电子由最低能级开始填充，一直到最高能级，过半满后，电子以相反的自旋填充到最低能级。
这种电子组态称为高自旋态。
（28）轨道角动量冻结：
在晶场的作用下3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子的自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。
此现象称为轨道角动量冻结。
常见的铁氧体，按晶格类型分为三种：
（1）尖晶石型铁氧体；
（2）石榴石型铁氧体；（3）磁铅石型铁氧体
第三章.材料的磁学性能
一，基本参量
分子电流理论磁荷（等效）理论相互关系
磁矩：
磁偶极矩：
磁化强度：
磁极化强度：
磁场强度：
H磁感应强度：
B
磁化率：
χ=M/H磁导率：
μ=B/H
二，基本关系
；
；
；
三，单位换算
SI：
CGS：
B:
T;H :
A/m ;M :
A/mB :
G（Gauss）;H :
Oe;M :
emu/cm3 ;
（特斯拉）
或Wb/m2
B:
1T=104G;
H:
1×103A/m=4πOe;
M:
1×103A/m=emu/cm3 ;
按矫顽力分类：
软磁材料：
Hc<100A/m（1.25Oe）；硬（永）磁材料：
Hc>1000A/m（12.5Oe）
半硬磁材料：
Hc:
100～1000A/m（1.25～12.5Oe）。
例1．牌号为1J46的冷轧铁镍软磁薄带的饱和磁化强度为Ms=11.9×105A·m-1，则饱和磁极化强度Js为______________T（特斯拉），沿薄膜法向的退磁场Hd为__________________A·m-1，最大矫顽力Hc=20A/m，相当于Hc=______________Oe（奥斯特）。
（注：
μ0=4π×10-7H·m-1）。
MagneticTerm
Symbol
SIunit
CGSunit
conversionfactor
magneticinduction
B
Tesla（T）
Gauss（G）
1T=104G
magneticfield
H
A/m
Oersted（Oe）
1A/m=4π/103Oe
magnetization
M
A/m
emu/cm3
1A/m=10-3emu/cm3
massmagnetization
σ
Am2/kg
emu/g
1Am2/kg=1emu/g
magneticmoment
m
Am2
emu
1Am2=103emu
volumesusceptibility
κ
dimensionless
dimensionless
4π（SI）=1（cgs）
masssusceptibility
χ
m3/kg
emu/Oe·g
1m3/kg=103/4πemu/Oe·g
permeabilityof
freespace
μ0
H/m
dimensionless
4πx10-7H/m=1（cgs）
A=Ampere
cm=centimeter
emu=electromagneticunit
g=gram
kg=kilogram
m=meter
H=Henry
SI制：
B=μ0（H+M）；B的单位是[T]或[Wb/m2]；M和H的单位是A/m。
在高斯（Gauss）单位制中：
B=H+4πM；B的单位是高斯[G]；H的单位是奥斯特（Oe）；M的单位是emu/cm3，即emu/cc。
基本换算：
B:
1T=104G；H:
1kAm-1=4Oe；1Oe=79.5775A/m；
M:
1kAm-1=emucm-3；1Am2/kg=1emu/g；（BH）max:
1kJm-3=410-2MGOe；
基本物理量：
普朗克常数h=6.626×10-34J·s；玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K；μ0=4π×10-7H·m-1；c=3×108m/s；电子电荷量e＝1.6×10-19库仑；电子质量me=9.10938188×10-31公斤；波尔磁子μB=eh/（4πme）=9.273×10-24A·m2。
三、原子磁矩
基态原子的电子结构--占据壳层的规律：
洪特法则：
（1）.在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值S=∑Sz；
（2）.在满足以上条件下，总轨道角动量量子数L取最大值L=∑mz；
（3）.总角动量量子数J有两种取法：
电子填充未半满时，J=∣L-S∣，电子数等于或超过一半时，J=L+S。
例1：
Pr3+离子（未满壳层4f2）：
（1）总自旋量子数S：
电子填充未达半满时，基态下两个电子相互平行,总自旋量子数S=∑Sz=2×（1/2）=1；
（2）总轨道角动量量子数L：
这两个电子优先占据mz=3，2两个轨道，总轨道角动量量子数L=5；
（3）总角动量量子数J：
由于壳层未半满，总角动量量子数J=L-S=4；
（4）离子磁矩（有效磁矩）μJ：
根据
=3.58μB，其中兰德因子：
=4/5。
4f2电子的自旋和轨道角动量排列示意图：
m：
3210-1-2-3L=5
S：
↑↑S=1
J=L-S
例2：
Dy3+的离子（未满壳层为4f9）
（1）总自旋量子数S：
电子填充超过半满时，
基态下自旋角动量S是由未成对的另外五个自旋向上电子决定，总自旋量子数S=∑Sz=5×（1/2）=5/2；
（2）总轨道角动量量子数L：
电子填充超过半满时，总轨道角动量L是由自旋向下的二个轨道决定，总轨道角动量量子数L=∑mz=3+2=5；
（3）总角动量量子数J：
由于壳层超过半满，总角动量量子数：
J=L+S=15/2。
；
（4）离子磁矩（有效磁矩）μJ：
根据
=10.63μB，其中兰德因子：
=4/3。
Dy3+离子4f9电子的自旋和轨道角动量排列示意图：
m：
3210-1-2-3
S：
↑↑↑↑↑↑↑S=5/2
↓↓L=∑mz=3+2=5
J=L+S
例3：
试计算Fe3+（或Fe2+）的基态磁矩为5μB（4μB）。
（有几个未成对电子，就有几个μB）。
（提示：
过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，因而不考虑L（L=0））。
解：
Fe3+电子组态：
3d5，
m：
210-1-2L=0
S：
↑↑↑↑↑S=5/2；J=L+S=S=5/2；基态的光谱项6S5/2；gJ=2
Fe+23d6S＝2
m：
210-1-2L=2
S：
↑↑↑↑↑
↓S=2；L=2；S=2；J=4；基态的光谱项2S+1LJ：
5D4；
。
四、晶场作用
（1）晶场中轨道角动量的冻结：
在晶场的作用下3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。
此现象称为轨道角动量冻结。
（2）分裂后d轨道中电子的排布—高自旋态和低自旋态
在八面体中，d1-3型离子，按洪特规则，其d电子只能分占三个简并的d低能轨道，即只一种方式。
而d4-7型离子，有两种可能:
当Ep＞Δ时，因电子成对需要能量高，故d电子将尽量分占轨道而具有最多自旋平行的成单电子的状态，即高自旋态；反之当Ep＜Δ时，则因跃迁进入dγ轨道需要能量较高，d电子将尽量占据低能级轨道并成对，而具有较少的成单电子，即低自旋态。
高自旋态即是Δ较小的弱场排列，不够稳定，成单电子多而磁矩高，具顺磁性。
低自旋态即是Δ较大的强场排列，较稳定，成单电子少而磁矩低。
（3）姜-泰勒（Jahn-Teller）效应
铜尖晶石铁氧体在高温下是立方晶体，而在室温下不再是立方晶体而畸变为正方晶体，这种晶体畸变现象，称为Jahn-Teller效应。
一般发生在尖晶石型的化合物和钙钛矿型化合物（AB2O4和RTO3类型的化合物）。
畸变程度：
在高能的eg轨道上出现简并态（eg轨道电子排布不平均），产生大畸变。
在低能的t2g轨道上出现简并态（t2g轨道电子排布不平均），产生小畸变。
在所有轨道电子排布都平均则无畸变。
姜-泰勒稳定化能：
在姜-泰勒效应中，几何构型的畸变导致基态的能级能量降低，从而使体系获得额外的稳定化能（能量降低值），称为姜-泰勒稳定化能。
五、软磁材料
（一）、对软磁材料基本性能的要求：
a.初始磁导率µi和最大磁导率µmax要高；b.矫顽力Hc要小；
c.饱和磁感应强度Ms要高;d.功率损耗P要低；e.高的稳定性。
（二）、提高软磁材料起始磁导率的途径有:
（a）.提高饱和磁化强度。
因材料的起始磁导率µi与Ms的平方成正比，提高Ms的大小有利于提高起始磁导率；
（b）.降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs：
从配方和工艺上选用K1和λs很小的铁氧体作为基本成分。
（c）.改善材料的显微结构：
选择原料纯度高、活性好、适当的热处理条件，可以使烧成的材科结构均匀、杂质和气孔较少。
晶粒增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，µi升高。
磁畴织构是使磁畴沿磁场方向取向，从而提高µi值。
（d）.降低内应力：
由磁化过程的磁致伸缩引起的内应力，它与λs成正比，选择低λs材料。
烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。
可以采用低温退火消除。
气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。
通过原材料的优选以及工艺过程的严格拉制来消除。
（三）、非晶态软糍材料的优势：
非晶态软磁材料的特点：
（1）由于不存在阻碍畴壁移动的位错和晶界，因而具有高磁导率和低矫顽力,软磁综合性能远优于铁氧体软磁；
（2）因电阻率比同种晶态材料高，涡流损耗小，适用与高频场合；（3）机械强度和硬度较高，抗化学腐蚀能力强。
（4）体系自由能较高，加热时有晶化倾向。
（5）在性价比和市场占有率上还不及对铁氧体。
在高技术领域的应用中它将大显身手。
非晶态磁性材料的制备方法：
（1）气相沉积法；
（2）液相急冷法（快速冷凝技术）；（3）高能离子注入法（喷丸法）。
（2）评价方法的适当性；
一、安全评价（四）、软磁材料的分类、及各自的磁性能和应用场合：
（1）资质等级。
评价机构的环评资质分为甲、乙两个等级。
环评证书在全国范围内使用，有效期为4年。
软磁材料可以分为以下几大类：
（3）生产、储存烟花爆竹的建设项目；
（1）合金。
如硅钢（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙台斯特合金（Fe-Si-Al）等。
金属软磁材料的饱和磁化强度高于铁氧体，因此广泛应用于发电机、变压器、马达等电力、电子、通信等领域。
但它低电阻率的特性导致趋肪效应，涡流损耗限制了其在高频段的应用。
（2）评价方法的适当性；
（2）软磁铁氧体。
这方面主要有：
Mn—Zn系、Ni—Zn系、Mg—Zn系等。
MnZn铁氧休是具有尖晶石结构的mMnFe2O4·nZnFe2O4与少量Fe3O4组成的单相固溶体。
软磁铁氧体的性能常因应用而异，但通常希望高磁导率、低损耗。
多用于变压器、线圈、天线、磁头、开关等。
2.规划环境影响评价的内容（3）非晶态、纳米晶软磁材料。
由于不存在阻碍畴壁移动的位错和晶界，因而具有高磁导率和低矫顽力,软磁综合性能远优于铁氧体软磁。
另外，因电阻率较高，涡流损耗小，机械强度和硬度较高，抗化学腐蚀能力强。
但在性价比和市场占有率上还不及对铁氧体。
在高技术领域的应用中它将大显身手。
报告内容有：
建设项目基本情况、建设项目所在地自然环境社会环境简况、环境质量状况、主要环境保护目标、评价适用标准、工程内容及规模、与本项目有关的原有污染情况及主要环境问题、建设项目工程分析、项目主要污染物产生及预计排放情况、环境影响分析、建设项目拟采取的防治措施及预期治理效果、结论与建议等。
起始磁导率是软磁材料的重要参数。
它与材料的饱和磁化强度Ms的平方成正比，与材料的K1和λs成反比，与材料中的内应力σ，和杂质浓度β成反比。
其中，Ms、K1和λs是材料的基本磁特性参数，是决定磁导率的主要因素，基本上不随加工条件和应用情况变化。
而σ和β的大小及其对磁导率的影响会随加工条件和实际情况而变化。
①主体是人类；
重点掌握：
（1）生产力变动法金属软磁材料：
电工纯铁、硅钢、坡莫合金的主要化学成分、磁性能、及热处理工艺。
铁氧体软磁：
MnZn铁氧体、NiZn铁氧体、MgZn铁氧体的软磁特性。
1.建设项目环境影响评价分类管理的原则规定非晶态软磁材料：
Fe基、Co基非晶；FinementFT-1KM纳米晶的结构、制备工艺与磁性。
六、永磁材料
（一）、对永磁材料的基本性能要求：
（1）.矫顽力Hc要高；
（2）剩余磁感应强度Br要高；
（3）最大磁能积（HB）max要高；
（4）从实际应用用角度考虑，材料稳定性要高。
（二）、提高永磁材料的矫顽力Hc的途径有:
（1）.可将材料做成单畴集合体；
（2）.选择高磁晶各向异性（高K1值）的材料；
（3）.适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状（最好是片状掺杂）和弥散度（使掺杂尺寸和畴壁宽度相近）；
（4）.选择高磁致伸缩材料，增加材料中内应力的起伏。
（三）、提高永磁材料的剩磁Mr的途径有:
1.定向结晶：
采用热流控制的定向凝固技术，在柱状晶晶粒长大方向诱导易磁化轴。
2.塑性变形：
多晶体金届材料经拔丝、轧扳、挤压、压缩等塑性加工变形，由于晶粒转动，使晶粒产生加工组织或加工织构，从而诱导磁各向异性。
3.磁场成型：
在永磁体加工成型过程中，通过施加外部磁场．使磁性颗粒的易磁化轴沿磁场方向取向，以较高永磁体的剩磁Br。
4.磁场热处理：
将材料放在外部磁场中进行热处理，可以控制热处理过程中铁磁性相颗粒的析出形态，并使磁矩沿磁场方向择优取向。
（四）、永磁材料的分类、及各自的磁性能和应用场合：
永磁材料可以分为以下几大类：
（1）金属永磁材料：
主要包括铝镍钴（A1-Ni-Co）系和铁铬钴（Fe-Cr-Co）系两类永磁合金；最大磁能积（BH）max可达40kJ/m3。
60年代前，铝镍钴磁钢在永磁材料中占主导地位。
（2）铁氧体永磁材料：
这是一类以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料，最常见的有：
钡铁氧体（BaO·6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO·6Fe2O3）
。
磁性能居中，最大磁能积（BH）max可达32kJ/m3，抗退磁性能优良，不存在氧化问题。
性价比高，目前产值约占永磁材料总产值的40％。
电阻率高，特别适合在高频和微波领域应用。
（3）稀土系永磁材料，这是—类以稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属间化合物，包括钴基的SmCo5系和Sm2Co17系列，以及铁基的Nd-Fe-B系永磁材料。
SmCo5永磁体：
具有很高的磁晶各向异性常数，K1=15-19×103kJ/m3，Ms=890kA/m。
其理论磁能积达244.9kJ/m3。
做成磁体以后，SmCo5永磁体的磁能积达147.3kJ/m3，剩磁Br=0.8-0.95T。
居里温度为740度，工作温度范围：
-50～150度。
Sm2Co17永磁体：
具有高Tc=926度，Sm2（Co0.3Fe0.7）17合金的µ0Ms＝1.63T,其理论最大磁能积高达525.4kJ/m3，实际值238.8kJ/m3。
但矫顽力偏低。
Nd-Fe-B永磁体：
µ0Ms＝1.57T，Tc=585K，室温各向异性常数K1=4.2MJ/m3，各向异性场µ0Ha=6.7T，磁能积可高达460kJ/m3。
其理论磁能积达509.3kJ/m3。
（五）、稀土元素的原子结构、稀土永磁的发展历程
:
（1）.稀土原子的电子结构：
稀土元素未满电子壳层为4f，由于受到5s，5p，6s电子层的屏蔽，受晶体电场的影响小，其轨道磁矩末被“冻结”，因而原子磁矩大。
由于轨道磁矩的存在，自旋磁矩与轨道磁矩间的耦合作用很强，表现在稀土永磁合金的磁晶各向异性能和磁弹性能很大，即K和λs很大。
同时，稀土永磁合金的晶体结构为六角晶系和四方晶系，因此具有强烈的单轴各向异性，这是稀土永磁获得高矫顽力的基础。
（2）.稀土永磁的发展历程:
60年代开发的以SmCo5为代表的第—代稀土永磁材料和70年代开发的以Sm2Co17为代表的第二代稀土木磁材料都具有良好的永磁性能，其最大磁能积（BH）max分别达到147.3kJ/m3和238.8kJ/m3，但是这些磁体都含有金属钴和储量较少的稀土元素衫，存在原材料的供应和价格问题，使其发展受到影响。
1983年佐川真人等对R-Fe-x三元合金进行了广泛的实验研究，发现了具有单轴各向异性的金属间化合物Nd2Fel4B（四方晶结构），并制成了（BH）max达446.4kJ/m3的高磁能积Nd-Fe-B磁体。
这种高磁能积的Nd-Fe-B磁体被称为第三代稀土永磁材料。
与前两代稀土永磁不同，Nd-Fe-B磁体为铁基稀土永磁，不用昂贵和稀缺的金属钴，而是钕在稀土中含量也比衫丰富5-10倍，因而原料丰富，价格相对低廉，更重要的是，它以创记录的磁能积为一系列技术创新开辟了道路。
重点掌握：
1.铝镍钴磁钢：
成分、加工工艺过程、Spinodal分解相变过程；简述柱状晶Alnico8合金的磁性能指标。
硬化原理。
2.稀土永磁的结构、永磁性能指标、制备工艺流程。
3.了解其它磁性功能材料（磁记录材料、磁电阻材料、磁制冷材料、磁致伸缩材料生物材料等）、及自旋电子学的进展。
升级会员 