1、高矯頑力永磁材料一、高矯頑力永磁材料概述鐵磁材料是與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)的一種功能材料。根據(jù)鐵磁性材料的矯頑力不同，可將其分為永磁材料和軟磁材料。永磁材料的矯頑力一般均大于1000A/m，而軟磁材料的矯頑力一般小于100A/m，最低可達(dá)0.08A/m左右。由于軟磁材料的矯頑力低，技術(shù)磁化到飽和并去掉外磁場(chǎng)后很容易退磁。永磁材料矯頑力高，磁化飽和并去掉外磁場(chǎng)后仍能長(zhǎng)期保持很強(qiáng)的磁性，因此又稱為恒磁材料。永磁材料在外磁場(chǎng)中磁化時(shí)，外磁場(chǎng)對(duì)永磁體做的功稱為磁化功。對(duì)于閉路永磁體來(lái)說(shuō)，磁化功以磁能(BH)m的形式貯存于材料內(nèi)部。對(duì)于開(kāi)路永磁體來(lái)說(shuō)，磁化功一部分貯存于永磁材料內(nèi)部另部分以磁場(chǎng)的形式貯存于

2、兩磁極附近的空間。所以，永磁體是一個(gè)貯能器。利用永磁體磁極的相互作用和氣隙磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能或聲能和電磁能的相互轉(zhuǎn)換，制成多種功能器件：利用磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線的相互作用，制造發(fā)電機(jī)、話筒、傳感器，將機(jī)械能或聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娦盘?hào)；利用磁場(chǎng)與載流導(dǎo)線的相互作用可制各種永磁電機(jī)，如音圈電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)以及揚(yáng)聲器、耳機(jī)等，將電能或電信息轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、聲能或非電信息等；利用磁極間的相互作用力可實(shí)現(xiàn)磁傳動(dòng)、磁懸浮、磁起重、磁分離等；利用磁場(chǎng)與荷電粒子的相互作用做成各種微波功率器件。如微波通訊中的行波管、返波管、環(huán)行器等；利用磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)，如磁共振效應(yīng)、磁化學(xué)效應(yīng)、磁生物效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁霍耳效

3、應(yīng)等，制造核磁共振成像儀、霍耳探測(cè)器等；利用磁場(chǎng)使宏觀物質(zhì)磁化以改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)或鍵合力的性質(zhì)與狀態(tài)，制造磁水器、磁防蠟器、磁療器件等。矯頑力是永磁材料自身性能抵御外界磁場(chǎng)變化的一種能力。隨著磁性器件，尤其是信息、通訊、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域所用器件(如HDD、FDD、CD-ROM、FAX等)向小型化、輕型化、高速化、低噪聲化方向發(fā)展，人們對(duì)高矯頑力永磁材料的需求不斷增大。材料的矯頑力越高，表明它抗退磁能力越強(qiáng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越不容易受外界干擾。同時(shí)，材料的矯頑力高，具有較好的溫度穩(wěn)定性，可在較高的溫度下工作。同時(shí)其負(fù)載性可低一些，磁體可做得更薄一些，有利于永磁體薄型化和輕量化。而且，材料的高矯頑力化有利于提高

4、材料的磁能積。所以，在要求穩(wěn)定的高靜磁場(chǎng)的馬達(dá)以及擴(kuò)音器等小型馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)以及核磁共振等大型儀器設(shè)備等方面的應(yīng)用，高矯頑力材料有其獨(dú)到之處。二、一些磁學(xué)參量和磁化曲線一個(gè)宏觀磁體由許多具有固有原子磁矩的原子組成，當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)；當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，對(duì)外不顯示磁性。宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M。為了描述材料的磁化狀態(tài)(磁化強(qiáng)度和方向)，通常引入磁化強(qiáng)度矢量的概念。把每單位體積(或每摩爾、每克)內(nèi)的磁矩定義為磁化強(qiáng)度。式中為原于磁矩，V為磁體的體積，n為體積為V內(nèi)的磁性原子數(shù)。任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了外磁場(chǎng)H外，還要產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)。物質(zhì)內(nèi)部

5、的外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱之為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度和外磁場(chǎng)成正比。式中0為真空磁導(dǎo)率。在物質(zhì)內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線B的單位為Wb/m2，1Wb/m21T。J稱為磁極化強(qiáng)度，單位為Wb/m2有時(shí)也稱為內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度。熱退磁狀態(tài)的鐵磁性物質(zhì)的M、J和B隨磁化場(chǎng)H的增加而增加的關(guān)系曲線稱為起始磁化曲線，簡(jiǎn)稱為磁化曲線，它們分別稱為M-H、J-H、B-H磁化曲線。Ms、Js。Bs分別為飽和強(qiáng)化強(qiáng)度、飽和磁極化強(qiáng)度以及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。三、高矯頑力材料中的磁自由能強(qiáng)磁性物質(zhì)中存在交換作用能、靜磁能、退磁場(chǎng)能、磁晶各向異性能和磁彈性能等。交換能屬于近鄰原子間靜電相互作用能，是各向同

6、性的，它比其他各項(xiàng)磁自由能大102-104數(shù)量級(jí)。它使強(qiáng)磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩自發(fā)有序排列。其他各項(xiàng)磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅能改變其磁疇結(jié)構(gòu)。3.1、交換能在3d金屬如Fe、Co、Ni中，當(dāng)3d電子云重疊時(shí)，相鄰原子的3d電子之間以每秒108的頻率交換位置，因而它們之間存在交換作用，相鄰原子3d電子的交換作用能Eex與兩個(gè)電子自旋磁矩的取向(夾角)有關(guān)，若用經(jīng)典矢量模型來(lái)近似，則Eex可表示為式中是相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角；A為交換積分常數(shù)；是電子自旋角動(dòng)量。在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子磁矩的夾角值應(yīng)遵循能量最小原理。當(dāng)A0時(shí)，為使交換能最小，則相鄰原于3d電子的自旋磁矩夾角為

7、零，即彼此同向平行排列，即鐵磁性；當(dāng)A0時(shí)，為使交換能最小，相鄰原子3d電子自旋磁矩夾角180，即相鄰原子3d電子自旋磁矩反向平行排列，稱為反鐵磁性耦合，即反鐵磁性；當(dāng)A=0時(shí)，相鄰原子3d電子自旋磁矩間彼此不存在交換作用，或者交換作用十分微弱。在這種情況下，由于熱運(yùn)動(dòng)的影響，原子自旋磁矩混亂取向，變成磁無(wú)序，即順磁性。在稀土金屬中，4f電子半徑較小，僅為0.60.8Å，外層還有5s和5p電子層對(duì)4f電子起屏蔽作用，相鄰的4f電子云不可能重疊，即沒(méi)有象3d金屬那樣存在直接的交換作用。那么4f金屬的磁疇能夠發(fā)生自發(fā)磁化主要是4f電子是局域化的，6s是巡游電子，f電子和s電子之間要發(fā)生交

8、換作用，使6s電子發(fā)生極化現(xiàn)象。而極化的6s電子自旋對(duì)4f電子的自旋有耦合作用，形成以巡游的6s電子為媒介，使磁性的4f電子自旋與相鄰原子的4f電子自旋間接耦合起來(lái)，產(chǎn)生鐵磁性自發(fā)磁化。外磁場(chǎng)對(duì)條形磁體的作用3.2、靜磁能強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)的相互作用能稱為靜磁能EH。外場(chǎng)施加給磁體的力可認(rèn)為有一個(gè)力矩L作用在磁體兩端，力圖使磁體M的方向與H的方向一致。如果轉(zhuǎn)動(dòng)磁體，使角增加d，則需要反抗力矩對(duì)磁體做功，使磁體在外場(chǎng)中的勢(shì)能增加dE=L d。積分后可得磁體在磁場(chǎng)作用下的靜磁能EH3.3、磁晶各向異性能EK單晶體的各向異性場(chǎng)HA沿晶體的某些方向進(jìn)行磁化時(shí)所需要的磁場(chǎng)比沿另外一些方向磁化所

9、需的磁場(chǎng)要小得多，這些方向稱為易磁化方向。當(dāng)沿難磁化方向磁化磁體時(shí)，只有磁化場(chǎng)足夠大才能使其磁化到飽和。Fe、Ni的易磁化方向和難磁化方向分別為(100)、(111)和(111)、(100)等。將磁體沿難磁化方向磁化到飽和所需的外場(chǎng)稱為各向異性場(chǎng)HA。沿難磁化方向磁化需要更大的外場(chǎng)強(qiáng)度，因而HA的存在力圖使原子磁矩轉(zhuǎn)到與易磁化方向平行的方向上。HA的本質(zhì)是磁晶各向異性。沿磁化曲線與J軸包圍的面積是外磁場(chǎng)對(duì)鐵磁體所做的磁化功。我們把沿晶體<uvw>方向磁化與沿晶體易磁化方向磁化兩者之間磁化功差值EK=W<uvw>-W<M>稱為磁晶各向異性能。顯然，沿易軸磁化，

10、磁晶各向異性能最低；沿難軸磁化，磁晶各向異性能最高。高矯頑力材料通常具有較大的磁晶各向異性能。磁晶各向異性能可表示為：Fe、Ni單晶在不同晶軸方向的磁化曲線 a-磁化功；b-Fe； c-Ni式中1、2、3分別是磁化強(qiáng)度M與立方晶體三個(gè)主軸夾角的方向余弦；K1和K2稱為磁晶各向異性常數(shù)。常見(jiàn)的幾種磁性材料的磁晶各向異性常數(shù)如表所示。對(duì)于單軸各向異性材料，磁晶各向異性能可表示為：Ek=Kusin2。其中Ku為感生各向異性常數(shù)。幾種磁性材料的磁晶各向異性常數(shù)材料結(jié)構(gòu)K1/(J/m3)K2/(J/m3)Fe立方48.1×10312×10350%Ni-Fe立方0.5×103

11、-0.2×103Co立方35×103143×103SmCo5立方15500×103Sm2Co17立方3300×103Nd2Fe14B四方5700×1033.4、退磁場(chǎng)與退磁場(chǎng)能一個(gè)環(huán)狀磁體沿其圓周方向磁化時(shí)，形成的磁路是閉合的不存在磁極，也就不產(chǎn)生退磁場(chǎng)，開(kāi)路磁體(有缺口)的兩端則出現(xiàn)磁極，即N極和S極，并在其周圍產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。在材料內(nèi)部這個(gè)附加磁場(chǎng)的方向與磁化方向相反(或接近相反)，起著退磁作用，故稱為退磁場(chǎng)，用Hd表示：開(kāi)路磁體的退磁場(chǎng)式中N稱為退磁因子；“-”號(hào)表示Hd與M的方向相反。退磁因子的大小與磁體形狀和尺寸比有關(guān)。有限長(zhǎng)

12、的長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)橢球體沿長(zhǎng)軸方向的退磁因子Na和短軸方向的退磁因子Nb分別為：式中kl/d稱為尺寸因子，d為短軸方向的半徑。如果是球形試樣，則Na=Nb=Nc=1/3；如果是細(xì)長(zhǎng)的圓柱體，由于k很大，兩端的磁極產(chǎn)生的退磁場(chǎng)很弱，Nc=0，Na=Nb=1/2；如果是無(wú)限大的薄板，Nc=1，Na=Nb=0。由此可見(jiàn)，隨著長(zhǎng)度l的增加，退磁因子迅速減小，如下表所示：在長(zhǎng)軸上磁化的長(zhǎng)橢球、扁橢球和圓柱體的退磁因子K長(zhǎng)橢球退磁因子扁橢球退磁因子圓柱體退磁因子01.001.010.33330.33330.2720.17350.23640.1450.05580.12480.04100.02030.06960.017

13、2200.006750.03690.006171000.0004300.007720.000365000.00002360.0015670.00001410000.00000660.0007640.0000036不妨估計(jì)一個(gè)退磁場(chǎng)的大小。設(shè)加給試樣的外磁場(chǎng)為He，受退磁場(chǎng)影響而減弱后的真實(shí)磁化場(chǎng)為H，不同幾何尺寸試樣的磁化曲線1-環(huán)狀；2-細(xì)長(zhǎng)棒；3-粗短棒以鐵為例，鐵的磁化率1000，當(dāng)鐵制成圓柱試樣l/d50時(shí)，退磁因子N0.00129已相當(dāng)小，但N1.29，由式可見(jiàn)作用在鐵試樣上的真實(shí)磁場(chǎng)僅外磁場(chǎng)的43.67%。從圖中可看出，環(huán)狀試樣在磁場(chǎng)H1時(shí)達(dá)到B1值；細(xì)長(zhǎng)棒狀試樣要達(dá)到B1則需要較

14、大的磁場(chǎng)H2，粗短棒狀試樣則要更大的磁場(chǎng)H3，這正說(shuō)明了退磁場(chǎng)對(duì)磁化的影響。退磁場(chǎng)Hd是磁化強(qiáng)度M的函數(shù)，因而退磁能Ed可表示為：3.5、磁彈性能在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，鐵磁體的尺寸或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁致伸縮。既然材料磁化要發(fā)生磁致伸縮，一旦這種形變受到限制，材料內(nèi)部就要發(fā)生應(yīng)力，因而存在一種彈性能，稱為磁彈性能。磁彈性能的大小將與應(yīng)力的大小和作用方向以及材料的磁致伸縮系數(shù)s有關(guān)。對(duì)于各向同性材料，單位體積中的磁彈性能E有如下表達(dá)式：當(dāng)s和符號(hào)相同，并0時(shí)，磁彈性能最小應(yīng)力的方向是易磁化方向；而90時(shí)，磁彈性能最大，在垂直應(yīng)力的方向是難磁化方向。當(dāng)s和符號(hào)相反時(shí)，0時(shí)能量最大，沿應(yīng)力的方向是難磁

15、化方向；而90的方向磁彈性最小，垂直應(yīng)力的方向應(yīng)是易磁化方向。由此可見(jiàn)，應(yīng)力也會(huì)使材料發(fā)生一種各向異性，稱為應(yīng)力各向異性，它也像磁各向異性那樣影響著材料的磁化。3.6、疇壁能根據(jù)外斯假設(shè)，鐵磁狀態(tài)物質(zhì)中存在大量磁疇。磁疇之間的邊界稱為疇壁。平衡狀態(tài)的磁疇結(jié)構(gòu)應(yīng)具有最小的能量。畸壁的寬度、磁疇的形狀、尺寸和取向等磁疇結(jié)構(gòu)因素是由交換能、退磁場(chǎng)能、磁晶各向異性能及磁彈性能決定的。180疇壁結(jié)構(gòu)疇壁是原子磁矩由一個(gè)磁疇的方向逐漸轉(zhuǎn)向到相鄰磁疇的方向的過(guò)渡區(qū)。疇壁內(nèi)的交換能、磁晶各向異性能與磁彈性能都可能比疇內(nèi)的高，所高出的這部分能量稱為疇壁能，用Ew表示。疇壁單位面積的能量叫疇壁能密度，用w表示，單

16、位為J/m2。如果原子磁矩在相鄰兩原子間突然反向，則交換能的變化為4A2；若在n個(gè)等距離的原面間逐步均勻轉(zhuǎn)向，則在n+1個(gè)自旋磁矩的轉(zhuǎn)向中，交換能的總變化為如果只考慮交換能，則疇壁越厚，交換能越小，即交換能使疇壁無(wú)限地加寬。但n越大，就有更多的原子磁矩偏離易磁化方向使磁晶各向異性能增加，即磁晶各向異性能力圖使疇壁變薄。綜合考慮以上兩方面因素為使總能量最小，可求得疇單能w和疇壁厚度為下式。式中A1=A2/a，A為交換積分常數(shù)，a為點(diǎn)陣常數(shù)，為普朗克常數(shù)。四、永磁材料的技術(shù)磁參量技術(shù)磁參量可分為非結(jié)構(gòu)敏感參量(即內(nèi)稟磁參量)，如飽和磁化強(qiáng)度Ms、居里溫度Tc等，和結(jié)構(gòu)敏感磁參量，如剩磁Mr或Br，

17、矯頑力Hcb或Hcj。磁能積(BH)m等。前者主要由材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)決定；后者除了與內(nèi)稟參量有關(guān)外，還與晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷、摻雜物等因素有關(guān)。4.1、飽和磁化強(qiáng)度Ms磁化過(guò)程中，當(dāng)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)完成后，磁體被磁化到飽和狀態(tài)，此時(shí)所具有的磁化強(qiáng)度稱為飽和磁化強(qiáng)永磁材料的技術(shù)磁化曲線度Ms。永磁材料要求Ms越高越好。Ms決定于組成材料的磁性原子數(shù)、原子磁矩和溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e、Co、Ni的Js分別為2.16T、1.79T和0.6T。以Fe為基體添加Co時(shí)，隨Co含量的增加Js升高，當(dāng)Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40時(shí)，其Js達(dá)到最大值2.4T。除Co以外，所有添加元素均使Fe的Js降低，最

18、近實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。Fe16N2化合物的Js達(dá)到2.83T。而其單晶在4.2K下Js達(dá)到3.2T。當(dāng)合金中存在兩個(gè)鐵磁性相時(shí)，合金的Ms與兩個(gè)鐵磁性相的Ms1和Ms2滿足下式：如第二相是非鐵磁件相(Ms0)，則式中V、Vl和V2分別為合金樣品和樣品內(nèi)兩個(gè)相的體積。上式說(shuō)明減少合金的非鐵磁性相有利于提高合金的Ms。4.2、剩磁退磁曲線與磁滯回線鐵磁體磁化到飽和后，每個(gè)晶粒的磁化矢量都大體上轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)的方向。去掉外磁場(chǎng)后，各晶粒的磁化矢量都轉(zhuǎn)動(dòng)到最靠近外磁場(chǎng)方向的易磁化方向。在磁化方向保留的Mr或Br簡(jiǎn)稱為剩磁。因此多晶體的剩余磁化強(qiáng)度為：式中Vi代表第i個(gè)晶粒的體積，i代表第i個(gè)晶粒的Ms方向與外磁場(chǎng)的

19、夾角；V為樣品的總體積。由于Br0Mr， Br的極限是0Ms。剩磁是組織敏感參量，它對(duì)晶體取向和疇結(jié)構(gòu)十分敏感。上式也說(shuō)明Mr主要決定于Ms和i。為獲得高剩磁，首先應(yīng)該選擇高M(jìn)s材料。i主要決定于晶粒的取向與疇結(jié)構(gòu)，通常用獲得晶體織構(gòu)和磁織構(gòu)的辦法來(lái)提高剩磁。鐵磁性的粉末冶金制品的剩磁與正向疇的體積分?jǐn)?shù)A、粉末顆粒的取向因子Cos、粉末制品的相對(duì)密度d/d0、非鐵磁性的第二相的體積分?jǐn)?shù)以及致密樣品的Ms有關(guān)，即可見(jiàn)提高粉末制品的取向度、提高相對(duì)密度、盡量減少非鐵磁性第二相的體積分?jǐn)?shù)和提高正向疇的體積分?jǐn)?shù)A等是提高材料的剩磁的主要途徑。4.3、矯頑力與矯頑力理論鐵磁體磁化到飽和后，使它的磁化強(qiáng)度

20、或磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力，分別記作Hcj和Hcb，前者為內(nèi)稟矯頑力，后者稱為磁感矯頑力。矯頑力與鐵磁體從Mr到M=0的反磁化過(guò)程的難易程度有關(guān)。和技術(shù)磁化過(guò)程一樣，磁體的反磁化過(guò)程也包括疇壁位移和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)基本方式。、疇壁移動(dòng)引起的矯頑力 在平衡狀態(tài)時(shí)，疇壁位于某處。在磁場(chǎng)的作用下，疇壁向右移動(dòng)了x的距離，則單位面積的疇壁位移了x后，引起靜磁能變化為式中的負(fù)號(hào)表明位移過(guò)程靜磁能是降低的，它是疇壁位移的驅(qū)動(dòng)力。疇壁位移過(guò)程中，疇壁能是升高的。因此疇壁位移了x距離后，系統(tǒng)的能量變化為根據(jù) ，可得式中左邊是靜磁能的變化率，它是推動(dòng)疇壁向石移動(dòng)的驅(qū)功力，右邊是疇壁能梯度，是疇壁

21、位移的阻力。隨著畸壁右移，畸壁位移的阻力逐漸增加。畸壁位移到A點(diǎn)以前，疇壁位移是可逆的。去掉外磁場(chǎng)后畸壁自動(dòng)回到x0處。在A點(diǎn)有最大的阻力峰。一旦疇壁位移到A點(diǎn)，它就要跳躍到E點(diǎn)，即巴克豪森跳躍。此時(shí)去掉外磁場(chǎng)，畸壁再也不能回到x0處，而只能回到D點(diǎn)，即發(fā)生了不可逆的壁移。如果鐵磁體內(nèi)部存在一系列的疇壁能梯度的阻力峰，則疇壁要發(fā)生一連串的巴克豪森跳躍。畸壁由可逆壁移轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢赡娴谋谝扑枰拇艌?chǎng)稱為臨界場(chǎng)Ho，表達(dá)式為一般說(shuō)的使疇壁越過(guò)最大阻力峰所需要的磁場(chǎng)就相當(dāng)于材料的矯頑力。、磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)引起的矯頑力磁矩(或磁化矢量)的轉(zhuǎn)動(dòng)是磁化與反磁化過(guò)程的重要方式之一。隨著磁化進(jìn)行，疇壁消失，磁疇變?yōu)橐粋€(gè)

22、個(gè)單疇顆粒。單疇粒子由于不存在疇壁，繼續(xù)磁化只能通過(guò)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖所示的單疇體中，Ms沿易磁化釉，即x的正方問(wèn)，現(xiàn)在沿x軸的負(fù)方向加反磁化場(chǎng)，使之反磁化。在反磁化場(chǎng)作用下，Ms偏離易軸角，系統(tǒng)總能量為單疇體的反磁化當(dāng)H為一定時(shí)，的取值應(yīng)使E為最小。由于當(dāng)磁化場(chǎng)小于2Ku/oMs以前，單疇體的磁化強(qiáng)度一直停留在0處：當(dāng)反磁化場(chǎng)一旦增加到2Ku/oMs時(shí)，磁矩就立即反轉(zhuǎn)180。這是一種不可逆的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此它的臨界場(chǎng)H0為、矯頑力理論反磁化疇反磁化疇壁位移過(guò)程反磁疇是指技術(shù)飽和后的磁性材料在反向磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的磁矩方向與正向疇磁矩方向相反的磁疇，如圖所示。要形成反磁化疇首先要發(fā)生磁矩旋轉(zhuǎn)并形

23、成磁疇壁。需要磁矩從易磁化軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，致使磁各向異性能增加。而且，由于鄰近原子間的磁矩不再平行，也會(huì)造成交換能的增加。因此，理想狀態(tài)下為產(chǎn)生反磁疇需要的磁場(chǎng)Hn比僅考慮磁各向異性能增加的各向異性磁場(chǎng)HA大。但是，由于晶界附近的結(jié)構(gòu)不完整性以及雜質(zhì)的吸附等，造成磁各向異性及耦合能等的下降；晶粒內(nèi)缺陷及非磁性雜質(zhì)的存在，也會(huì)產(chǎn)生局部的反磁場(chǎng)。基于這些因素，Hn可能比HA低，很容易產(chǎn)生反磁化疇。在反向磁場(chǎng)作用下，反向疇的靜磁能低，反向疇要長(zhǎng)大。疇壁沿箭頭方向移動(dòng)。當(dāng)反磁化場(chǎng)較低時(shí)，疇壁位移是可逆的；當(dāng)反磁化場(chǎng)增加到臨界場(chǎng)時(shí)，疇壁就要發(fā)生不可逆?zhèn)饕啤：痛呕^(guò)程一樣，在不可逆疇壁位移過(guò)程中，疇壁要發(fā)

24、個(gè)若干次巴克豪森跳躍，反向疇跳躍式地長(zhǎng)大。當(dāng)反向疇的體積長(zhǎng)大到和正向疇的體積相等時(shí)，M0，這時(shí)反向場(chǎng)就是矯頑力場(chǎng)Hci。形核場(chǎng)決定的矯頑力(形核場(chǎng)理論) 某些單相的多疇的永磁材料中，如果疇壁位移的阻力十分小，很容易磁化到飽和；同時(shí)，如果材料的磁晶各向異性常數(shù)K1很大，那么在反磁化中形成一個(gè)臨界大小的反磁化疇核就十分困難。而一旦形成一個(gè)臨界大小的反磁化疇核，它就會(huì)迅速地長(zhǎng)大，實(shí)現(xiàn)反磁化。因此形成個(gè)臨界大小的反磁化疇核所需要的反磁化場(chǎng)(稱為形核場(chǎng))就是材料的矯頑力。形核場(chǎng)決定的退磁曲線和磁滯回線(a) 以及矯頑力與磁化場(chǎng)H的關(guān)系( b)在由形核場(chǎng)決定矯頑力的永磁材料中，磁化與反磁化過(guò)程有兩個(gè)特點(diǎn)：

25、1、起始磁化曲線十分陡；2、隨磁化場(chǎng)的增加反磁化場(chǎng)也增大，矯頑力隨之提高。當(dāng)磁化場(chǎng)增加到矯頑力的最大值時(shí)，磁化場(chǎng)繼續(xù)增加而矯頑力不再增加。當(dāng)反磁化核長(zhǎng)大時(shí)，設(shè)其疇壁面積增加dS，則疇壁能增加.wdS，由于反磁化疇核的磁矩與周圍環(huán)境的磁矩方向相反，反磁化核的表面存在退磁場(chǎng)。當(dāng)反磁化疇核長(zhǎng)大時(shí)，退磁場(chǎng)能增加dEd，反磁化疇核的長(zhǎng)大是疇壁位移過(guò)程，疇壁位移克服最大阻力所做的功為2H0Ms0dV，其中H0是反磁化疇核發(fā)生不可逆長(zhǎng)大時(shí)所需的磁場(chǎng)。dV為反磁化疇核長(zhǎng)大時(shí)體積的增量。反磁化疇核的長(zhǎng)大是在反磁化場(chǎng)的作用下進(jìn)行的，其靜磁能的變化為2HMs0dV，上述四項(xiàng)能量中，前三項(xiàng)限礙反磁化疇核長(zhǎng)大，而后一項(xiàng)

26、促進(jìn)反磁化疇核長(zhǎng)大。因此反磁化疇核長(zhǎng)大的能量條件為Hs稱為形核場(chǎng)(或稱發(fā)動(dòng)場(chǎng))，也就是矯頑力。形核場(chǎng)與疇壁密度w成正比，疇壁能密度很大的材料，形核場(chǎng)可以很大，矯頑力也很高，如SmCo合金的矯頑力由形核場(chǎng)決定，其矯頑力可達(dá)到1200-4800kA/m。如果永磁體內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不完整或化學(xué)成分不均勻?qū)?huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的w不均勻，出現(xiàn)某些低w的區(qū)域，這些區(qū)域可成為反磁化畸核的形成中心，使材料過(guò)早地實(shí)現(xiàn)反磁化，導(dǎo)致矯頑力的降低。在磁體內(nèi)可能成為反磁化疇形核中心的有空洞、非鐵磁性摻雜物或第二相、晶粒邊界、反相疇界、位錯(cuò)、堆垛層銷等晶體缺陷。對(duì)于形核場(chǎng)決定其矯須力的磁性材料來(lái)說(shuō)，要力爭(zhēng)最大限度地減少反磁化疇的

27、形核中心，這是提高矯頑力的重要途徑。釘扎場(chǎng)決定的矯頑力(釘扎場(chǎng)理論)復(fù)相合金中釘扎場(chǎng)決定矯頑力的磁化曲線、磁滯回線(a)以及矯頑力和磁場(chǎng)的關(guān)系(b) 在某些復(fù)相多疇的永磁材樹(shù)中，其成分、結(jié)構(gòu)不均勻，疇壁能密度也是起伏不均，熱退磁狀態(tài)下疇壁一般都處于疇壁能的最低處。在施加外磁場(chǎng)使之磁化時(shí)，使疇壁離開(kāi)疇壁能低的位置是十分困難的，也就是說(shuō)疇壁已被疇壁能低的位置或(中心)釘扎住了。這種鐵磁體的磁化與反磁化過(guò)程的特點(diǎn)如圖所示。熱退磁狀樣品隨磁化場(chǎng)的增加，起初磁化強(qiáng)度增加十分緩慢，當(dāng)磁場(chǎng)增加到一個(gè)臨界場(chǎng)(HP)時(shí)，磁化強(qiáng)度急劇增加，直到飽和。只要磁化場(chǎng)大于HP，矯頑力就達(dá)到最大值。如圖所示。HP稱為釘扎場(chǎng)

28、，釘扎就等于矯頑力。復(fù)相永磁體的疇壁釘扎中心可是第二相、相邊界或晶體缺陷如晶界、空位、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、反相疇邊界等。不同的釘扎中心對(duì)疇壁的釘扎機(jī)理和釘扎場(chǎng)是不同的。如點(diǎn)缺陷主要指空位和錯(cuò)位原子。在SmCo5-x或SmCo5+x化合物中，存在高濃度的空位或Co的錯(cuò)位原子，它們破壞原子間的近鄰關(guān)系，因而引起交換作用或磁晶各向異性的擾動(dòng)，引起疇壁能起伏，從而造成對(duì)疇壁的釘扎。位錯(cuò)力是一種長(zhǎng)程力(大于原子間距為長(zhǎng)程)，位錯(cuò)與應(yīng)力的相互作用是通過(guò)應(yīng)力與磁致伸縮的耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在3d金屬及合金中，位錯(cuò)將是疇壁的很強(qiáng)的釘扎中心，而稀土鈷化合物中位錯(cuò)是較弱的釘扎中心。有氣隙磁體的示意圖4.4、磁能積(BH

29、)m永磁材料用作磁場(chǎng)源或磁力源(動(dòng)作源)，主要是利用它在空氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)。圖為有氣隙的環(huán)狀磁鐵。設(shè)Sm、Lm、Bm、Hm和Sg、Lg、Bg、Hg分別代表磁鐵與氣隙的截面積、長(zhǎng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)廢。根據(jù)安培環(huán)路定律，可得磁動(dòng)勢(shì)守恒原理，即根據(jù)磁通連續(xù)性原理，得式中Vm、Vg分別代表磁鐵和氣隙的體積。磁鐵在空氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hg除了與Vm、Vg有關(guān)外，主要決定于磁鐵內(nèi)部的Bm和Hm的乘積。因此BmHm代表永磁體的能量，稱為磁能積。開(kāi)路(有缺口)永磁體的退磁曲線上各點(diǎn)的磁能積隨B的變化如圖，其中BdHd(BH)m為最大磁能積。(BH)m越大，在氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)越大，因此要求永磁體的(B

30、H)m越大越好。退磁曲線與理論磁能積如果測(cè)出了退磁曲線，可近似地求出磁鐵的磁能積：由Br點(diǎn)做縱軸的垂直線，由Hcb點(diǎn)做橫軸的垂直線，兩直線相交于s點(diǎn)。坐標(biāo)原點(diǎn)與S的聯(lián)線與退磁曲線相交于D點(diǎn)。與D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Bd和Hd的乘積，就是最大磁能積，單位是kJ/m3。(BH)m/(BrHcb)稱為退磁曲線的隆起度，磁能積還可表示為實(shí)際永磁體可獲得的(BH)m除了與材料的Ms有關(guān)外，還與工藝因素密切相關(guān)。4.5、退磁曲線的方形度(隆起度,磁滯回線的矩形性)退磁曲線的方形度取決于充磁方向與易磁化軸方向所成角度。易磁化軸方向與磁場(chǎng)方向完全一致時(shí)可得矩形磁滯回線。角度出現(xiàn)偏差或不一致，矩形性下降，磁體性能下降。這是

31、因?yàn)锽r隨而變化。如果=0，cos=1，Br=Js，則磁性體的磁極化強(qiáng)度全部保留為剩磁。相反，若磁化方向與易磁化軸方向垂直，由于90，則Br0，磁滯回線的肩部會(huì)在第二象限完全消失，造成(BH)m0。五、如何提高永磁體的強(qiáng)度作為永磁體強(qiáng)度的最大磁能積(BH)m是表征永磁體性能的最主要指標(biāo)。為使(BH)m盡可能大，需要幾個(gè)條件。首先，Br要高；其次，因反磁場(chǎng)造成的Br減少應(yīng)盡量小，也就是說(shuō)，方形度要盡量大：最后，具有較大的矯頑力。上述特征都與材料的晶體微觀組織密切相關(guān)，在制造工藝中應(yīng)采取一系列措施加以保證。因此，原始的材料設(shè)計(jì)、原材料的制造、材料配合等十分重要。5.1、提高剩磁的方法為提高殘留磁化

32、強(qiáng)度，要選用飽和磁化強(qiáng)度高的物質(zhì)，同時(shí)要通過(guò)制造工藝等保證方形度接近1。實(shí)際的工藝過(guò)程中，可采用下述技術(shù)實(shí)現(xiàn)單軸磁各向異性。這些技術(shù)包括：使鑄造組織柱狀晶化；通過(guò)冷加工形成加工纖維組織；通過(guò)磁場(chǎng)中加工誘導(dǎo)磁各向異性；通過(guò)磁場(chǎng)中熱處理誘導(dǎo)磁谷向異性。、柱狀晶化熔融金屬冷卻凝固時(shí)得到的金屬結(jié)晶組織稱為鑄造組織。典型的幾類宏觀組織如圖所示。冷卻效果由冷卻條件和材料決定。一般說(shuō)來(lái)，表層細(xì)晶區(qū)的形成主要與靠近模壁液體引起的強(qiáng)烈過(guò)冷以及模壁對(duì)形核的催化作用有關(guān)。由于大量自發(fā)與非自發(fā)晶核的形成和迅速成長(zhǎng)的結(jié)果產(chǎn)生了激冷層。在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁開(kāi)始受熱升溫，加之結(jié)晶潛熱的釋放作用，液體的冷卻速度和過(guò)冷度迅

33、速減小，形核率也迅速降低。由于沿垂直模壁的方向散熱最快，以及細(xì)晶區(qū)各晶粒的結(jié)晶位向不同，只有那些主枝晶與熱流方向平行的晶粒將擇優(yōu)生長(zhǎng)，形成粗大的垂直于模壁的柱狀晶區(qū)。在中心區(qū)域，熔液中有許多細(xì)小的枝晶作為晶核的，但由于冷卻速度和過(guò)冷度進(jìn)一步下降，晶粒可以充分長(zhǎng)大，形成粗大的等軸晶。若控制熱流向某一方向流動(dòng)，可得沿該方向相反方向凝固的柱狀晶。稱這種方法為熱流控制凝固或定向凝固，這是獲得晶體學(xué)各向異性的方法。鐵的柱狀晶沿100方向延伸，而100方向正好是鐵的易磁化方向。因此，對(duì)于這類材料，通過(guò)柱狀晶化，即可得到明顯的磁各向異性。實(shí)際的永磁材料，例如AlNiCo永磁體就是采取柱狀晶化提高其磁性能。典

34、型鑄錠宏觀組織示意圖(a)快冷；(b)冷卻不充分；(c)緩冷、加工纖維組織多晶體金屬材料經(jīng)拔絲、軋制、擠壓、壓縮等塑性變形，由于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)等，晶粒的晶體學(xué)方位發(fā)生一定程度的定向排列，稱其為擇優(yōu)取向、織構(gòu)等。這種因加工產(chǎn)生的定向排列組織稱為加工組織或加工織構(gòu)。加工織構(gòu)由加工方法和材料雙方?jīng)Q定。例如對(duì)Fe來(lái)說(shuō)，其加工織構(gòu)舉例如下：拉拔加工；110，即晶粒的110方向指向拉拔方向；擠壓加工：111、001，即晶粒的001或111方向指向擠壓方向。磁粉在磁場(chǎng)中壓縮成型加工纖維組織會(huì)因拉拔(拉絲)、軋制、壓縮(含鍛造)等塑性變形方式的不同，呈現(xiàn)各種各樣的類型，而且其還受材料及溫度組合條件的影響。在制作薄板

35、及細(xì)絲狀永磁體時(shí)，可通過(guò)塑性加工，使析出物產(chǎn)生變形織構(gòu)而誘導(dǎo)磁各向異性。、磁場(chǎng)中加工誘導(dǎo)磁各向異性在用磁體加工成形過(guò)程中，通過(guò)施加外部磁場(chǎng)，誘導(dǎo)磁各向異性，可以顯著改善永磁體的矩形比。其中在壓制過(guò)程中施加外部磁場(chǎng)可制取各向異性永磁體。在磁場(chǎng)作用下，被磁化的磁粉都成為在磁化方向具有N、S磁極的單磁疇微粒，這些微粒可以像小磁針那樣在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)。在此狀態(tài)下壓縮成型，可得到易磁化軸一致的壓縮磁體。這種壓縮粉體經(jīng)燒結(jié)或經(jīng)樹(shù)脂固化，可以制成磁滯回線矩形性良好的永磁體。易磁化軸取向一致的磁體稱為各向異性磁體，顯示出優(yōu)異的磁特性。易磁化軸無(wú)序分布的磁體稱為各向同性磁體。由于各向同性永磁體中的易磁化軸方向是無(wú)序

36、分布的，因此，其在各個(gè)方向的磁特性是相同的。但是其磁滯回線的矩形性差，(BH)m較低，、磁場(chǎng)中熱處理誘導(dǎo)磁各向異性合金系永磁體在鐵磁相析出過(guò)程中，施加外部磁場(chǎng)，可使新形成的鐵磁相沿磁場(chǎng)方向呈細(xì)長(zhǎng)狀生長(zhǎng)。在鐵系合金中，使高溫相的兩相分解熱處理在磁場(chǎng)中進(jìn)行，這樣析出的鐵磁性晶粒可在磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)。在磁場(chǎng)中進(jìn)行熱處理得到的合金永磁體的金相組織可明顯地看出，鐵磁性晶粒在磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)。由于附加了形狀磁各向異性，熱處理中的磁場(chǎng)方向即為易磁化軸方向。利用磁場(chǎng)熱處理使鐵磁性晶粒產(chǎn)生趨向排列(a)與磁場(chǎng)平行組織；(b)與磁場(chǎng)垂直組織5.2、提高矯頑力的方法 控制矯頑力的因素可以分為兩大類。第一類是材料的成分因素，

37、凡添加使Nd2Fe14B基體相的各向異性常數(shù)K1提高的元素，都有利于提高矯頑力；否則相反。第二類是顯微結(jié)構(gòu)因素，對(duì)矯頑力的影響住往起著重要的作用。、合金元素在實(shí)際NdFeB系永磁材料中，除了Nd、Fe、B、O等元素，還可能含有其它稀土元素和Fe以外的其他金屬元素。下表是R2Fe14B化合物在295K的磁性能。可見(jiàn)Pr的Tc、Jr與HA與Nd的相近，可用Pr部分取代Nd來(lái)制造燒結(jié)永磁體。由于目前Pr的價(jià)格較低，用Pr部分取代Nd又可降低成本。除Pr外，所有輕稀土元素的磁性能均比Nd的低。為制造高Hc的燒結(jié)NdFeB永磁體，應(yīng)盡可能避免其他輕稀土元素(如La、Ce等)進(jìn)入磁體。在重稀土元素中，Dy和Tb的HA比Nd的高2倍和3倍，用部分Dy