兰州大学磁性材料试题文档格式.docx

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新相的形成有成核长大和调幅分解两种方式。

在脱溶硬化过程中，由于成分起伏，晶格畸变，引入了应力能的变化，为了保持能量极小，自由能降低，原来的均匀成分就出现了磁性相和非磁性相的富集；

富集一经发生，同成分继续长大，异成分被排除，最终形成晶粒大小均匀，两相高度弥散的结构，该过程就是调幅分解。

另外，调幅分解还具有过程迅速的特点。

8、自旋重取向

温度升高到一定的程度时，材料的各向异性发生改变，易磁化方向也随之变化的现象称作自旋重取向；

它源自于3d和4f两个亚点阵的各向异性随温度变化相互竞争的结果。

合金与合金系：

合金是一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或非金属均可）熔合而组成的具有金属特性的物质，组成合金的不同元素称为合金的组元；

。

9、比饱和磁化强度:

样品技术磁化到饱和后的单位质量磁化强度称为比饱和磁化强度，用σs表示，σs与饱和磁化强度的关系为：

σs=Ms/DD:

磁体密度

10、饱和磁化强度：

单位体积内磁元的矢量和称为磁化强度。

样品技术磁化到饱和后的磁化强度称为饱和磁化强度。

11、分子磁矩：

稀土金属化合物永磁,铁氧体材料都有确定的分子组成，即组成每一分子材料所具有的磁矩的矢量和称为分子磁矩，用每一物质的物质量数除σs即得该物质的分子磁矩。

12、磁性次晶格：

呈亚铁磁性的材料（如铁氧体，稀土过渡族非晶合金等）其磁结构可以看成原子磁矩具有不同取向的磁性子格子组成，这种子格子又称为磁性次晶格。

13、螺磁性:

铁磁性材料中处于空间不同位置的原子磁矩是平行排列的，而磁性稀土元素金属材料中原子磁矩的取向随空间位置的延伸发生偏转，呈螺旋形变化。

称磁性的这种变化为螺磁性。

14、抵消点：

稀土-过渡族非晶态合金呈亚铁磁性，其磁结构可以看成是由稀土原子组成的子格子和过渡金属原子组成的子格子所组成，两种次晶格上的磁性离子的磁矩取向相反。

对应于每一种稀土-过渡族非晶态合金，在过渡金属含量为某个特定值时其饱和磁化强度为零。

这一特征成分称为抵消点。

15、补偿点：

在稀土合金和石榴石铁氧体材料中，其磁结构可以看成是稀土原子和过渡金属原子组成的磁性次晶格所组成，两种次晶格上的磁性离子的磁矩取向相反，材料的表观磁化强度是两个磁性次晶格磁矩的代数和。

两种次晶格的离子的交换作用的强度不同，因而随温度升高变化的趋势不同。

通常稀土原子次晶格的变化剧烈。

在低于居里温度的某个温度，两个磁性次晶格总磁矩相互抵消，材料不显示宏观磁性。

该温度值称作补偿点。

二、复习思考题

1、材料饱和磁化强度的度量方式有几种？

分子磁矩在何种情况下可以度量材料的饱和磁化强度。

答：

a、比饱和磁化强度:

饱和磁化强度：

b、材料要有确定的分子组成，即每一个分子所具有的分子磁矩的大小和材料组成的初级晶胞结构。

2.固态金属磁性材料从形态上可分为固溶体、有序合金、非晶态合金和金属化合物。

它们在晶体结构上有何区别？

固溶体

有序合金

非晶态合金

金属化合物

一般来说，如果合金各组元的化学性质和原子半径彼此差别很大，或者固溶体中溶质原子的浓度超过了溶解度极限，就不在形成固溶体。

这是金属与金属与金属或金属与类金属（如氢、氧、硅）之间常会形成化合物，这些化合物成为金属化合物。

3．过饱和固溶体的分解有主要方式有几种。

最终的分解产物的微观结构有何区别。

过饱和固溶体在温度降低时会分解，形成饱和固溶体，伴随生成新相。

新相的形成有成核分解和调幅分解两种方式。

成核分解：

形成晶核，晶核长大

调幅分解：

区别:

成核长大：

分解产物的颗粒大小不一，随机分布

形成晶粒大小均匀，两相高度弥散的结构。

4、磁性材料中主要的各向异性有哪几种，磁性材料要获得优良的软磁性，应从哪些方面控制。

成分为Fe21Ni79的坡莫合金经双重热处理后为什么会呈现出良好的软磁特性?

磁性材料存在的各向异性主要有：

（1）磁晶各向异性，

（2）应力各向异性，（3）形状各向异性，此外还有交换各向异性和感生各向异性；

对软磁材料，要求有高的磁导率

，高饱和磁化强度Ms，以及低矫顽力Hc，而矫顽力正比于材料中的各向异性，而和材料的饱和磁化强度成反比。

要提材料的高软磁性能，可以通过以下途径：

（1）Ms是结构不灵敏量，仅于成份有关，所以要选用有较高Ms的材料；

（2）

是结构灵敏量，可以通过调节微结构实现对

的控制；

a）

，k是各向异性常数，因此要选择k校的材料，对应力各向异性，

所以要选

校的材料；

b）杂质少，颗粒小，分布均匀可以提高

，成份结构不均匀会引起畴壁钉扎，影响磁化；

c）对非晶样品，k很小，所以可以将样品制成非晶样品。

成份为Fe21Ni79的坡莫合金，通过成分调整和退火，淬火双重热处理是磁晶各向异性系数K1和

都趋于零，有很高的磁导率，软磁性能优越。

5.硅钢片的主要组成是硅含量约3-5%的铁硅合金。

其磁晶各向异性常数K和磁致伸缩系数均不为零。

高斯织构的FeSi合金利用了何种原理使其得以做为软磁材料使用。

材料成分和晶体结构确定后各向异性常数K和磁致伸缩系数（结构不灵敏项）也就确定了。

，FeSi合金Ms大但各向异性常数K和磁致伸缩系数不为0。

对于理想的高斯织构，晶粒的晶向【001】方向是FeSi合金的易磁化方向，磁化时在易轴方向磁化，显示出较好的软磁性。

6．非晶材料由于不存在磁晶各向异性，通常表现为软磁性。

稀土过渡族金属非晶合金在补偿温度附近，会表现出强的永磁特性。

是什么原因导致这种变化？

答案：

稀土过渡金属非晶材料合金由稀土元素和过渡金属元素熔合而成。

从对磁性的贡献角度考虑。

材料可认为由两个磁性次晶格构成，分别为稀土原子磁性次晶格和过渡族原子磁性次晶格。

两种次晶格上的原子的磁矩的取向一般是是非共线且反向。

稀土金属元素原子的磁性来自4f内层电子的贡献，电子之间的交换作用较弱，因而稀土原子磁性次晶格对非晶合金的饱和磁化强度随温度下降得很快；

过渡族金属原子的磁性来自3d外层电子的贡献，电子之间的交换作用强，过渡族原子磁性次晶格对非晶合金的饱和磁化强度随温度下降得比较慢。

如下图所示。

由于两种磁性次晶格的磁矩相反取向，在抵消点温度，非晶合金的对外表现的宏观磁化强度趋近于零。

而材料的矫顽力可以表示为：

与材料的饱和磁化强度成反比。

尽管非晶材料的各向异性很小，但由于材料的Ms趋近于零，由上式决定的材料的矫顽力可以很大。

从而表现出很强的永磁特性。

7、多晶软磁材料为降低其矫顽力通常使材料的晶粒尺寸都比较大，原因是什么？

但当晶粒尺度减小到纳米量级时，材料的矫顽力会随晶粒尺度的减小而迅速降低，是什么原因导致了这种变化？

对于大晶粒而言，晶粒增大时，晶粒边界减小，畴壁位移阻力小，这时矫顽力与晶粒大小满足这样的关系：

，所以晶粒越大，矫顽力Hc越小。

但是当晶粒减小，晶粒边界增大，表面积增加，致使晶粒间交换耦合能增大，当晶粒尺寸D减小至狡换耦合长度Lex时，交换耦合能可以与晶粒的磁晶各向异性能相比拟，这时在交换耦合能的作用下，晶粒磁矩M的取向不再由单个晶粒的磁晶各向异性决定，而是出现了等效的宏观磁晶各向异性能，使在交换耦合长度范围内的所有晶粒磁矩取向平均化，出现共同取向。

这时矫顽力与晶粒大小之间的关系是：

，所以当晶粒尺度减小时，Hc会迅速减小。

如下图所示：

8、铝镍钴合金在高性能状态下，主要由两个晶格常数和成分不同的体心立方的

和

所组成，

相是富Fe，Co的磁性相，

是富Ni，Al的非（）磁性相，这样的组织是通过斯皮诺答尔分解形成的，这是怎样的一种分解过程，磁场对合金的这一分解过程可以起到怎样的影响?

答案:

：

铝镍钴和金是多元合金，但可以看作是固态下具有可混间隙的伪二元合金，即富钴的磁性合金

相和富镍铝的非磁性（弱磁性）的合金

相。

当合金由高温

相冷却到spinadal线以下温度时，发生

→

+

的分解。

发生分解的原因是合金中成分发生起伏，系统的自由能改变，同时成分变化引起晶格畸变，系统的磁弹性能也发生变化，这时要满足

Y为弹性常数

由于成分变化是周期性的，可以表示为成分的形式

A成分波振幅

成分波的波矢＝2/

成分波波长

合金中成分变化引起的单位体积自由能差

】

铝镍钴合金中成分变化引起的弹性Y《100》有极值，因此合金成分的发展在《100》方向，即沿等价的3个《100》方向是极细微的

相和

相的交叉排列。

磁场存在时，成分起伏波

式中：

合金化学自由能的贡献小于0

成分波动引起应力导致的弹性各向异性能的贡献，恒大于0

成分波动对磁化的影响

在接近居里温度时趋近无限大这时

即沿磁场方向的分解被抑制，如果磁场在《100》方向，分解将在《010》和《001》方向进行，从而形成

相在磁场方向伸长，而在另外两个方向两相交替分布的调幅结构，成为沿磁场方向整齐排列的单畴离子集合体。

铝镍钴合金是由上述方法脱溶硬化而成的由磁性相和非磁性相构成的磁性单畴颗粒，强磁性相很长，轴比大，所以具有较高的形状各向异性。

如图：

9.铝镍钴合金系中，高钴含量的合金种类的矫顽力要比低钴含量的合金要高出很多。

两类合金的微结构有何差异？

合金发生调幅分解后的回火热处理后，矫顽力为何还能增大？

a、微结构差异：

钴含量高，磁性向的长径比很大，形状各向异性常数大，Hc大。

b、对于一致转动模型，沿某一方向整齐取向的椭球形单踌离子集合来说，其矫顽力可表示为Hc=p（1-p）（N⊥-N∥）（M1-M2）2/Ms，经调幅分解后的热处理，饱和磁化强度之差（M1-M2）值增大，因此矫顽力增大。

10、材料的永磁性能跟材料中的各向异性相关。

铝镍钴合金和Sm2Co5稀土金属化合物都是永磁材料，但它们产生永磁性的机理是不同的，简述两种材料的永磁性机理的差别。

（仅供参考）永磁材料的重要特征就是具有高的矫顽力Hc，永磁材料的矫顽力与反磁化过程所受到的阻滞有关，反磁化过程可分为磁畴壁的可逆位移和磁畴磁矩的不可逆转动。

单畴粒子集合体组成的硬磁性，反磁化过程对磁畴磁矩不可逆转动所控制。

磁畴内的磁化矢量从一种取向转到另一取向时,样品的各向异性，形状各向异性和应力各向异性产生对转动的阻滞，由上述各向异性决定的矫顽力可以表示为：

Hc=aK∥/μ0Ms+b（N⊥-N∥）Ms+c（λsσ）/（μ0Ms）。

式中右边三项依次分别是磁晶各向异性，形状各向异性和应力各项异性对矫顽力的贡献

铝镍钴合金在高磁性状态下，是通过spinodal分解，形成细微而又均匀的高铁钴的强磁性相和富铝钴钛的非磁性相，特别是在分解磁场的影响进行时，形成的磁性相是细长的单畴颗粒，因此铝镍钴的矫顽力来自磁性相的的形状各向异性的贡献，其矫顽力可表示为：

Hc=p（1-p）（N⊥-N∥）（M1-M2）2/Ms

L10相FeP有序化t合金，由于结晶体结构的非对成性，材料具有非常高的磁晶各向异性。

其磁晶各向异性常数K高达106J/m3。

材料的永磁性源于结晶各向异性。

11．软硬磁双相纳米复合磁体具有何种效应？

简述其永磁性能改善的机理，并讨论纳米双相复合磁体对软、硬磁性相的结构要求。

衡量材料永磁性能的参数是最大环能积（13H）max,而（13H）和剩余磁感应强度Br，矫顽力He有关。

Br的理论极限值是μ0Ms。

在材料矫顽力很大的情况下,B-H退磁曲线是一条与横轴成45度的直线。

（BH）m的理论极限值为（BH）m=1/4（μMs）2。

因此，提高Ms是增大磁能积的重要途径，同时也要增高Hc.当材料由稀土永磁和α-Fe双相组成时，由于α-Fe的Ms高于稀土，所以此材料的总的Ms增大。

其次当双相系统的磁样品粒为纳米尺度时，还会发生以下效应：

1，由于两相界面的磁交换耦合作用，软磁相α-Fe的磁矩将沿着硬磁性相同的方向，材料的剩磁比增加（即Br增加可达08）。

2，由于硬磁相是稀土永磁，高各向异性的稀土永磁通过两相向的交换作用抑制软磁性向α-Fe中的反向畴的生成，材料的矫顽力由稀土永磁性决定。

因此，稀土永磁/α-Fe双向纳米复合材料将同时显现出：

1，α-Fe的高Ms和材料总的高剩矩Br特性。

2，稀土永磁高矫顽力特性。

具有综合优势，因此可大幅提高材料的永磁性能。

12.过渡族金属和稀土金属的磁性有何差异，试从磁性的起源，磁化强度和与温度的关系，磁各向异性的特点等方面进行讨论。

过渡族金属的磁性源于原子外层-—3d壳层的电子自旋磁矩。

当过渡族元素以单金属态存在时，最外层的3d电子之间的交换耦合作用使得相邻原子的磁矩平行排列，导致单金属材料的自发磁化。

稀土金属的磁性源于未满的4f壳层电子自旋的贡献。

4f壳层电子不是最外层电子。

外面还有5s壳层。

相邻稀土原子的磁矩的平行排列是通过外层的5s电子实现的。

其机理是：

最外层的5s电子在晶体场的作用下发生极化，极化了的5s电子与相邻的稀土原子的4f电子发生耦合，使相邻的稀土原子的磁矩平行排列。

导致了稀土金属材料的自发磁化。

由此可以知道，过渡族金属的自发磁化是过渡族原子最外层3d电子之间直接交换耦合的结果，而稀土金属的自发磁化则是稀土原子内壳层4f电子之间通过外层的5s电子间接交换耦合作用的结果。

直接交换耦合作用远强于间接交换耦合作用。

其间的差别可以通过交换耦合作用的量度-材料的居里温度来表征。

稀土金属的居里温度通常都比过渡族金属要低，稀土金属材料的饱和磁化强度和磁晶各向异性常数都随温度的升高迅速下降。

13、稀土过渡族金属化合物永磁材料中材料磁性的来源于稀土金属离子和过渡族金属离子。

在材料磁性的讨论中，可以把磁性的稀土金属离子和过渡族金属离子划分为两个磁性次晶格。

两种磁性次晶格磁矩的相对取向如何？

如何根据磁性次晶格的取向估算稀土过渡族金属化合物的分子磁矩？

稀土金属化合物是指由稀土金属元素和3d过渡族金属元素形成的金属间化合物，这些化合物多为永磁材料。

稀土元素共有15个。

分为轻稀土和重稀土两类。

轻稀土包括7个元素，重稀土包括8个元素。

材料磁性的来源于稀土金属离子和过渡族金属离子。

但是两类稀土金属化合物中，稀土金属离子磁矩的取向和过渡族金属离子磁矩的取向是有区别的。

轻稀土金属化合物中，稀土金属离子磁矩的取向和过渡族金属离子磁矩的取向是平行排列的，而重稀土金属化合物中稀土金属离子磁矩的取向和过渡族金属离子磁矩的取向是反平行排列的。

如果稀土金属化合物的分子式为YaMb,则稀土金属化合物的分子磁矩有两种表达式：

轻稀土金属化合物:

重稀土金属化合物：

上面的表达式中，FU表示稀土金属化合物的分子磁矩，rare表示稀土金属的原子磁矩m表示过渡金属原子磁矩。

由上式可以看出，轻稀土技术化合物属于铁磁性材料，材料有较高饱和磁化强度。

而重稀土则属于亚铁磁性材料，材料的饱和磁化强度较低。

14.在稀土过渡族金属化合物永磁材料中。

研究表明,单个过渡族金属离子磁矩值随稀土元素原子数的增加而减少。

与Fe2+相比Co2+和Ni2+单个离子磁矩值下降的更为剧烈,简单说明其中的原因。

在稀土金属化合物中稀土离子的来源于内部未满层的4f电子的状态，而过渡族金属离子的却来源于外层3d电子.但是稀土原子的外层电子距离核较远,有可能成为传导电子进入过渡族金属原子的3d能带，从而影响过度族金属离子的磁性。

与稀土金属原子形成化合物时这种影响与各个过渡族金属原子的能带结构有关:

Fe离子的能带结构与Co、Ni不同，铁的3d的能带正自旋带与负自旋带均没有填满,稀土原子的外层电子可以同时填充铁离子的3d正负自旋能带，这种填充使得铁离子的净磁矩降低不多

但在Ni、Co中3d正自旋能带已填满了，只有负自旋带没有填满，存在能带穴，稀土金属的传导电子只能进入3d负自旋带的能带中，导致离子的净磁矩值下降较大，因而Co、Ni原子原子分子式中稀土原子数的增加而迅速下降

15.自选重取向是指材料的易磁化方向随温度的升高会发生变化。

稀土过渡族金属化合物中常有这种现象。

其表象是材料的磁晶各向异性常数随温度的升降而发生了改变。

其深层的物理机制是什么？

物理机制：

在稀土过渡族金属化合物中对各向异性贡献有稀土和过渡族元素。

晶场对电子运动轨道有去向作用，使电子自旋和轨道耦合在一起，从而是电子自旋取向。

稀土元素高温下，磁性各向异性贡献小；

低温下，磁性强，各向异性贡献大。

若其贡献为主轴型的，则材料的各向异性为主轴型的若为基面型的，则其贡献为基面型的。

16..稀土过渡族金属化合物的反磁化过程与畴壁位移相关，其矫顽力形成机制可大致分成反磁化核生成和畴壁钉扎两个类型。

如何对这两种类型进行判断。

稀土金属化合物的磁化与反磁化分为反磁化核的生成长大及畴壁钉扎两个基本类型，他们的特长如图所示：

根据娇顽力与饱和磁化场的关系区分如下：

Hc>

Hsat,反磁化主要由反磁化核的生成长大完成；

Hc<

Hsat,反磁化主要由畴壁钉扎完成。

磁化、反磁化可以通过畴转和畴壁位移来完成，它们都有可逆与不可逆之分，一般在低场下，主要决定于畴壁位移，当畴壁位移基本完成而磁场不断增大时出现畴转磁化，软磁材料中，若在畴壁位移时已经发生了不可逆畴壁位移，则不可逆畴转不再发生，故一般软磁中不存在畴转，而只有在完全由畴转决定的物质中才有畴转，如单轴粒子。

17．尖晶石型铁氧体中，存在着由氧离子密堆积而形成的四面体间隙位A和八面体间隙位B两种空位，过渡族金属离子处于这两种间隙位中。

它们占据这两种空位的倾向由哪些因素决定，有着怎样的占位倾向性?

占位因素有两个：

1、离子半径。

RA=0.3

，RB=0.55

所以一般来说，离子半径大的倾向于占Ｂ位。

但实际中可能不是很好符合，这可以通过晶体场理论获得较好解释。

２、晶体场理论。

金属离子的电子云结构以及间隙位的晶体场决定了占位的倾向性。

过渡族金属离子的磁性由最外层的３ｄ电子决定，对于３ｄ电子，ｎ＝３，Ｌ＝２，ｍ＝０，

，

氧离子堆积而成的四面体位Ａ和八面体位Ｂ会产生晶体场，使３ｄ电子能级分裂，如下图所示：

dz2

dx2-y2

　八面体晶体场　　　　　　　　　　　　　　　　　　四面体晶体场

dxy

dxz

dyz

egt2

t2g　ｅ

　　　　　　　　　　　　（以不在电场中的自由电子为零点）

引入晶场稳定能

和八面体择位能

考虑到能量极低原理和关系

，则离子占位如下：

　　　　　　　　　　　　＞０，占八面体位，

　　　ＯＳＰＥ

　　　　　　　　　＜０，占四面体位。

若两离子的OSPE都为正，则OSPE较大的优先占据八面体位。

18.提高尖晶石铁氧体材料起始磁导率的途径主要有两种：

增大材料的饱和磁化强度，减小材料的磁晶各向异性。

尖晶石铁氧体常通过Zn（二价离子）的代替和Co（二价离子）离子添加来改善材料的软磁性，提高材料的磁导率，这样做是基于怎样的考虑?

单粒子模型的基本点是：

晶体中的磁性离子是彼此独立的，晶体的宏观磁晶各向异性是这些磁性离子微观磁晶各向异性的同级平均值。

光晶石铁氧化体的主要用作于高频软磁材料，磁导率μ是用来表征材料软磁性的重要参数可表示成以下

μi,α,Ms/Keff

Keff=K1+K2+3/2λsσ

前两项代表材料的磁晶各向异性常数.提高材料的磁导率的重要途径:

1．提高饱和磁化强度Ms

2．降低各项异化常数k，磁致伸缩系数λs

尖晶石是亚铁铁磁性物质，物质磁性来源于分布在四面体A位和八面体B位的磁性离子，A，B位磁性住离子的磁矩反平行排列，

当使用Zn2+替代铁磁性元素时,由于Zn2+喜占B位,同时Zn2+又是非磁性元素，材料的分子磁矩增加，即Ms增大，从而导致材料的磁导率升高,软磁性得到改善.

此外，铁氧体材料的各向异性被认为是组成晶体的所有单个磁性离子的各向异化的总合。

Zn（二价）是非磁性离子，它进入尖晶石铁氧铁的晶格