1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。磁性材料基本要求-磁性材料基本要求一、熟練掌握基本概念：磁矩：磁偶極子等效的平面回路的電流和回路面積的乘積，m=iS，方向由右手定則確定，單位Am2。磁化強度（M）：定義單位體積磁性材料內磁矩的矢量和稱為磁化強度，用M表示，SI單位為A/m。CGS單位：emu/cm3。換算關系：1103A/m=emu/cm3。磁場強度（H）：單位強度的磁場對應于1Wb強度的磁極受到1牛頓的力。SI單位是Am-1。CGS單位是奧斯特(Oe)。換算關系：1A/m=4/103Oe。磁化曲線：磁體從退磁狀態開始到磁化飽和的過程

2、中，磁感應強度B、磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關系曲線。退磁曲線：磁滯回線在第二象限的部分稱為退磁曲線。退磁場：當一個有限大小的樣品被外磁場磁化時，在它兩端出現的自由磁極將產生一個與磁化強度方向相反的磁場。該磁場被稱為退磁場。退磁場的強度與磁體的形狀及磁極的強度有關存在：Hd=-NM。飽和磁感應強度Bs(飽和磁通密度)：磁性體被磁化到飽和狀態時的磁感應強度。SI單位是特斯拉T或Wbm-2；CGS單位是高斯(Gauss)。換算關系：1T=104G。磁導率：定義為磁感應強度與磁場強度之比，表示磁性材料傳導和通過磁力線的能力單位為亨利米（m-1）起始磁導率：磁性體在磁中性狀態下磁導率的極限值。

3、磁化率定義為磁化強度與磁場強度之比：=M/H居里溫度：即鐵磁性材料（或亞磁性材料）由鐵磁狀態（或亞鐵磁狀態）轉變為順磁狀態的臨界溫度，在此溫度上，自發磁化強度為零。磁各向異性：磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應力各向異性等。磁致伸縮效應：磁性材料由于磁化狀態的改變，其長度和體積都要發生微小的變化，這種現象稱為磁致伸縮或磁致伸縮效應。磁疇：在未加外磁場時鐵磁體內部已經自發磁化到飽和狀態（每一個磁矩取向一致）的小區域。磁疇壁：相鄰兩磁疇之間磁矩按一定規律逐步改變方向的過渡層。技術磁化：在外磁場作用下，鐵磁體從完全退磁狀態磁化至飽和的內部變化

4、過程。內稟矯頑力(MHc)：從磁性體的飽和磁化狀態，沿飽和磁滯回線單調改變磁場強度H，使磁化強度M減小到0的磁場強度。通常有：|MHc|BHc|。最大磁能積（BH）max：退磁曲線上磁能積最大的一點，工程應用中通常將(BH)max稱為磁能積。磁能積是表征永磁材料中能量大小的物理量。SI單位：kJ/m3，CGS單位：MGOe。換算關系：1MGOe=(102/4kJ/m3.在磁性材料的技術磁參量中，Ms,Tc，s,K等內稟磁參量對組織結構不敏感，它們主要取決于材料的化學成分。外稟磁參量:Hc、Mr或Br、磁導率、損耗、磁能積等對材料結構（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當的工藝改

5、變。磁滯損耗：磁滯回線所包圍的面積相當于磁化一周所產生的能量損耗。動態磁滯回線：鐵磁體在周期性變化的交變磁場中時，其磁化強度也周期性地反復變化，構成動態磁滯回線。它與靜態磁滯回線有相似之處，也有差別：在相同的磁場強度范圍內，動態磁滯回線比靜態磁滯回線的面積大一些。因在靜態磁場下，只有磁滯損耗；而在交變磁場下，除了磁滯損耗外還有渦流損耗和剩余損耗。磁譜：磁譜是指鐵磁體在交變磁場中的復數磁導率的實部和虛部隨頻率變化的關系曲線。截止頻率fr：在材料的磁譜曲線上，復數磁導率的實部下降到初始值的一半或虛部達到極大值時所對應的頻率稱為該材料的截止頻率。材料的截止頻率fr與起始磁導率i有密切的關系。般而言，

6、材料的起始磁導率i越低，其截止頻率fr越高。品質因數Q:Q表示軟磁材料在交變磁化時，能量的貯存和能量的損耗之比。Q值是復數磁導率的實部和虛部之比。因此有：Q=/.損耗因子tan:損耗角的正切tan稱為材料的損耗因子。損耗因子可以定義為復數磁導率的虛部與實部購比值，其物理意義為鐵磁材料在交變磁化過程中能量的損耗與貯存之比。tan=1/Q低自旋態：在強晶場下，當電子軌道分裂能隙大于電子成對能(Ep)時，洪德法則不再成立。電子由最低能級開始填充，如果電子填充到與上一個能級之間的能隙大于電子成對能時，電子將以相反的自旋填充到最低能級軌道并成對，因而最低能級的電子軌道同時有兩個自旋相反的電子占據，而能量

7、高的電子軌道沒有電子占據。這種電子組態稱為低自旋態。高自旋態：在弱晶場下，當電子軌道分裂能小于電子成對能(Ep)時，洪德法則成立。電子由最低能級開始填充，一直到最高能級，過半滿后，電子以相反的自旋填充到最低能級。這種電子組態稱為高自旋態。軌道角動量凍結：在晶場的作用下3d過渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子的自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒有貢獻。此現象稱為軌道角動量凍結。常見的鐵氧體，按晶格類型分為三種：（1）尖晶石型鐵氧體；（2）石榴石型鐵氧體；（3）磁鉛石型鐵氧體第三章.材料的磁學性能基本參量分子電流理論磁荷（等效）理論相互關系磁矩：磁偶極矩：磁化強度：磁極化強度：磁場強度：H磁感應強度：

8、B磁化率：=M/H磁導率：=B/H二，基本關系；三，單位換算SI：CGS：B:T;H:A/m;M:A/mB:G(Gauss);H:Oe;M:emu/cm3;（特斯拉）或Wb/m2B:1T=104G;H:1103A/m=4Oe;M:1103A/m=emu/cm3;按矯頑力分類：軟磁材料：Hc1000A/m(12.5Oe)半硬磁材料：Hc:1001000A/m(1.2512.5Oe)。例1牌號為1J46的冷軋鐵鎳軟磁薄帶的飽和磁化強度為Ms=11.9105Am-1，則飽和磁極化強度Js為_T（特斯拉），沿薄膜法向的退磁場Hd為_Am-1，最大矯頑力Hc=20A/m，相當于Hc=_Oe（奧斯特）。（

9、注：0=410-7Hm-1）。MagneticTermSymbolSIunitCGSunitconversionfactormagneticinductionBTesla(T)Gauss(G)1T=104GmagneticfieldHA/mOersted(Oe)1A/m=4/103OemagnetizationMA/memu/cm31A/m=10-3emu/cm3massmagnetizationAm2/kgemu/g1Am2/kg=1emu/gmagneticmomentmAm2emu1Am2=103emuvolumesusceptibilitydimensionlessdimensionl

10、ess4(SI)=1(cgs)masssusceptibilitym3/kgemu/Oeg1m3/kg=103/4emu/Oegpermeabilityoffreespace0H/mdimensionless4x10-7H/m=1(cgs)A=Amperecm=centimeteremu=electromagneticunitg=gramkg=kilogramm=meterH=HenrySI制：B=0（H+M）；B的單位是T或Wb/m2；M和H的單位是A/m。在高斯（Gauss）單位制中：B=H+4M；B的單位是高斯G；H的單位是奧斯特（Oe）；M的單位是emu/cm3，即emu/cc。基本換

11、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：普朗克常數h=6.62610-34Js；玻爾茲曼常數k=1.3810-23J/K；0=410-7Hm-1；c=3108m/s；電子電荷量e1.610-19庫侖；電子質量me=9.1093818810-31公斤；波爾磁子B=eh/（4me）=9.27310-24Am2。三、原子磁矩基態原子的電子結構占據殼層的規律：洪特法則：(1).在泡利原理許可的條件下，總自旋量子數S取最大值S=Sz；(2)

12、.在滿足以上條件下，總軌道角動量量子數L取最大值L=mz；(3).總角動量量子數J有兩種取法：電子填充未半滿時，J=L-S，電子數等于或超過一半時，J=L+S。例1：Pr3+離子（未滿殼層4f2）：（1）總自旋量子數S：電子填充未達半滿時，基態下兩個電子相互平行,總自旋量子數S=Sz=2（1/2）=1；（2）總軌道角動量量子數L：這兩個電子優先占據mz=3，2兩個軌道，總軌道角動量量子數L=5；（3）總角動量量子數J：由于殼層未半滿，總角動量量子數J=L-S=4；（4）離子磁矩（有效磁矩）J：根據=3.58B，其中蘭德因子：=4/5。4f2電子的自旋和軌道角動量排列示意圖：m：3210-1-2

13、-3L=5S：S=1J=L-S例2：Dy3+的離子（未滿殼層為4f9）（1）總自旋量子數S：電子填充超過半滿時，基態下自旋角動量S是由未成對的另外五個自旋向上電子決定，總自旋量子數S=Sz=5（1/2）=5/2；（2）總軌道角動量量子數L：電子填充超過半滿時，總軌道角動量L是由自旋向下的二個軌道決定，總軌道角動量量子數L=mz=3+2=5；（3）總角動量量子數J：由于殼層超過半滿，總角動量量子數：J=L+S=15/2。；（4）離子磁矩（有效磁矩）J：根據=10.63B，其中蘭德因子：=4/3。Dy3+離子4f9電子的自旋和軌道角動量排列示意圖：m：3210-1-2-3S：S=5/2L=mz=3

14、+2=5J=L+S例3：試計算Fe3+（或Fe2+）的基態磁矩為5B(4B)。（有幾個未成對電子，就有幾個B）。（提示：過渡元素的原子或離子組成物質時，軌道角動量凍結，因而不考慮L（L=0）。解：Fe3+電子組態：3d5，m：210-1-2L=0S：S=5/2；J=L+S=S=5/2；基態的光譜項6S5/2；gJ=2Fe+23d6S2m：210-1-2L=2S：S=2；L=2；S=2；J=4；基態的光譜項2S+1LJ：5D4；。四、晶場作用（1）晶場中軌道角動量的凍結：在晶場的作用下3d過渡金屬的磁性離子的原子磁矩僅等于電子自旋磁矩，而電子的軌道磁矩沒有貢獻。此現象稱為軌道角動量凍結。（2）分

15、裂后d軌道中電子的排布高自旋態和低自旋態在八面體中，d1-3型離子，按洪特規則，其d電子只能分占三個簡并的d低能軌道，即只一種方式。而d4-7型離子，有兩種可能:當Ep時，因電子成對需要能量高，故d電子將盡量分占軌道而具有最多自旋平行的成單電子的狀態，即高自旋態；反之當Ep時，則因躍遷進入d軌道需要能量較高，d電子將盡量占據低能級軌道并成對，而具有較少的成單電子，即低自旋態。高自旋態即是較小的弱場排列，不夠穩定，成單電子多而磁矩高，具順磁性。低自旋態即是較大的強場排列，較穩定，成單電子少而磁矩低。（3）姜-泰勒（Jahn-Teller）效應銅尖晶石鐵氧體在高溫下是立方晶體，而在室溫下不再是立方

16、晶體而畸變為正方晶體，這種晶體畸變現象，稱為Jahn-Teller效應。一般發生在尖晶石型的化合物和鈣鈦礦型化合物(AB2O4和RTO3類型的化合物)。畸變程度：在高能的eg軌道上出現簡并態（eg軌道電子排布不平均），產生大畸變。在低能的t2g軌道上出現簡并態（t2g軌道電子排布不平均），產生小畸變。在所有軌道電子排布都平均則無畸變。姜-泰勒穩定化能：在姜-泰勒效應中，幾何構型的畸變導致基態的能級能量降低，從而使體系獲得額外的穩定化能(能量降低值)，稱為姜-泰勒穩定化能。五、軟磁材料（一）、對軟磁材料基本性能的要求：初始磁導率i和最大磁導率max要高；b.矯頑力Hc要小；c.飽和磁感應強度Ms

17、要高;d.功率損耗P要低；e.高的穩定性。（二）、提高軟磁材料起始磁導率的途徑有:(a).提高飽和磁化強度。因材料的起始磁導率i與Ms的平方成正比，提高Ms的大小有利于提高起始磁導率；(b).降低磁晶各向異性常數K1和磁致伸縮系數s：從配方和工藝上選用K1和s很小的鐵氧體作為基本成分。(c).改善材料的顯微結構：選擇原料純度高、活性好、適當的熱處理條件，可以使燒成的材科結構均勻、雜質和氣孔較少。晶粒增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。磁疇織構是使磁疇沿磁場方向取向，從而提高i值。(d).降低內應力：由磁化過程的磁致伸縮引起的內應力，它與s成正比，選擇低s材料。燒結后冷卻速度太快，會造成

18、晶格畸變，產生內應力。可以采用低溫退火消除。氣孔、雜質、晶格缺陷等因素在材料內部產生應力。通過原材料的優選以及工藝過程的嚴格拉制來消除。（三）、非晶態軟糍材料的優勢：非晶態軟磁材料的特點：（1）由于不存在阻礙疇壁移動的位錯和晶界，因而具有高磁導率和低矯頑力,軟磁綜合性能遠優于鐵氧體軟磁；（2）因電阻率比同種晶態材料高，渦流損耗小，適用與高頻場合；（3）機械強度和硬度較高，抗化學腐蝕能力強。（4）體系自由能較高，加熱時有晶化傾向。（5）在性價比和市場占有率上還不及對鐵氧體。在高技術領域的應用中它將大顯身手。非晶態磁性材料的制備方法：（1）氣相沉積法；（2）液相急冷法（快速冷凝技術）；（3）高能離

19、子注入法（噴丸法）。（四）、軟磁材料的分類、及各自的磁性能和應用場合：軟磁材料可以分為以下幾大類：（1）合金。如硅鋼(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙臺斯特合金(Fe-Si-Al)等。金屬軟磁材料的飽和磁化強度高于鐵氧體，因此廣泛應用于發電機、變壓器、馬達等電力、電子、通信等領域。但它低電阻率的特性導致趨肪效應，渦流損耗限制了其在高頻段的應用。（2）軟磁鐵氧體。這方面主要有：MnZn系、NiZn系、MgZn系等。MnZn鐵氧休是具有尖晶石結構的mMnFe2O4nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。軟磁鐵氧體的性能常因應用而異，但通常希望高磁導率、低損耗。多用于變壓器、線圈、

20、天線、磁頭、開關等。（3）非晶態、納米晶軟磁材料。由于不存在阻礙疇壁移動的位錯和晶界，因而具有高磁導率和低矯頑力,軟磁綜合性能遠優于鐵氧體軟磁。另外，因電阻率較高，渦流損耗小，機械強度和硬度較高，抗化學腐蝕能力強。但在性價比和市場占有率上還不及對鐵氧體。在高技術領域的應用中它將大顯身手。起始磁導率是軟磁材料的重要參數。它與材料的飽和磁化強度Ms的平方成正比，與材料的K1和s成反比，與材料中的內應力，和雜質濃度成反比。其中，Ms、K1和s是材料的基本磁特性參數，是決定磁導率的主要因素，基本上不隨加工條件和應用情況變化。而和的大小及其對磁導率的影響會隨加工條件和實際情況而變化。重點掌握：金屬軟磁材

21、料：電工純鐵、硅鋼、坡莫合金的主要化學成分、磁性能、及熱處理工藝。鐵氧體軟磁：MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、MgZn鐵氧體的軟磁特性。非晶態軟磁材料：Fe基、Co基非晶；FinementFT-1KM納米晶的結構、制備工藝與磁性。六、永磁材料（一）、對永磁材料的基本性能要求：(1).矯頑力Hc要高；(2)剩余磁感應強度Br要高；(3)最大磁能積(HB)max要高；(4)從實際應用用角度考慮，材料穩定性要高。（二）、提高永磁材料的矯頑力Hc的途徑有:(1).可將材料做成單疇集合體；(2).選擇高磁晶各向異性(高K1值)的材料；(3).適當增大非磁性摻雜含量并控制其形狀(最好是片狀摻雜)和彌散度(

22、使摻雜尺寸和疇壁寬度相近)；(4).選擇高磁致伸縮材料，增加材料中內應力的起伏。（三）、提高永磁材料的剩磁Mr的途徑有:定向結晶：采用熱流控制的定向凝固技術，在柱狀晶晶粒長大方向誘導易磁化軸。塑性變形：多晶體金屆材料經拔絲、軋扳、擠壓、壓縮等塑性加工變形，由于晶粒轉動，使晶粒產生加工組織或加工織構，從而誘導磁各向異性。磁場成型：在永磁體加工成型過程中，通過施加外部磁場使磁性顆粒的易磁化軸沿磁場方向取向，以較高永磁體的剩磁Br。磁場熱處理：將材料放在外部磁場中進行熱處理，可以控制熱處理過程中鐵磁性相顆粒的析出形態，并使磁矩沿磁場方向擇優取向。（四）、永磁材料的分類、及各自的磁性能和應用場合：永磁

23、材料可以分為以下幾大類：（1）金屬永磁材料：主要包括鋁鎳鈷(A1-Ni-Co)系和鐵鉻鈷(Fe-Cr-Co)系兩類永磁合金；最大磁能積（BH）max可達40kJ/m3。60年代前，鋁鎳鈷磁鋼在永磁材料中占主導地位。（2）鐵氧體永磁材料：這是一類以Fe2O3為主要組元的復合氧化物強磁材料，最常見的有：鋇鐵氧體（BaO6Fe2O3）和鍶鐵氧體（SrO6Fe2O3）。磁性能居中，最大磁能積（BH）max可達32kJ/m3，抗退磁性能優良，不存在氧化問題。性價比高，目前產值約占永磁材料總產值的40。電阻率高，特別適合在高頻和微波領域應用。（3）稀土系永磁材料，這是類以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金

24、屬間化合物，包括鈷基的SmCo5系和Sm2Co17系列，以及鐵基的Nd-Fe-B系永磁材料。SmCo5永磁體：具有很高的磁晶各向異性常數，K1=15-19103kJ/m3，Ms=890kA/m。其理論磁能積達244.9kJ/m3。做成磁體以后，SmCo5永磁體的磁能積達147.3kJ/m3，剩磁Br=0.8-0.95T。居里溫度為740度，工作溫度范圍：-50150度。Sm2Co17永磁體：具有高Tc=926度，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0Ms1.63T,其理論最大磁能積高達525.4kJ/m3，實際值238.8kJ/m3。但矯頑力偏低。Nd-Fe-B永磁體：0Ms1.57T，Tc=585K，室溫各向異性常數K1=4.2MJ/m3，各向