磁性材料第二章(陈宝军)1.pdf

1、磁性材料磁性材料Magnetic MaterialsMagnetic Materials四川大学材料学院四川大学材料学院四川大学材料学院四川大学材料学院陈宝军陈宝军陈宝军陈宝军2课程提纲课程提纲课程提纲课程提纲绪 论第一章 磁学基本理论与物质的磁性第二章 软磁材料第三章 永磁材料第四章 信息记录材料第五章 新型磁功能材料绪 论第一章 磁学基本理论与物质的磁性第二章 软磁材料第三章 永磁材料第四章 信息记录材料第五章 新型磁功能材料3一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结

2、构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系三、各类软磁材料三、各类软磁材料三、各类软磁材料三、各类软磁材料四、软磁材料性能的改善四、软磁材料性能的改善四、软磁材料性能的改善四、软磁材料性能的改善五、软磁材料应用举例五、软磁材料应用举例五、软磁材料应用举例五、软磁材料应用举例第二章第二章第二章第二章 软磁材料软磁材料软磁材料软磁材料4一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念定义定义磁性材料中矫顽力很低，因而既容易受外加磁场磁化，又容易退磁的材料称为软磁材料。磁性材料中矫顽力很低，因而既容易受外加磁场磁化，又容易退磁的材料称为软磁材料。5?从应用角度考虑，

3、对软磁材料有下面的基本要求：从应用角度考虑，对软磁材料有下面的基本要求：(1)初始磁导率初始磁导率()、最大磁导率最大磁导率等都要高，目的在于提高功能效率；等都要高，目的在于提高功能效率；(2)剩余磁通密度剩余磁通密度()要低，要低，饱和磁感应强度饱和磁感应强度()要高，目的在于节省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场极性要高，目的在于节省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场极性(N-S极极)的反转；的反转；(3)矫顽力矫顽力(Hc)要小，目的在于提高高频性能。要小，目的在于提高高频性能。imaxrBSB一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念一、软磁材料的基本概念6

4、此外，此外，为了节省能源，降低噪声等，高磁导率材料还应具备下列特征：为了节省能源，降低噪声等，高磁导率材料还应具备下列特征：(4)铁损铁损(iron loss)W要低，目的在于提高功能效率；要低，目的在于提高功能效率；(5)电阻率电阻率要高，目的在于提高高频性能，减少涡流损失；要高，目的在于提高高频性能，减少涡流损失；(6)磁致伸缩系数磁致伸缩系数要低，目的在于降低噪声；要低，目的在于降低噪声；(7)磁各向异性系数磁各向异性系数K要低要低(无论在哪个结晶方向都容易磁化无论在哪个结晶方向都容易磁化)。s7?从工业产量看，高磁导率材料在磁性材料中所占比例最大。主要的高磁导率材料已在表从工业产量看，

5、高磁导率材料在磁性材料中所占比例最大。主要的高磁导率材料已在表1-4中给出了，其中中给出了，其中Fe及及Fe系合金用量最大。系合金用量最大。软磁材料的地位与作用软磁材料的地位与作用?应用广泛，一直处于磁性技术的中心地位。应用广泛，一直处于磁性技术的中心地位。软磁材料高磁导率材料磁芯材料软磁材料高磁导率材料磁芯材料8?软磁性材料软磁性材料最典型最典型最典型最典型的特性的特性初始磁导率初始磁导率初始磁导率初始磁导率可表示为：可表示为：i式中式中Ms为饱和磁化强度，为饱和磁化强度，K为晶体的磁各向异性常数，为磁致伸缩常数，为内应力。显然，大要求为晶体的磁各向异性常数，为磁致伸缩常数，为内应力。显然，

6、大要求Ms大、小。大、小。si初始磁导率初始磁导率9?高磁导率材料的磁滞回线高磁导率材料的磁滞回线二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系二、软磁材料与晶体结构的关系磁滞回线所围的面积小，损耗低，磁导率高，材料品质好，坡莫合金优于纯铁。磁滞回线所围的面积小，损耗低，磁导率高，材料品质好，坡莫合金优于纯铁。10?纯铁晶体结构纯铁晶体结构纯铁（纯铁（Fe）：室温下为体心立方，高温高压下会发生相变（）：室温下为体心立方，高温高压下会发生相变（transformation）,磁学特性也会随之而发生变化。）,磁学特性也会随之而发生变化。2.2.1 纯金属软磁性

7、与晶体组织结构的关系纯金属软磁性与晶体组织结构的关系112.2.1 纯金属软磁性与晶体组织结构的关系纯金属软磁性与晶体组织结构的关系杂质形变晶界析出沉淀相钉扎点阻碍畴壁移动杂质形变晶界析出沉淀相钉扎点阻碍畴壁移动弹性应变场阻碍畴壁移动弹性应变场阻碍畴壁移动阻碍畴壁移动阻碍畴壁移动各向异性弹性应变场能量损失各向异性弹性应变场能量损失12(1)(1)晶粒要尽可能大晶粒要尽可能大晶粒要尽可能大晶粒要尽可能大这仅是针对块状晶体材料的一般原则，对于高新技术材料之一的薄膜磁性材料来说，采用超微细晶粒可以提高其软磁特性。这仅是针对块状晶体材料的一般原则，对于高新技术材料之一的薄膜磁性材料来说，采用超微细晶粒

8、可以提高其软磁特性。(2)(2)杂质要尽可能少杂质要尽可能少杂质要尽可能少杂质要尽可能少一般说来，杂质的存在会阻碍晶核生长、晶粒长大，而且会析出杂相物，阻碍磁畴壁的移动。一般说来，杂质的存在会阻碍晶核生长、晶粒长大，而且会析出杂相物，阻碍磁畴壁的移动。2.2.2 软磁性材料的原子模型软磁性材料的原子模型13(3)(3)内应力要尽可能低内应力要尽可能低内应力要尽可能低内应力要尽可能低这里所说的内应力是指存在于晶胞范围内或晶粒范围内的这里所说的内应力是指存在于晶胞范围内或晶粒范围内的微观内应力微观内应力。广义地讲，晶体缺陷。广义地讲，晶体缺陷(包括点缺陷、位错、层错、析出物等包括点缺陷、位错、层错

9、、析出物等)周围都会或多或少地存在内应力。当材料在外力作用下发生周围都会或多或少地存在内应力。当材料在外力作用下发生塑性变形塑性变形时，由于上述应力场的存在，还会使时，由于上述应力场的存在，还会使内应力增加，影响磁性。内应力增加，影响磁性。142.2.2.1 晶格缺陷晶格缺陷1.晶体结构缺陷晶体结构缺陷从几何角度讲，周期有序排列中往往会出现局部的从几何角度讲，周期有序排列中往往会出现局部的紊乱紊乱紊乱紊乱；从尺寸范围讲，；从尺寸范围讲，紊乱大致涉及紊乱大致涉及1个到几个原子间距个到几个原子间距(1nm左右左右)。这种晶体中原子紊乱排列现象，称为。这种晶体中原子紊乱排列现象，称为晶格缺陷晶格缺陷

10、晶格缺陷晶格缺陷(Lattice(Lattice defectdefect)。152.晶体形变过程中的位错增殖机制晶体形变过程中的位错增殖机制无论是哪种位错，在晶体塑性变形中都起着重要作用。除低速、高温变形之外，塑性变形都是位错移动引起的。无论是哪种位错，在晶体塑性变形中都起着重要作用。除低速、高温变形之外，塑性变形都是位错移动引起的。位错在变形过程个会发生增殖，这是造成内应力增加的原因之一。位错在变形过程个会发生增殖，这是造成内应力增加的原因之一。162.2.2.2 畴壁移动、磁化旋转与位错的关系畴壁移动、磁化旋转与位错的关系技术磁化过程的主要机制是：技术磁化过程的主要机制是：磁畴壁移动和磁

11、化旋转。磁畴壁移动和磁化旋转。阻碍畴壁运动的因素有位错及其他晶格缺陷、析出物以及其他夹杂物等。阻碍畴壁运动的因素有位错及其他晶格缺陷、析出物以及其他夹杂物等。172.2.2.3 交流磁场的能量损失软磁材料多用于交流磁场，动态磁化会造成各种模式的交流磁场的能量损失软磁材料多用于交流磁场，动态磁化会造成各种模式的能量损失能量损失能量损失能量损失（铁损，（铁损，iron loss），必须设法降低。能量损失通常用），必须设法降低。能量损失通常用W表示：表示：W=Wh+We+Wr(2-3)式中，式中，Wh为磁滞损耗为磁滞损耗(hysteresis loss)；We为涡流损耗，为涡流损耗，Wr为残留损耗。

12、为残留损耗。?总能量损失总能量损失W18?磁滞损耗磁滞损耗Wh按图按图1-14所示的磁滞回线，当磁化强度沿回线变化时，所示的磁滞回线，当磁化强度沿回线变化时，Wh为磁场所做的功。若频率为为磁场所做的功。若频率为f，则，则Wh可表示为：可表示为：DEFGJD19?涡流损耗涡流损耗We当对导电性磁性材料施加交流磁场时，对应磁通量变化，材料中会产生感应涡流，由涡流产生的并以焦耳热的形式损耗的该部分能量即为当对导电性磁性材料施加交流磁场时，对应磁通量变化，材料中会产生感应涡流，由涡流产生的并以焦耳热的形式损耗的该部分能量即为We。若材料板厚为。若材料板厚为t，最大磁感应强度为，最大磁感应强度为Bmax

13、，电阻率为，电阻率为，引入常数，引入常数a，则，则We可表示为：可以看出可表示为：可以看出We与与电阻率电阻率电阻率电阻率成反比。成反比。20?残留损耗残留损耗Wr相对于磁场变化，当磁化旋转、畴壁移动以及杂质等引起的非各向同性弹性应变场的变化产生滞后时，会产生磁余（弛豫）效应以及共振等。由此引起的损耗即为相对于磁场变化，当磁化旋转、畴壁移动以及杂质等引起的非各向同性弹性应变场的变化产生滞后时，会产生磁余（弛豫）效应以及共振等。由此引起的损耗即为残留损耗残留损耗Wr。由磁余效引起的能量损耗称为弛豫型能量损耗，其涉及的因素较多，直接解析表达式难于建立，只有通过求弛豫应变的方法逐步推算。由磁余效引起

14、的能量损耗称为弛豫型能量损耗，其涉及的因素较多，直接解析表达式难于建立，只有通过求弛豫应变的方法逐步推算。可以看出，随频率增加，金属系的涡流损耗、铁氧体系的残留损耗明显增加。可以看出，随频率增加，金属系的涡流损耗、铁氧体系的残留损耗明显增加。212.2.2.4 磁各向异性磁各向异性1.磁各向异性的概念磁各向异性的概念铁磁性体的一个非常重要的特性是磁各向异性。铁磁性体的一个非常重要的特性是磁各向异性。以以Fe为例，其为例，其 100方向的磁化比方向的磁化比 110、111 两个方向更容易，这种性质为两个方向更容易，这种性质为磁各向异性磁各向异性磁各向异性磁各向异性。Ni中的中的111、MnFeO

15、4中的中的111就属于易磁化方向。若实际的磁化方向与易磁化方向的夹角为就属于易磁化方向。若实际的磁化方向与易磁化方向的夹角为，设各向异性常数为，则各向异性能可近似表示为：，设各向异性常数为，则各向异性能可近似表示为：uKaE2412sinsinauuEKK=+（2-8）22在不同的晶体学方向上，存在易磁化方向和难磁化方向的特性称为在不同的晶体学方向上，存在易磁化方向和难磁化方向的特性称为磁各向异性磁各向异性磁各向异性磁各向异性。上述磁各向异性决定于晶体结构的各向异性，。上述磁各向异性决定于晶体结构的各向异性，它是物质它是物质“先天的先天的”固有性质。但也还有固有性质。但也还有“后天的后天的”磁

16、各向异性，其中包括：形状磁各向异性；诱导磁各向异性；应力磁各向异性磁各向异性，其中包括：形状磁各向异性；诱导磁各向异性；应力磁各向异性(应变磁各向异性应变磁各向异性)。这些磁各向异性在磁性材料的实际应用中是非常重要的。这些磁各向异性在磁性材料的实际应用中是非常重要的。232.磁各向异性的成因磁各向异性的成因?形状磁各向异性：形状磁各向异性：形状磁各向异性：形状磁各向异性：取决于材料是线材还是板材等，是由形状决定的各向异性。取决于材料是线材还是板材等，是由形状决定的各向异性。?诱导磁各向异性：诱导磁各向异性：诱导磁各向异性：诱导磁各向异性：是通过外部磁场及加工、热处理、晶体生长方式等，使材料产生的磁各向异性，它贯穿在实际磁性材料的整个制造过程中，是必须考虑的极为重要的性质。是通过外部磁场及加工、热处理、晶体生长方式等，使材料产生的磁各向异性，它贯穿在实际磁性材料的整个制造过程中，是必须考虑的极为重要的性质。24?应力磁各向异性应力磁各向异性应力磁各向异性，源于磁致伸缩现象应力磁各向异性，源于磁致伸缩现象(magnetostriction Phenomena)。一般说来，铁磁体经磁化其尺寸