1、第三章 材料磁學性能摘要：本章將論述材料磁性產生的機理；材料底順磁性，抗磁性；材料磁學性能系數及其相互關系；鐵磁性及物理本質；技術磁化。具體內容安排如下：第一節 磁性及物理本質 掌握電子自旋磁矩、電子軌道磁矩、原子磁矩、分子磁矩；磁化強度、磁感應強度、磁化率磁導率的基本概念及相互關系。理解物質磁性的分類方法及磁性類型。第二節 順磁性與抗磁性 理解順磁性和抗磁性的機理和影響因素。第三節 鐵磁性及物理本質 理解磁化曲線的三個階段特點；理解磁滯回線的特征；掌握自發磁化理論外斯假說；理解溫度對磁性的影響。第四節 鐵磁性內能 磁性的三大特點：磁各向異性；磁滯伸縮；磁形狀各向異性。磁體具有磁各向異性能；磁

2、彈性能；磁各向異性能。第五節 磁疇及磁疇結構 理解磁疇是如何形成的、磁疇的結構以及內部的本質問題。第六節 技術磁化 理解技術磁化三個階段及其機理分析；理解雜質、氣孔對磁化有何影響。第七節 影響金屬及合金因素 介紹了影響金屬磁性的因素，重點分析溫度、應力、熱處理對磁性的影響。第八節 前沿課題和討論讓學生了解磁性在生活中的應用，提高學生興趣。包括永磁材料、磁致冷材料、磁記錄材料。（共12個學時）1 / 29第一節 磁性及其物理本質一、原子的本征磁矩 在磁場中放入一種物質，會使物質所占有的空間磁場發上改變，有的使空間磁性增強，（例如Fe）：有的使空間磁性減弱（Cu）；根據物質磁化后對磁場的影響，把物

3、質分為三類：使磁場減弱的物質稱為抗磁物質；使磁場增強的物質稱為順磁性物質；使磁場強烈增加的物質稱為鐵磁性物質。原子的磁性任何物質都是有于原子構成的，原子又是帶正電的原子核與帶負電的電子構成。電子繞原子核作循軌運動產生磁矩。同時在自族運動時也會產生磁矩。 軌道磁矩 L為軌道角動量，e為單位電荷，h為普郎克常數，m為電子質量，c為光速。 電子的自旋磁矩由于電子的自旋運動而產生的磁矩稱為自旋磁矩。 為自旋角動量，為波爾磁子。*原子核也是有磁矩的，不過它的磁矩很小，僅為電子磁矩的，可忽略不計。物質的磁性，L原子磁矩。 電子磁矩是電子的軌道磁矩和自旋磁矩之和。原子磁矩是所有的電子磁矩之和。 當原子中的一

4、 個電子層已經排滿時，這個層電子的磁矩的總和就等于0，若一 個原子的電子層未被排滿，這時電子磁矩的總和就不為零，原子就有了磁矩了。 分子磁矩是各原子磁矩之和。 二、 磁性的基本參數及其性質。 物質沒有外加磁場，各磁矩取向為無序狀態，自旋磁矩和軌道磁矩之和為零，物質不表現出磁性。當物體加上外磁場后，物質磁矩受磁場作用而轉向外場方向，就表現出磁性了。磁性的強弱用磁矩表述。 磁矩物體內所有自旋磁矩，軌道磁矩和附加磁矩之和。 磁化強度（I），或M 單位體積德磁矩稱為磁化強度（單位安米-1） 磁化率(X) X的大小反映了物質磁化的難易程度. X A每摩爾的磁化率；XV單位體積的磁化率；Xg,每克物質的磁

5、化率； v為摩爾體積, A為原子量.X可正可負, X為正是順磁性物質, X為負為抗磁性物質. 磁感應強度(B) 變化后的總磁場為B, B為磁感應強度,物質磁化后引起的磁場變化為 為變化前的磁場. 為附加磁場強度. 為真空磁導率. 令為相對磁導率， 相對磁導率，三、磁化率與物質磁性分類. 磁矩（I，M）M=有三種表達形式為摩爾磁化率，為單位體積的磁化率問每克物質的磁化率。根據磁化率符號與大小，可以把物質的詞性氛圍五類1、抗磁體為很小，且，根據抗磁體與溫度關系，把抗磁體分為“經典”抗磁體，不隨T變化，如銅、銀、汞。反常抗磁體，隨T變化，如等。2、順磁體X0，約為，很小，根據X與T的關系，順磁體可分

6、為：正常順磁體：X與T成反比關系。X與T無關系的順磁體，如鋰、鉀、銣等。3、反鐵磁體X為很小的正數。 4、鐵磁體X很大，在數量級，X隨外磁場大小而變化，在H不大時，X很大，能產生很大的M，故鐵磁體在磁場中強烈被磁化。5、亞鐵磁體X小，例如磁鐵礦等。第二節 順磁性與抗磁性一、 抗磁性.原子的磁矩取決與未填滿的電子的自旋磁矩和軌道磁矩。對于電子殼層填滿的原子，雖然其軌道磁矩和自旋磁矩的總和為0，但在外磁場條件下，也會顯示出磁矩來，這是由于電子的循軌運道在外磁場的作用下產生了抗磁磁矩（P）的緣故。兩個電子，其循軌運動方向相反，且與H垂直。在無外加磁場時，電子的循軌運動相當于一個不形電流，產生的磁矩

7、為角速度，r為軌道半徑。電子在做循軌運動時，受到一 個向心力F，加上一 個磁場之和。電子在磁場作用下，產生一 個附加力F，F = F 該稱為落磁力，總的向心力為F+ FF+ F= 即增加一個，增加一 個，與的方向相同，但是與外磁場的方向相反，如（）圖所示。對于(b)圖，產生一個與外加磁場相反的磁矩=對于一個原子，有N個電子，這些電子分布在不同的殼層上，一個原子的磁矩是N個電子的抗磁矩之和.=與H的方向總相反，大小和H成正比，H=0時，=0.即撤除外加磁場，抗磁場磁矩自行消失.抗磁矩是由電子作循軌運動產生的，任何物質的電子都作循軌運動，所以任何物質都是有抗磁性，但并非是抗磁性物質。二、順磁性當物

8、質的電子磁矩抗磁磁矩時，即物質表現出順磁性。 1）無外加磁場 H=0 由于熱運動，原子磁矩的取向無規則，無序的。此時物質的總磁矩為0。 2）在外加磁場下，H0此時原子磁矩取向排列，原子排矩排向磁場方向，總磁矩大于0。在室溫下，順磁物質的原子的熱運動產生無序傾向很大，進行磁化很困難，達到8安.米3）順磁磁化率與溫度關系滿足居里定律X= C是常數對于過渡族元素，則滿足居里-外斯定律 X=三、金屬的抗磁性與順磁性金屬由點陣離子和自由電子構成，金屬的磁性包括點陣離子的抗磁性與順磁性，自由電子的抗磁性與順磁性。只有內層電子未被填滿時，自旋磁矩未被抵消，才產生較強的順磁性。（1） 金屬Cu,Au,Ag,C

9、d,Hg等，抗磁性大于自由電子順磁性，因而是抗磁性的。（2） 非金屬是抗磁性的，如S,P.（3） 對于共價鍵化合物，電子的自旋磁矩互相抵消，因而是抗磁性的。（4） 堿金屬，堿土金屬是抗磁性的。（5） 稀土金屬，由于4f層或5d層沒有添滿，存在未成對電子，因而順磁性較強。（6） 過渡族元素：3d層未添滿，自旋磁矩較大，有些是鐵磁性的。四、影響金屬抗磁與順磁的因素1、溫度：磁場強度對抗磁性影響很小，但是金屬熔化。等變化時，會使抗磁性磁化率發生改變。熔化：抗磁體的磁化率一 般減小，Bi降低12.5，但Ge,Au,Ag熔化時，磁化率是升高的。2、范性變形：范性變形可使抗磁性減弱，退火又可使抗磁性恢復。

10、3、晶粒細小 在晶粒細小時，可由抗磁性變化順磁性4、同素異構體白錫灰錫 由順磁轉變為抗磁性。5、合金的相結構及組織，對磁性影響較復雜。6、固熔體有序化時原子間結合力要發生改變，引起原子間距變化和磁性變化。當形成CuAu有序合金抗磁性減弱，形成CuAu, CuPd等合金時抗磁性增強。7、形成中間相與化合物X與成分的曲線上有極大或極小值四、磁化率的測量第三節 鐵磁性及其物理本質一、 磁化曲線當H很小時，M也小，磁化曲線分為三個階段I階段：H很小時，B隨H增加緩慢上升，這部分是可逆的。當去除磁場后，B回到0，此階段是可逆的。II階段：磁場H增加，很大，并迅速達到一個最大值，稱為最大磁導率，此階段是不

11、可逆的，去除H后，B不再沿磁化曲化變化。III階段：H，B緩慢上升，逐漸接近磁飽和強度Bs，磁導率降低趨于一個極限值，這部分是不可逆的。斜率為磁導率。二、磁滯回線 磁飽和后的磁性材料，逐漸減小外磁場強度，這時，曲線不沿原來變化，并且降低很慢磁滯當H=0時，M 0，Mr稱為剩余磁化強度。反向增加磁場，M，達到-Hc時，M=0，Hc稱為矯頑力。增加反向磁場，則物質反向磁化，當H=Hs，達到反向磁飽和。反向減小磁場，最終形成一閉合曲線一磁滯回線。回線包圍的面積為磁滯損耗。因此，鐵磁性磁化不與H成正比，存在磁飽和現象。抗磁和軟磁的磁化是可逆的，而鐵磁性磁化是不可逆的；抗磁物質和軟磁物質磁化困難，而鐵磁

12、性的磁性較容易些。,Mr,Hc是對材料組織敏感的磁參數。三、鐵磁物質的物理本質自發磁化理論1907年，法國科學家外斯提出了鐵磁性假說自發磁化理論1、外斯假說他認為在鐵磁物質內部存在很強的“分子場”，在這種“分子場”作用下，原子磁矩趨于同向排列，即自發磁化飽和，磁化。鐵磁質自發磁化成若干小區域，由于各個區域的磁化方向各不相同，故其磁性彼此抵消，大塊鐵磁體不顯示磁性。2、自發磁化理論鐵磁質自發磁化的起因是源于原子未被抵消的自旋磁矩，而軌道磁矩對鐵磁性幾乎沒有貢獻。Fe,CoNi是鐵磁性的，他們的3d層未被填滿，鐵的3d層有四個自旋未被抵消，Co有三個。Ni有兩個，原子存在未被抵消的自旋詞句是產生鐵

13、磁性的必要條件。*僅有自旋磁矩還不一定會產生鐵磁性，例如Mn，要成為鐵磁性物質還必須使這些自旋自發的排列在一個方向上，產生自發磁化。這是鐵磁性產生的充要條件。鐵磁體自發磁化是由于電子間的靜電互相作用產生的。當原子互相接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要互相交換位置。對過渡族金屬，原子的3s層和4d層能量相差不大，因此它們的電子云重疊時引起43層電子再分配，發生交換作用，這種交換產生的靜電作用力稱為交換力，交換力的作用迫使相鄰原子的自旋磁矩產生有序排列。由交換作用產生的附加能量成為交換能，用Ex表示。交換作用使自旋反向平行排列比同向平行排列的能量高，交換能為正值。交換能為正值，這是鐵磁性的充

14、分條件。A= Q為居里點 E為配位數。只有A為正值才能實現自發磁化。理論分析表明：A不僅與電子的波函數有關，而且還依賴于原子核間的距離Rab和未填滿殼層半徑r。即A與原子的電子結構和晶體的點陣結構有關。當Rab3時，A為正值。如Fe,Co,Ni對于稀土元素A0但3，原子間距太大，電子云很少重疊，電子間的靜電交換作用好弱，故稱為軟磁性；當3，AT時，X服從 居里-外斯定律。2）亞鐵磁性晶體由兩個亞點陣組成，每個亞點陣的離子磁矩平行排列，但相互之間的磁矩方向都反平行。但不能完全抵消，這是亞鐵磁性。例如Fe O .在鐵氧體內部存在很強的自發磁化，這種自發磁化并不是由于磁性離子間直接交換作用，而是通過

15、夾在磁性離子間的氧離子而形成的見解交換作用超交換作用。這種超交換作用使每個亞點陣內離子磁矩平行排列，兩個亞點陣磁矩方向相反，大小不等，抵消了一部分，剩余部分表現為自發磁化第四節 鐵磁性內能一、磁晶各向異性和各向異性能沿不同的晶向磁化的難易程度不同。沿Fe100,Ni111,Co0001方向極易磁化，在很小的磁場下可達到飽和，即易磁化方向。沿Fe111,Ni100,Co1010方向磁化，則需要非常強的磁強才能達到磁飽和，故是難磁化方向。這種在單晶體不同晶向上，磁性能具有不同的性質，稱為磁性的各向異性。為使鐵磁體磁化需消耗一定的能量稱為磁化功，如右圖陰影部分所示。沿不同方向磁化功不相同，沿易磁化方

16、向能量最低；沿難磁化軸方向能量最高。磁晶各向異性能Ek定義為飽和磁化強度矢量在鐵磁體中取不同方向而改變的能量。磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表了磁晶各向異性能（磁晶能），用E表示。對于立方晶系，設分別為磁化強度與三個晶軸的方向余弦。 E K1、K2為磁晶各向異性常數，與物質結構有關K2很小時，E 它（E ）代表易磁化和難磁化曲線間的面積。對于六角晶系，如果磁化軸為晶體的六重對稱軸，那么易磁化軸只有一個，稱為單軸晶體。Ek=Ku1sin2+ku2cos2磁各向異性常數的大小關系到磁化的難易，故高磁導率的軟磁材料一個重要條件是K1的絕對值要小；而作為大矯頑力的硬磁材料卻要求大的K1值。二、磁

17、致伸縮與磁致伸縮能（磁彈性能）鐵磁體在磁聲中被磁化時，其形狀和尺寸都會發生改變，這種現象稱為磁致伸縮效應。對于Fe，其長度略有伸長，Ni在磁化時長度會減小而橫截面略有增加。磁致伸縮大小用磁致伸縮系數表示 為伸長量，磁飽和時的磁致伸縮稱為飽和磁致伸縮，用表示。可正，例如Fe，也可負，例如Ni0表示沿磁聲方向的尺寸伸長正磁致伸縮；應力各向異性。三、鐵磁體的形狀各向異性能及退磁能鐵磁體在磁場中具有的能量稱為靜磁能，它包括鐵磁體與外磁場的相互作用能和鐵磁體在身身退磁聲中的能量，后者稱為退磁能。材料的形狀對磁性有重要影響，形狀不同的材料或同一材料的不方向測得的磁化曲線是不同的，這種現象稱為材料的形狀各向

18、異性。鐵磁體的形狀和各向異性是由退磁場引起的。當鐵磁體磁化出現磁極后，在鐵磁體內部由于磁極作用而產生一個與外磁化場反向的磁場，它起到退磁的作用，稱為退磁場，用Hd。退磁場強度為院 Hd=-NM負號表明退磁場與磁化場反向；N為退磁因子，它與材料的幾何形狀及尺寸有關。退磁能 Ed=磁體愈粗，N越大，退磁能也愈高。第五節 磁疇的形成及磁疇的結構一、磁疇：外斯假說認為：自發磁化是以小區域磁疇存在的，各個磁疇的磁化方向是不同的，對外不顯磁性。磁疇：未加磁場時鐵磁體內部已經磁化到飽和狀態的小區域。可彩粉紋法觀察。磁疇有長有短，長的稱為主疇，其自發磁化方向必定沿晶體的易磁化方向；小而短的磁疇稱為副疇，其磁化

19、方向不確定。相鄰磁疇的的界限稱為磁疇壁，疇壁有兩種，一種是1800C（磁化方向相反），加一種是900壁（其相鄰疇磁化方向垂直）。疇壁是一個過渡區，有一定厚度，磁疇的磁化方向在疇壁不能突然轉向，而是逐漸改變方向的。若在整個過渡芳中原子磁矩都平行于壁疇平面，叫布洛赫壁。磁疇壁具有交換能，磁晶能及磁彈性能。原子磁矩的逐漸轉向比突然轉向的交換能小，但仍比原子磁矩同向排列的交換能大。從交換能E稱為巴克豪躍。去除外磁場，不會由于外磁場取消而磁疇跳回原位，因而是不可逆的。疇壁遷移的結果，使疇內所有的原子磁距都轉向與磁場成銳角的易磁化方向，使晶體成炒單疇。階段：繼續增加外磁場，則整個晶體單疇的磁矩方向將逐漸志

20、向外磁場方向。這種磁化過程稱為磁疇的旋轉這種轉動需要很高的能量，故磁化異常緩慢，當單疇的磁化強度矢量與外磁場完全一致時，達到磁飽和狀態。所以技術磁化包括疇壁的遷移磁化和磁疇的旋轉磁化。a: 加H后，左磁疇與H向上的分量，靜磁能較低，右磁疇的靜磁能較高，疇壁將向右遷移。疇壁遷移實際上是原子磁矩的轉動過程。壁遷移。b：壁轉動若磁疇原來沿易軸磁化，那么在與訪方向成Q0的外辜場下，壁移已完成，則磁疇的磁矩將轉盍一個角試以降低嬡辜能。2、機理在未加外磁場時，自發磁化形成的兩個磁疇 ，磁疇壁通過夾雜相。當外磁場逐漸增加時，與外磁場方向相同的磁疇將移動，壁移的過程是壁內原子磁矩轉向的結果，磁疇壁變彎曲，但沒

21、有離開夾雜物。如果取消磁疇，疇壁又遷移到原來的位置，這個階段為可逆階段。此時磁化強度不高磁導率不大。當外磁場繼續增加，一旦彎曲的疇壁總長超過通過夾雜物的長度，疇壁會遷移到下一個夾雜物位置，處于另一個穩定態。如果去除外磁場，疇壁不會遷移到原來的位置，因此是不可逆過程，也稱巴克豪深跳躍，磁矩瞬時轉向易磁化方向。因此整個材料是一個大磁疇，其磁化強度方向是晶體的易磁化方向。繼續增加外磁場，這時整個磁疇的磁矩方向轉向外磁場方向，這個過程稱為疇的旋轉。旋轉的結構是磁疇的磁化方向與外磁場方向平行，這時達到了磁飽和，再增加磁場強度，磁化強度也不再增加。如下圖所示。3、影響壁移的因素主要有帶頭作用雜相、空隙、內

22、就略的起伏大小和分布等等。4、反磁化過程及磁矯頑力（磁滯回線）a：若把外磁場去掉，由于磁晶能的作用，磁疇的磁化方向將轉到易磁化方向，這是剩磁Mr存在的原因）b：為消除剩磁，須加反向磁場。在反向磁場作用下，與反磁場成鈍角的疇壁縮小，而、與反磁場成銳角的磁疇擴大。已磁化的材料為何存在反向磁疇呢？這是因為材料中總有夾雜物，第二相，空隙等質點，在它們周圍存在磁極，形成退磁場，退磁場在外場作用向可發為反向磁疇。第七節 影響金屬及其合金的因素影響鐵磁性因素有兩個方面：一是外部環境因素：如溫度壓力等：L二是金屬及合金內部因素：如成分、組織及結構、熱處理等。從內部因素看，可把鐵磁性參數劃分二類：組織敏感性參數

23、和組織不敏感性參數。, 凡與技術磁化有關的參數都是組織敏感的，如,磁導率，剩余磁感應強度。一、溫度的影響溫度升高，原子熱運動加劇，原子磁矩無序排列傾向增大導致Ms下降，在居里點處下降為0。此時由鐵磁性轉變為順磁性，這個轉變溫度稱為居里點，它是決定材料磁性能溫度穩定性一個十分重要的物理量。到目前為止，人類所發現的元素中，只有鐵、鈷、鎳、軋四種元素在室溫以上是鐵磁性的，在極低溫度下。有五種元素是鐵磁性的，即鈥、鉺、銩、鏑、鋱。材料FeNiCoFe3CFe2O3GdDy居里點/C768376107021057820-188溫度升高，磁導率變化與外磁場強度有關。二、應力影響當應力方向與金屬的磁致伸縮同

24、向時，應促進磁化，反向則對磁化起阻礙作用。三、形變影響冷加工引起內應力增加，點陣發生畸變，從而對壁移造成阻力，使技術磁化困難。冷加工造成的位錯和內應力不利于金屬的磁化和去磁過程。磁導率隨冷加工而下降；矯頑力則相反，隨變形增大而增大。四、退火的影響：退火使點陣扭曲恢復，內應力消除，幫磁化易于進行。五、晶粒細化。晶粒細化使晶界大量增加，對磁化的阻力愈大。矯頑力和磁滯損耗增大，磁導率減小六、雜質的影響雜質會使點陣發生畸變，給壁移造成阻力，下降、Hc上升。七、形成固溶體a：在鐵磁金屬中溶入順磁或抗磁金屬形成成固溶體，則磁飽和強度Ms隨溶質原子濃度增大而降低。例如Ni中溶入Cu、Zn、Al、Si等，溶質

25、原子的4S電子進入了未填滿的3d殼層，導致Ni的玻爾磁系數減小。b：過渡金屬與鐵磁性形成固溶體，由于交換作用增強，因而對自發磁化有促進作用，Ms升高c：兩鐵磁性金屬組成固溶體，Ms變化復雜。 Ni-Co合金的Ms隨濃度增加而單調增加。 Fe-Co合金在Co含量達到30%處有極大值。d：在固溶體中，間隙固溶體比置換固溶體的磁性差。合金中析出的第二相以及它的形狀、大小、分布對組織敏感即為顯著。八、形成化合物：a：鐵磁金屬與順磁金屬或抗磁金屬形成化合物或中間相順磁或抗磁金屬的4s電子進入鐵磁金屬的3d殼層，使Ms降低。b：鐵磁金屬與非金屬形成化合物，例如Fe3O4，FeS呈亞鐵磁性，兩相鄰原子的自旋

26、磁矩呈反向平行排列，但沒有完全抵消。九、形成多相合金形成多相合金時，則合金的總飽和磁化強度將由組成相的飽和磁化強度之和決定。多相合金的居里點與相的成分，相的數目有關，合金中有幾個鐵磁相就有幾個居里點。十、Spinodal分解：1971年金子秀夾等人研制成功了Fe-Cr-Co系永磁合金，其（BH）max目前最高。Fe-Co-Cr合金具有良好的永磁性能，它是利用高溫下單相固溶體在一定溫度6007000C下，通過Spinodal分解得到晶體結構相同、成分各導師，濃度邊疆變化的和固溶體組成的“調幅組織”。 第八節 動態磁化特性一、 磁滯和渦流損耗鐵磁材料在交變磁場中反復磁化時，由于磁化處于非平衡狀態，

27、磁滯回線表現為動態特性。當外磁場的振幅變化不大時，得到在原點附近具有正負對稱變化的磁滯回線稱為瑞利磁滯回線。回線包圍的面積磁滯損耗為。當鐵磁材料進行交變磁化時，鐵磁導體內的磁通量發生相應的變化，根據電磁感應定律，這種變化將在鐵磁導體內產生垂直于磁通量的環形感應電流“渦流”。這種渦流產生的損耗稱為渦流損耗。均勻磁化時，單位體積內的損耗為，非均勻磁化的渦流損耗比均勻磁化的渦流損耗大4倍。這種渦流又將產生一個磁場來阻止外磁場引起的磁通變化。因此，鐵磁體內的實際磁場總是落后外磁場，這種渦流對磁化的滯后效應。若交變磁場的平率很高，而鐵磁體內的電阻率很小，可能出現材料內部無磁場，磁場只存在于表面的“趨膚效

28、應”。二、磁后效應和復數磁導率設在某一時刻t=0時有一磁場從H1到H2跳躍，則磁化強度將從M1到M2變化。這一變化分為兩個階段，即t=0時M1無滯后上升到Mi，然后隨時間延續再逐漸上升到H2的平衡值M2。在這一磁化過程中，出現渦流現象的同時還存在一種“滯后效應”，即磁化強度跟不上磁場變化的延遲現象。若反復磁化，則每次都出現時間的滯后。產生滯后效應弛豫過程的原因是因為含有微量間隙元素的C、N的純鐵材料中，間隙原子C和N在間隙位置受磁場變化擾動的緣故。當磁場方向變化時，間隙原子C和N將發生微擴散，引起材料的各向異性的變化，從而導致磁化強度的變化，這種弛豫過程稱為擴散磁后效。鐵磁材料在交變磁場作用下

29、的磁性與在靜磁場中的磁性有很大不同。首先，材料在靜磁場中的磁導率是一個常數，但在交變磁場中存在磁滯效應、渦流效應、磁后效應和疇壁共振等，使材料在交變磁場中的磁感應強度落后外加磁場一個相位角，因而磁導率是一個復數；各向同性的鐵磁材料在交變磁場中，往往處于交變電場和交變磁場的同時作用下，而鐵磁材料是電介質，因而往往表現鐵磁性和介電性。設振幅為Hm，角頻率為w的交變磁場為。該磁場作用在各向同性的鐵磁材料上，由于阻礙作用，B落后H一個相位角j。復數磁導率為；m與H是同相位的；m的存在，B落后H，引起鐵磁材料在動態磁化過程中不斷能量損耗。處于均勻交變磁場中的單位體積鐵氧體，單位時間的平均能耗為。鐵磁體單

30、位體積內的磁損耗功率與復數磁導率的虛部成正比，而與實部無關。此外還與外磁場的頻率和振幅的平方成正比。在交變磁場中，在鐵磁體內的儲能密度為：。復數磁導率的實部m與鐵磁體在交變磁場中的儲能密度有關；而虛部m與鐵磁體材料在單位時間的能耗有關。鐵磁體的品質因子為：W的倒數稱為磁損耗系數。三、磁導率衰減和磁共振損耗鐵磁材料即使完全退火，在環境作用下，其起始磁導率會隨時間的推移而下降。如Mn-ZN鐵氧體受磁場作用或機械沖擊后，起始磁導率將隨時間發生降落，稱為磁導率減落。起始磁導率隨時間減落是由于鐵磁材料中的電子或離子擴散后造成的。由于鐵磁材料退磁時處于亞穩定態，隨時間推移，為使磁體的自由能達到最低，電子或

31、離子將不斷向有利位置擴散，導致鐵氧體起始磁導率隨時間減落。溫度越高擴散越快，起始磁導率隨時間的減落也越快。磁損耗隨頻率而變，在某一頻率下出現明顯增大的損耗是一種共振損耗。磁性材料的電阻率越低，應用頻率越高，渦流損耗越大。第九節 前沿課題當前磁性材料的研究十分活躍，以巨磁阻、巨磁阻抗、巨霍爾效應、巨磁致伸縮、巨磁熱效應、巨磁光效應為基礎的功能材料顯示廣闊的應用前景。一、永磁材料(高磁能積、高剩余磁感應強度、高矯頑力)下圖為永磁材料發展歷程： 1）最早的磁性材料是Fe、Co、Ni金屬。 2）后來發展了FeSi、FeNi、AlNiCo和鐵氧體，摻鋇鍶的鐵氧體。鐵氧體的價格成本低，因此應用也十分廣泛，

32、而FeSi由于較高的飽和磁化強度在電力中應用也廣泛。AlNiCo的(BH)max=4070kJ/m3，高剩余磁感應強度Br=0.71.35T)、適中矯頑力Hc=40160KA/m。AlNiCo1-4是各向同性的，而AlNiCo5是各向異性的。矯頑力的機制為a粒子的非協調轉動。a粒子具有形狀各向異性。矯頑力隨針狀的直徑和長度方向以及二相間的飽和磁化強度之差增加而增加。鐵氧體：MO6Fe2O3，M代表Ba和Sr，具有六方晶體結構，其磁晶各向異性很高為K1=0.3MJ/m3,低的飽和磁化強度Ms=0.47T，矯頑力很大Hc=150170kA/m。磁化強度的反向轉換的機制可能是晶界疇壁釘扎疇的形核，居

33、里溫度低，只有450C.3）60 年代,人們對稀土- 過渡族金屬間化合物進行了大量的基礎研究. 1967 年,SmCo5 稀土永磁材料問世,樹立了永磁材料發展史上的新里程碑. 70年代,第二代稀土永磁Sm2Co17研制成功. 80年代,第三代稀土永磁Nd2Fe14B 材料以其優異的性能和較低廉的價格奠定了稀土永磁材料在永磁材料中的霸主地位. 目前燒結釹鐵硼與粘結釹鐵硼是產量最大的一類稀土永磁材料.SmCo5金屬化合物具有CaCu5型結構。飽和磁化強度Ms=0.97T；極高的磁晶各向異性K1=17.2MJ/m3；Br=1T；Hc=3200kA/m；(BH)max=200kJ/m3。矯頑力來源于基

34、于疇的成核和晶界處的疇壁釘扎。金屬間化合物Sm2Co17也是六方結構，較高的飽和磁化強度Ms=1.2T；K1=3.3MJ/m3；（BH）max=265kJ/m3。NdFeB系合金，于1983年研制成功。其(BH)max=430.6kJ/m3；Br=1.48T；Hc=684.6kA/m。二、磁致冷材料磁致冷是通過外部磁場控制磁材料的磁熵而進行致冷的方式。磁致冷的歷史可以追溯到1890年，Telsali利用磁熱效應設計了300K附近的磁致冷機并申請了專利，但在當時以及后來的很多年并沒有引起人們的重視。直到1926年，Debye和Giaugne分別從理論上推導出可以利用絕熱去磁致冷的結論以后，致冷技

35、術才逐步發展起來，現已稱為低溫致冷的標準方法。歷史上磁致冷主要從高溫區(T20K)、低溫區(T20K)這兩個溫區進行研究。對低溫區的研究無論從致冷工質還是循環路線都已研究得十分透徹了。30年代利用順磁鹽作為磁致冷工質達到了30mK得極低溫。1934年Kurti提出了核子去磁原理，理論上可達到uK以下直到10-7K得超低溫。1956年Simon合Kurti利用核去磁使溫度達到16uK，利用二級銅核去磁已達到50nK得極低溫。1976年用金屬Ga在7T外磁場下獲得室溫磁致冷材料。80年代Gd3Ga5O12型化合物稱為1.5K20K溫區理想得磁致冷工質，90年代用Fe代換Ga即Gd3Ga5-xFex

36、O12成為20K溫區理想的磁致冷工質。20K80K是制備液氮、液氫的重要溫區，這時必須利用鐵磁材料在居里溫度附近大的磁熵變以達到磁致冷的目的。 一系列稀土過渡金屬合金，如RAL2(Er、Ho、Dy)、GdNi2等鐵磁合金成為該溫區Ericasson循環的合適的磁工質。而80K室溫這一溫區的研究，尤其是室溫附近的磁致冷工質的研究到目前為止依處于初級階段，尋找該溫區理想的磁致冷工質一直是人們追求的目標。尤其是近年來國際上對于禁止適用氟里昂。維護大氣環境的呼聲越來越強烈，尋求實用的室溫致冷工質的工作更為迫切。磁致冷工質具有低噪音、低振動、低能耗、小型化、不需壓縮機、易維修、壽命長等優點，因此對室溫磁

37、致冷工質的研究和開發無疑會具有極大的社會和經濟效益。本文主要介紹高溫區尤其是室溫附近磁致冷工質的發展以及最新取得的可喜進展。由于高溫區采用順磁鹽絕熱去磁來致冷要求有較強的磁場，在實際的應用中受到很大限制，而居里溫度在室溫附近的物質的磁卡效應，自然就成為人們研究室溫磁致冷工質的焦點。由于高溫區晶格畸變大，所以一般利用Ericsson循環。在選擇合適的磁工質時，必須考慮到幾個方面的問題：(1)循環的溫度范圍應處于手工質的居里點Tc附近；(2)要制造出滿足卡諾效率的制冷機，則要求在循環溫度范圍內，工質的居里溫度Tc可任意改變；(3)要獲得大的致冷量，則要求等溫磁化時磁工質必須具有大的磁熵變，另外還要

38、求工質的熱導率高，以利用增加循環頻率，增加致冷輸出量；電阻率要大，以避免產生歐流和相應的熱量。根據半經驗量子統計理論，在居里溫度附近的最大磁熵變可表示為：釓的居里溫度Tc=293K，g=2，J=7/2，當外場為7T時，計算居里溫度點處的最大磁熵變為13.17J/kgK接近，這個數值在稀土元素及其合金中是最大的，因此釓長期以來被認為是一種較好的室溫磁致冷工質。1976年Bron以金屬釓為工質在7T超磁場下獲得了從室溫到248K，DT為47K的磁致冷，從而引起了基礎和應用研究的高度重視。但由于其工作磁場大，需要超導磁場，難以實用化；且釓價格昂貴，必然使得以釓為工質的磁致冷機成本偏高，不利于推向市場

39、，加之釓的化學性質不夠穩定易被氧化，居里溫度單一等不因素，使之難以成為一種實用的室溫磁致冷工質，因此，科學家在尋找比釓更適宜的磁工質。對于稀土元素來說，磁矩都很高，這會有利于致冷，但其居里溫度都很低，不能滿足室溫磁致冷的要求；過渡族金屬由于3d電子間的強相互作用而有較高的居里溫度，因此人們就注意到稀土過渡族金屬化合物的磁熱效應。這方面的研究工作很多，如美國加州大學的H.Oesterreicher等研究了居里溫度在300K以上的Y2Fe17-xCox和Y2Fe17-xNix系列化合物，表明就單位體積的致冷能力而言，Y2Fe17-xCox(當x=0.3)比Gd更強，但居里溫度為600K，且化學性質

40、也不穩定。N.A.Nikitin等人研究了HoCo2合金的磁熱效應，其磁熵變雖然很大，但居里溫度太低，僅為82K。繼后Ni2Mn1-xMxSn(其中M=V，Nd)和Mn3-y-xCryAlC1+z系列作為室溫磁致冷工質也有報道，其最大磁熵變為金屬釓的一半。Fe-Zr系列非晶也有被研究報道過，但磁熵變不太高。以釓為代表的稀土元素與Cu、Al、Si、Zr及過渡族金屬的二元或多元合金系列，其中非晶態和粉末冶金在國際致冷學術會議(ICFC)文集中有較多的報道。三、巨磁滯伸縮材料一般磁性材料的磁滯伸縮系數為106，但后來在TbFe2、SmFe2磁性材料中的磁致伸縮系數達到10-3，但飽和磁場太高。以Tb

41、0.3Dy0.7Fe2-x的磁性材料的磁致伸縮系數達到1.510-3。巨磁致伸縮材料應用于聲納、傳感器、超聲發生器、微距器等。四、巨磁電阻材料磁化會引起電阻率的改變，一般小于1%。1988年，在Fe/Cr多層膜在低溫下的電阻率改變達到50%，稱為巨磁電阻材料。它有各向同性巨磁電阻和各向異性巨磁電阻材料。在應用中，必須降低工作磁場，研制低磁場下(0.1T)的巨磁電阻材料。例如：(Nd1-ySmy)1/2Sr1/2MnO3的單晶和磁電阻性能，觀察到顯著的低磁場巨磁電阻現象。當過渡金屬(Fe、Co、Ni)與薄的非鐵磁金屬隔層組成多層膜系統時，一般具有巨磁電阻現象。例如NiFe/Ag和NiFe/Cu/

42、Co。巨磁電阻材料應用于磁頭、磁隨機儲存器、磁傳感器等。五、軟磁材料軟磁材料的特點是高的導磁率、低的矯頑力和低鐵心損耗。Hc100A/m。高的電阻率，因為損耗的能量與電阻成反比。軟磁材料主要有純鐵、低碳鋼、鐵硅合金、鎳鐵合金、鐵鈷合金；鐵氧體軟磁材料；非晶態軟磁材料；納米晶軟磁材料。還可以由熔融金屬迅速淬火得到非晶態合金。二十世紀30年代前為金屬軟磁一統天下，隨著使用頻率升高，由于金屬軟磁材料的電阻率比較低，會引起大的歐流損耗，在更高的頻率下會導致趨膚效應，所以金屬軟磁材料的使用頻率不能太高。Philip于1935年研制了立方晶系的尖晶石。最常用的軟磁鐵氧體主要為MnZn、NiZn和MgZn三大系列。鐵氧體雖然在高頻段損耗低，但Bs僅為金屬軟磁的1/4。5080年代為軟磁鐵氧體發展的黃金年代。除了電力行業使用硅鋼片外Fe-Si，鐵氧體應用占絕對優勢。1970年Fe-Si-B非晶態合金研制成功后，特別是1988年優于非晶態合金的Fe-Cu-Nb-Si-B問世后，這兩種軟磁材料具有非常優異的軟磁特性。根據新的磁性量子理論，當晶粒尺寸減小到一定量級后，Hc與D的六次方成正比，因此，要求材料的尺寸盡可能小，以達到納米數量級。非晶和納米晶金屬軟磁材料逐漸成為軟磁鐵氧體的競爭對手，它們在性能上優于鐵氧體，但價格處于劣勢。在軟磁鐵氧體中，高頻低功率鐵氧體材料和高磁導率鐵氧體材料最為熱點。高