磁性材料的磁性及工程应用Word文档格式.docx

1、其他类型的磁性也但在物理、化学及医学上，或亚强磁性的材料才能加以利用。可以迅速最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，有很大的功用。，可以检测病变之有无，所使用的设作完全身健康检查，由器官分子的磁性。在此，只拟介绍产业应用价值较）MRI（magnetic resonance imaging备叫做半永久性者种类及应用较少，（永久及暂时磁性材料；大的强磁性及亚强磁性材料 。限於篇幅不谈） 磁性的由来 直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖靠著很多受过最近七十多年来，宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。终能逐渐解开它神秘的面化学家及数学家不断的努力，严密

2、科学练习的物理家、 纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得magnetic （知磁的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为磁矩。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场内丈量物质所含磁moment）一物体所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。化率为量称磁磁能位量磁化。单磁场所引起的化为量矩之称，由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁magneticsusceptibility）（ 性、顺磁性及强磁性等的不同。但何以如此？仍然没有答案。具每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，首先，磁

3、矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，两极的即为磁矩。目前，我S）极，分割到最小而仍会保有N、SN有南、北（、。（比如电流绕线圈活动造成磁场）们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位 专业文档供参考，如有帮助请下载。，未被抵消的净量，亦即为磁陀换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场内都有或magnetic spin（。（分子）可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子多或少的磁矩，有的却没有那麼强磁性是怎麼来的呢？何以同样含有磁性原子而有的是强磁性， 呢？）（Langeuim重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文Weiss1907年，魏斯（）

4、（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，的理论，假设磁性分子，并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强molecularfield）称为分子场（磁性物质之分子场非常大，大到足以使分子之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以 上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性分子混乱，即为顺磁性。然则，何以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它魏斯又提出另一个大胆应可作为很强的永久磁铁才是啊。们内部已磁化到饱和，强磁性物质内部自动会进步乱度。假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，。在同一磁区内磁化方向是一致）magne

5、tic domain分成很多小区域，称为磁区（平常感觉不到它有磁不同磁区间的磁化方向不同且呈混乱化，故互相抵消，的，性，只有在磁场内加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后其大胆假设、使魏斯名垂千古，预言（见图一），1931人的实验（年）印证此一 小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。年，魏斯的门生尼尔（Nel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结1948导致相邻原子列之磁化方向相为负的，晶格子影响很大，且分子场的作用很强，。若大小）（反。若大小相等则完全抵消，呈现反强磁性antiferromagnetism 专业文档供参考，如有帮助请下载。；至此，物质之磁现象原理已大致

6、揭晓，尼尔因不等，则呈现亚强磁性 1970年荣获诺贝尔物理奖。而在 磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁，其内磁陀由一个方向逐渐转至另一方向，它很薄，只有数十至wall）（domain 该材料即。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，数百埃（?）是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶 金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。 永久磁性材料及其应用 ，所呈现的

7、数据表示hysteresisloop，见图二）磁性材料的优劣常以磁滞曲线（initial 表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（之。图上OBs（磁感应磁场强度）比值，H，割线斜率代表特定的Bpermeability，o）induction点代表饱和磁感应（saturation 最大者即为最大导磁率（m）。Bs点称为保磁力或矫顽磁力HcBr点为残留磁感应；单位以千高斯（kG）表示；。在第二）Am1OekOe，相当於（10004Oecoercive force，单位为或，投影线所围面积）B、H象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之BH值（对G. m，单位）其最大者称为最大磁能积maximum

8、 energy product，简写为（BH 。Oe，以百万倍表之则为MGOe ，它代表该磁铁磁mBH）m愈大愈好，尤其（）BHBrHc永久磁性材料讲究、及（值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭mBH化后所贮存在内部的能量，（） 专业文档供参考，如有帮助请下载。，居里温度够高，它便不易被消（退）以上）够大（数千Oe的电池一样，若Hc者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用200OeHc磁。工程上愈高，故永久HcHc即升高，愈硬者的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，磁性又称硬磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或软磁性。淬火钢 0.3MGOe。）m只有0.2Hc只有5070Oe，（B

9、H 近於）m，（BH250Oe、Co，使Hc增至145W1916年，科学家在碳钢内添加Cr、HcFe-Ni-Al三元合金磁铁，在当时是很大的突破。1931年日人三岛发明1MGOe，Fe-Al-Ni，打开近代永磁材料发展的大门。以m则达1.4MGOe500Oe高达（BH）年以前一1970Alnico合金，直到TiCu、Si、等元素改进而成的为主，添加Co、 直是永久磁铁的主流。spinodal （控制其相变化，使产生离相分解反应材料科学家藉合金设计的法则，令分解所得之相沿磁场方向生长而得异方性；）并在磁场内冷却，decomposition间，可藉合金组成分12MGOem为32000Oe达600，

10、（BH）Hc很高的优秀磁铁，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐时至本日，及热处理而调整磁性材料的特性。取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500之高温，使它在某些特定的应永磁合金即Fe-Cr-Co用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之笔者曾作过多年研Alnico其磁性亦与合金相当，采用Alnico之原理设计出来，合金的离相分解沿磁场方究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti?，均匀长度约1200?，磁区壁在向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300 值很高，成为永久磁铁。其内之运动极其困难，故Hc ，）（年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物铁氧体ferri

11、tes19381932，Sr0.6Fe2O3Ba0.6Fe2O3为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为及 专业文档供参考，如有帮助请下载。4.0MGOe1.0BH）m约约3.2kOe，Br2.24.3，（属於六方晶系；其Hc约1.82,000应用很广，目前台湾月需（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易， 4自制。余吨，约3 钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一年，材料科学家研制成功稀土-1969合金而片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。自最早之SmCo51984（到最近的Nd2Fe14B合金Sm（Co,Fe,Cu,Zr ）7.2-8.5（即Sm2CO17型）合金，50

12、MGOe型）再到（Sm2Co17（，磁能积从破纪录的20MGOeSmCo5 ）到30MGOe年起），呈现奔腾式的进展，这都是回功於材料科学的研究与发展。合金）（Nd-Fe-B为很有潜产业产制也展开，国内目前在这方面的研究与开发工作已与国际同步，合金之高解像电子显微镜照片，Nd-Fe-B力的高科技产业。图四为笔者所研究的晶粒内之平）相的构造，Nd2Fe14B晶粒间的粒界有一层体心立方（bcc显示两颗 c平面之格子像。行线纹为 合金等，Pt-Co合金、Mn-Al-C合金及Cu-Ni-Co其他的永磁材料还有很多，例如 还有不下十余种，限於篇幅无法逐一介绍。magnetic （在永久磁性材料中，有一些

13、是体积很小而功效很大的磁纪录材料Fe-Co粉、FeFe4N，金属粉如、recordingmaterial）：粉末状的有-Fe2O3、CrO2、Fe-Ni合金粉等，大量用於录音带、录影带、磁碟等产业；另有制成薄膜状的Tb-Fe-Co用於垂直纪录，Co-CrFe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟，Fe-Ni-P Gd-Co及等用於可读写的磁光纪录等。永磁材料如前所述是一贮能装置，只要设计得当，它便能作功，上述之纪录即为一例。其他的应用场合包括：喇叭、马达、发电机、计器、吸著装置、磁选 专业文档供参考，如有帮助请下载。 机等不胜枚举。 暂时磁性材料及其应用 后呈现很强的暂时磁性材料系在受到

14、磁化（例如绕在其外面的线圈通上电流时）磁性，磁化场移除后，马上消磁的材料。因此，可以用在交流电机上，甚至於高值愈低值愈高愈佳，Hc频及超高频的应用场合。其应用上的要求是导磁率及Bs 值代表磁损，愈小）。愈佳（因此BH 以发展的历程来说，暂时磁性材料（即软磁材料）比永磁材料更早，而且成果较目前的用自十九世纪末即开始使用，丰富。例如纯铁本身即为甚佳之软磁材料，后来称为高合金即已由美国贝尔实验室发明出来，1910年代Fe-Ni量仍然很大。，称100,0000值（见图二）已可高达；到permalloy）1950年代其导磁合金（轧延及退火方式等的影响甚大。其磁性受镍含量、）。为超导磁合金（superma

15、lloy它已成为电机用软1930年制成方向性矽钢片以来，1900矽钢片首创於年前后，至 磁合金的主流。这些软性合金因系导体，大多只适合於低频应用的场合。、为二价离子，如Mn+MFe2O4，M铁氧体软磁材料以尖晶石晶系为主；一般式为等，例如目前市面上最常见的Fe+、Co+，甚至於、Ni+、Cu+、Mg+Zn+因铁氧体软磁材料系氧化物，（Mn,Mg）Fe2O4及等。（Mn,Zn）Fe2O4、（Ni,Zn）.Fe2O4（微500GHz如100MHz若是超高频，适用於高频电阻大，（100MHz以下的场合。 及其衍生物。波范围）则需柘榴石系铁氧磁体Y3Fe5O12 ）装置以来，非晶alloyDuwez）

16、发明非晶质合金（amorphous 年，杜威齐（1958的磁性及机械性便非常受重视，并）合金又称为金属玻璃（metallic glass 专业文档供参考，如有帮助请下载。年，开始1974Allied公司於19701980年间形成很大的一股研究高潮。美国於，电阻较矽钢片0.01Oe以下）16kG，Hc极小（推出商用的非晶薄带，其Bs高达为最被看好的下一世代软磁性因此用它制成变压器，磁损远低於矽钢片者，高， 材料。 软磁性材料广泛应用於下列各方面： 一通讯方面电感器、滤波器、天线棒等。 二电力方面变压器、马达、发电机、阻流器等。 三消费性产品方面电视机偏向轭及驰返变压器、阻流线圈等。、电Fe-Si

17、-Al合金）、录影用磁头（四磁头方面录音用磁头（高导磁合金） Mn-Zn铁氧体）等。脑用磁头（ 五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切换磁心及高级电磁铁等。，薄膜、粉粒及块料；其磁性材料是一多样化的材料涵盖金属及非金属（陶瓷）应用范围广及机械、电机、电子、资讯、交通、家用用具；其研究的基础又有赖的材料，磁性材料是一种吸力很强材料科学及材料工程。於固态物理、因此，它在兼容并蓄中快速茁壮成长。我国的磁性材料产业已有近二十年的历史，仍但与产业先进国家比较，磁性材料研究则仅有十余年历史，固然也小有成绩，落后甚远，需要政府、企业界及学术界多方面配合，投进人力、财力，以提升磁其提升也能带动其他相关技术的进由於

18、它是多样化的技术，性材料的技术层次。 专业文档供参考，如有帮助请下载。 步。我们邻国日本对磁性材料的重视、提倡与投资，堪为我们的借镜。 参考资料 1.B.D.Cullity, Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley Pub. Co., 1972. 年磁性材料产业技术研究院产业材料研究所技术资料2. 1987 金重勋任教於清华大学材料科学工程系 3-2 19:25 三级见习魔法师 babi20boy - 回答者：永久【摘要】磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。暂时磁性材料及半永久磁性材料三大类。它们广泛地应用於磁性材料、电子、

19、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料 的特性与功用。较醒目的，如白materialsmagnetic 磁性材料（板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁石、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；但具有磁性之材料又涵盖金属材料、陶瓷材料，体等并列）。）等。thin filmparticulate）它的形态还包括块料（b1uk、粉体（）及薄膜（ 专业文档供参考，如有帮助请下载。 因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。每一种材料都有一定任何材料都是磁性材料，也就是说，以物理学的观点来说，性反磁度，呈现小场内会抵消一部分磁场强在象的磁现。有的磁，如铜；有的在磁场内有微小的正感应，呈现

20、顺磁性diamagnetism（）有的在磁场内会感应产生很强的磁性量称为磁，如空气；（paramagnetism），又称强磁性）或者亚铁，呈现铁磁性（ferromagnetism化量（magnetization），又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性磁性（ferrimagnetism其他类型的磁性也化学及医学上，或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、可以迅速医学上利用人体器官分子的磁共振，有很大的功用。最有趣的例子是，可以检测病变之有无，所使用的设作完全身健康检查，由器官分子的磁性。在此，只拟介绍产业应用价值较）（magnetic resonance imaging备叫做MRI半

21、永久性者种类及应用较少，大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料； 限於篇幅不谈）。终能逐渐解开它神秘的面严密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力， 纱，一窥其全貌。因此由力的丈量，可以得magnetic 知磁的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为磁矩（。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场内丈量物质所含磁）moment 专业文档供参考，如有帮助请下载。一物体所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。率磁化的磁化量称为位磁化量。单磁场所能引起为矩之量称，由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁）（magneticsusceptibility 性、顺

22、磁性及强磁性等的不同。目前，我、SSN、）极，分割到最小而仍会保有N有南、北（。就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）们已知电子自旋或公转，未被抵消的净量，亦即为磁陀换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场内都有或（magnetic spin。（分子）可以定量地量测出来，多或少的磁矩，很显然地它们都含有磁性的原子有的却没有那麼强磁性是怎麼来的呢？）（Langeuim1895）重复居理於年的实验，再配合数学家蓝古文（1907年，魏斯Weiss（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，的理论，假设磁性分子，并大胆推断非强磁性物质之分子场很小

23、，而强）称为分子场（molecularfield磁性物质之分子场非常大，大到足以使分子之磁矩同向排列而达饱和。既然它魏斯又提出另一个大胆们内部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。强磁性物质内部自动会进步乱度。在同一磁区内磁化方向是一致）magnetic 分成很多小区域，称为磁区（domain 专业文档供参考，如有帮助请下载。平常感觉不到它有磁故互相抵消，的，不同磁区间的磁化方向不同且呈混乱化，性，只有在磁场内加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后其大胆假设、使魏斯名垂千古，（见图一），（人的实验1931年）印证此一预言 小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。若大小a

24、ntiferromagnetism）反。若大小相等则完全抵消，呈现反强磁性（；磁区与磁区之间的界面称为磁区壁，其内磁陀由一个方向逐渐转至另一方向，它很薄，只有数十至）domain （wall该材料即磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，数百埃（?）。是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；，所呈现的数据表示hysteresisloop，见图二）磁性材料的优劣常以磁滞曲线（initial OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（之。图上（磁感应磁场强度）比值，HBpermeability，o），割线斜率代表特定的）induction点代表饱和磁感应（。m最大者即为最大导磁率（

25、）Bssaturation 点称为保磁力或矫顽磁力Hc）表示；Br点为残留磁感应；单位以千高斯（kG。在第二Am10004）或coercive force，单位为OekOe，1Oe相当於（，投影线所围面积）、HBH象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之值（对BG. ，单位）m其最大者称为最大磁能积maximum energy product，简写为（BH 。MGOeOe，以百万倍表之则为 ，它代表该磁铁磁）BHmBH）m愈大愈好，尤其（永久磁性材料讲究Hc、Br及（值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭）m化后所贮存在内部的能量，（BH，居里温度够高，它便不易被消（退）Oe以上）的电池一样，若H

26、c够大（数千者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用200Oe磁。工程上Hc愈高，故永久即升高，愈硬者Hc的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc磁性又称硬磁性；淬火钢 。0.20.3MGOe（70Oe，BH）m只有Hc只有50 近於mBH）145250Oe，（、1916年，科学家在碳钢内添加Cr、WCo，使Hc增至HcFe-Ni-Al三元合金磁铁，在当时是很大的突破。1MGOe，1931年日人三岛发明Fe-Al-Ni1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以）m则达（高达500OeBH年以前一1970Alnico合金，直到等元素改进而成的、Cu、Si、Ti为主，添加Co 直是

27、永久磁铁的主流。spinodal 使产生离相分解反应（材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，令分解所得之相沿磁场方向生长而得异方性；并在磁场内冷却，decomposition）间，可藉合金组成分12MGOe为3mBH，达很高的优秀磁铁，Hc6002000Oe（）虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐时至本日，及热处理而调整磁性材料的特性。取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500之高温，使它在某些特定的应 专业文档供参考，如有帮助请下载。永磁合金即Fe-Cr-Co1970年代发明之用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。笔者曾作过多年研Alnico合金相当，其磁性亦与采用Alnico之原理设计出来，合金的离相分解沿磁场方究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300?，磁区壁在 Hc值很高，成为永久磁铁。其内之运动极其困难，故