（如磁热材料作开关）等。

2.3矩磁材料和磁记录材料

主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。

这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。

2.4旋磁材料

具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。

据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧体器件）。

3磁性材料的基本特性

3.1磁性材料的磁化曲线

磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，磁化曲线［2］是表征物质磁化强度（B）与磁场强度（H）的依赖关系的曲线。

在外加磁场H作用下，必有相应的磁化强度M或磁感应强度B，它们随磁场强度H的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。

磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：

磁饱和现象及磁滞现象。

即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。

材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常为工作点。

3.1.1铁磁体的磁滞回线

图1铁磁体的磁滞回线

Fig1ferromagneticmagnetichysteresis

B随H变化的全过程如下：

当H按O→Hm→O→－Hc→－Hm→O→Hc→Hm的顺序变化时，

B相应沿O→Bm→Br→O→－Bm→－Br→O→Bm的顺序变化

（1）当H＝0时，B不为零，铁磁材料还保留一定值的磁感应强度，通常称为铁磁材料的剩磁。

（2）要消除剩磁，使B降为零，必须加一个反方向磁场，这个反向磁场强度叫做该铁磁材料的矫顽磁力。

（3）H上升到某一个值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。

3.1.2基本磁化曲线

图2基本磁化曲线图3退磁曲线

Fig2basicmagnetizationcurveFig3demagnetizationcurve

对于同一铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取磁化电流为I1、I2、…Im（I1

在每一个选定的磁场值下，使其方向发生两次变化（即H1→-H1→H1,…Hm→-Hm→Hm等），则可得到一组逐渐增大的磁滞回线我们把原点O和各个磁滞回线的顶点a1、a2、…、a所连成的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线（图2）。

在理论上，要消除剩磁Br，只需通一反方向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。

实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因而无法确定退磁电流的大小。

我们从磁滞回线得到启示：

如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零，那么该材料得磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线，如图3所示。

当H减小到零时，B亦同时降为零，达到完全退磁。

3.2软磁材料的常用磁性能参数［3］

3.2.1饱和磁感应强度Bm

其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列，是永磁材料极为重要的参数。

永磁材料的饱和磁化强度越高，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值越高。

3.2.2剩余磁感应强度Br

是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值，即铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的剩余磁化强度或剩余磁感应强度称为剩磁。

3.2.3矩形比

Br∕Bm，表示磁记录材料磁滞回线矩形程度的重要参数，符号Rs。

它是材料最大剩余磁通密度Br与最大磁通密度Bm之比，即Rs=Br/Bm。

对于磁记录材料而言，矩形比愈大愈好，一般Rs值应为0.90～0.97左右。

矩形比也称矩形系数。

3.2.4矫顽力Hc

是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。

铁磁体磁化到饱和后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向外磁场称为矫顽力。

3.2.5磁导率μ

是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。

初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。

3.2.6居里温度Tc

铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。

它确定了磁性器件工作的上限温度。

3.2.7损耗P

磁滞损耗Ph及涡流损耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2,ρ降低，降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率ρ。

在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：

总功率耗散（mW）/表面积（cm2）

3.2.8最大磁能积

最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。

这个值越大，说明单位体积内存储的磁能越大，材料的性能越好。

3.3软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换

在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流性。

器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。

设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。

设计软磁器件通常包括三个步骤：

正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。

4磁性材料的机理和生产工艺

4.1磁流体材料的机理和生产工艺

磁流体又称磁性液体（MagneticFluids）,是由纳米级的磁性颗粒通过表面活性剂的包覆,高度均匀分散于基载液中所形成的稳定的固2液两相胶液体［4］。

这种材料既具有固相材料的磁性,又具有液相的流动性,即使在重力、离心力、电磁力等作用下也不会发生固液分离,是一种典型的纳米复合材料［5］,同时它也是目前真正具有工业实用价值的液体磁性材料,自20世纪60年代问世以来,发展非常迅速。

目前磁性液体已经发展成为一个横跨多学科的综合体系,其应用领域已扩展到机械、航空、电子、医疗、生物、环保等诸多方面［6］。

4.1.1磁流体的组成与机理

磁流体的组成磁流体由磁性微粒、表面活性剂和载液三者组成，三者关系如图4所示。

磁性微粒可以是：

Fe3O4、γ-Fe2O3、氮化铁、单一或复合铁氧体、纯铁粉、纯钴粉、铁-钴合金粉、稀

图4磁流体组成示意图

Fig4magnetofluidcomponentdiagram

土永磁粉等，目前常用Fe3O4粉。

表面活性剂的选用主要是让相应的磁性微粒能稳定地分散在载液中，这对制备磁流体来说至关重要。

典型的表面活性剂一端是极性的，另一端是非极性的，它既能适应于一定的载液性质，又能适应于一定磁性颗粒的界面要求。

包覆了合适的表面活性剂的纳米磁性颗粒之间就可相互排斥、分隔并均匀地分散在载液之中成为稳定的胶体溶液。

关于载液的选择，应以低蒸发速率、低粘度、高化学稳定性、耐高温和抗辐射为标准，但同时满足上述条件非常困难，因此，往往根据磁流体的用途及其工作条件来选择具有相应性能的载液。

磁流变液的流变机理按照磁畴理论可以解释磁流变效应。

在磁流变液中，每一个小颗粒都可当做一个小的磁体。

在这种磁体中，相邻原子间存在着强交换耦合作用。

它促使相邻原子的磁矩平行排列，形成自发磁化饱和区域即磁畴。

无外磁场作用时，每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致，而不同磁畴磁矩取向不同。

磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。

因此，所有颗粒均匀磁矩为零，颗粒不显磁性。

在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果是同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。

这时颗粒的均匀磁矩不即是零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。

当外磁场强度较弱时，链数目少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。

随外磁场不断增强，取向与外场成较大角度的磁畴全部消失，保存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数目增加，长度加长，直径变粗，磁流变液对外所表现的剪切应力增强；再继续增加磁场，所有磁畴沿外磁场方向整洁排列，磁化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到最高。

磁流变液的磁化特征不仅依靠固态相本身的磁特性，而且与颗粒间聚集状态和结构特征密切相关。

另外，磁流变液的磁化饱和强度与体积分数无关，但磁化率却随体积分数的增加而线形增加，且有随颗粒直径增大而增大的趋势。

在外加磁场作用下，磁流变液发生相变的三个临界磁场分别为Hc1、Hc2和Hc3，如图5。

图5磁流变液内部结构演化图

Fig5magnetorheologicalfluidinternalstructureevolutiondiagram

a：

当H

当Hc1

当Hc2

当H>Hc3时，颗粒全部形成柱状结构。

4.1.2磁性液体的制备

磁性液体按磁性颗粒来分,主要分为铁氧体型、金属型和氮化铁型。

由于铁氧体型磁性液体具有很好的稳定性,成为目前国内外应用最广泛的磁性液体,其缺点是饱和磁强度（Ms）较低,一般在0.102～0.103T,最高可达0.106T［7］,限制了其应用的范围。

金属型磁性液体有较高的Ms值,但化学稳定性较差。

近年来开发的氮化铁型磁性液体既具有高Ms,又有较好的磁稳定性,因而成为研究者关注的热点。

下面分别对这3种不同类型的磁性液体的制备方法进行介绍。

4.1.2.1化学共沉淀法制备铁氧体型磁液

所谓共沉淀法［8］,是在混合的金属盐溶液（含有2种或2种以上的金属离子）中加入适当的沉淀剂,反应生成均匀的沉淀产物。

Elmore早先曾利用化学共沉淀法制备高分散铁氧体型磁性液体,其化学原理如下:

FeCl2+2FeCl3+8NaOH→Fe3O4↓+8NaCl+4H2O

将稀释的FeCl2和FeCl3水溶液按摩尔比1∶2在70℃时混合,加入过量的NaOH水溶液使混合溶液的pH控制在10,以确保离子全部沉淀,同时加入适量表面活性剂（如油酸）将生成的颗粒进行及时地包覆,并配合以连续搅拌,其目的是为了严格控制颗粒长大,获得高度分散的沉淀产物。

将水中的颗粒转移至适当的基载液中便可得到Fe3O4基磁性液体。

采用共沉淀法的优点在于:

通过溶液中的各种化学反应直接得到化学成分均一的超微粉体;超微粉体的粒度及分布容易控制;易于工业化生产。

目前,市场销售的铁氧体型磁性液体一般都是通过共沉淀法制备的。

4.1.2.2金属型磁液的制备

图6真空蒸发法制备金属基磁液示意图

Fig6vacuumevaporationforpreparationofmetalbasemagneticfluidschematicdiagram

真空蒸发法真空蒸发法仅用于制备金属基磁性液体,其制备原理如图6所示［9］:

在真空或惰性气体保护的圆形容器内放入表面活性剂与基载液,随着旋转容器的转动,混合溶液贴附于转桶的内壁上形成一层夜体薄膜,将铁、钴、镍或其合金置于旋转中心容器内在2000℃甚至更高的温度下使其蒸发成气体状态,与桶内壁的液体薄膜相接处,冷凝成超微粒子粒径一般在2～10nm,转桶通常以2r/min的速率旋转,金属粒子不断地溶解并分散于液体中,如此重复便得到磁性液体。

真空蒸发法制备的金属及其合金磁性液体稳定性优良、饱和磁化强度高,但整个设备复杂,同时还需抽真空,目前国内还没有利用这方法来制备磁性液体。

热解羰基化合物法［10］利用羰基化合物液体（如Fe（CO）5、Ni（CO）等）,在一定的温度下蒸发,通过氩气载带到混合器中与稀释气体充分混合进一步稀释后进入热解器。

羰基化合物蒸汽在具有一定温度的基载液中热分解,形成的纳米颗粒被事先混入基载液中的表面活性剂包覆,一步获得具有一定磁性的金属基磁性液体。

4.1.2.3气相-液相反应法制备氮化铁型磁液

该方法的基本原理为在添加了胺基系表面活性剂的煤油中导入氨气,同时将漏斗中的适量羰基铁放入反应器中,加热反应器至90℃保温60min,生成胺基羰基铁中间体,然后在185℃高温下分

图7气相-液相法制备氮化铁磁液装置

Fig7gasphase-liquidforpreparationofnitridingferromagneticfluiddevice

解该中间体,就可以得到氮化铁磁性液体。

反应装置如图7所示,将上述反应过程重复进行,直至漏