高矫顽力永磁材料一、高矫顽力永磁材料概述铁磁材料是与人们生产生活密切相关的一种功能材料。根据铁磁性材料的矫顽力不同，可将其分为永磁材料和软磁材料。永磁材料的矫顽力一般均大于1000A/m，而软磁材料的矫顽力一般小于100A/m，最低可达0.08A/m左右。由于软磁材料的矫顽力低，技术磁化到饱和并去掉外磁场后很容易退磁。永磁材料矫顽力高，磁化饱和并去掉外磁场后仍能长期保持很强的磁性，因此又称为恒磁材料。永磁材料在外磁场中磁化时，外磁场对永磁体做的功称为磁化功。对于闭路永磁体来说，磁化功以磁能(BH)m的形式贮存于材料内部。对于开路永磁体来说，磁化功一部分贮存于永磁材料内部另部分以磁场的形式贮存于两磁极附近的空间。所以，永磁体是一个贮能器。利用永磁体磁极的相互作用和气隙磁场可以实现机械能或声能和电磁能的相互转换，制成多种功能器件：利用磁场与运动导线的相互作用，制造发电机、话筒、传感器，将机械能或声能转变为电能或电信号；利用磁场与载流导线的相互作用可制各种永磁电机，如音圈电机、步进电机以及扬声器、耳机等，将电能或电信息转变为机械能、声能或非电信息等；利用磁极间的相互作用力可实现磁传动、磁悬浮、磁起重、磁分离等；利用磁场与荷电粒子的相互作用做成各种微波功率器件。如微波通讯中的行波管、返波管、环行器等；利用磁场对物质产生的各种物理效应，如磁共振效应、磁化学效应、磁生物效应、磁光效应、磁霍耳效应等，制造核磁共振成像仪、霍耳探测器等；利用磁场使宏观物质磁化以改变其内部结构或键合力的性质与状态，制造磁水器、磁防蜡器、磁疗器件等。矫顽力是永磁材料自身性能抵御外界磁场变化的一种能力。随着磁性器件，尤其是信息、通讯、计算机领域所用器件(如HDD、FDD、CD-ROM、FAX等)向小型化、轻型化、高速化、低噪声化方向发展，人们对高矫顽力永磁材料的需求不断增大。材料的矫顽力越高，表明它抗退磁能力越强，产生的磁场越不容易受外界干扰。同时，材料的矫顽力高，具有较好的温度稳定性，可在较高的温度下工作。同时其负载性可低一些，磁体可做得更薄一些，有利于永磁体薄型化和轻量化。而且，材料的高矫顽力化有利于提高材料的磁能积。所以，在要求稳定的高静磁场的马达以及扩音器等小型马达、电动机以及核磁共振等大型仪器设备等方面的应用，高矫顽力材料有其独到之处。二、一些磁学参量和磁化曲线一个宏观磁体由许多具有固有原子磁矩的原子组成，当原子磁矩同向平行排列时，对外显示的磁性最强；当原子磁矩紊乱排列时，对外不显示磁性。宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M。为了描述材料的磁化状态(磁化强度和方向)，通常引入磁化强度矢量的概念。把每单位体积(或每摩尔、每克)内的磁矩定义为磁化强度。式中为原于磁矩，V为磁体的体积，n为体积为V内的磁性原子数。任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，还要产生一个附加的磁场。物质内部的外磁场和附加磁场的总和称之为磁感应强度B。真空中的磁感应强度和外磁场成正比。式中0为真空磁导率。在物质内部磁感应强度为铁磁性物质的磁化曲线B的单位为Wb/m2，1Wb/m21T。J称为磁极化强度，单位为Wb/m2有时也称为内禀磁感应强度。热退磁状态的铁磁性物质的M、J和B随磁化场H的增加而增加的关系曲线称为起始磁化曲线，简称为磁化曲线，它们分别称为M-H、J-H、B-H磁化曲线。Ms、Js。Bs分别为饱和强化强度、饱和磁极化强度以及饱和磁感应强度。三、高矫顽力材料中的磁自由能强磁性物质中存在交换作用能、静磁能、退磁场能、磁晶各向异性能和磁弹性能等。交换能属于近邻原子间静电相互作用能，是各向同性的，它比其他各项磁自由能大102-104数量级。它使强磁性物质相邻原子磁矩自发有序排列。其他各项磁自由能不改变其自发磁化的本质，而仅能改变其磁畴结构。3.1、交换能在3d金属如Fe、Co、Ni中，当3d电子云重叠时，相邻原子的3d电子之间以每秒108的频率交换位置，因而它们之间存在交换作用，相邻原子3d电子的交换作用能Eex与两个电子自旋磁矩的取向(夹角)有关，若用经典矢量模型来近似，则Eex可表示为式中是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角；A为交换积分常数；是电子自旋角动量。在平衡状态，相邻原子3d电子磁矩的夹角值应遵循能量最小原理。当A0时，为使交换能最小，则相邻原于3d电子的自旋磁矩夹角为零，即彼此同向平行排列，即铁磁性；当A0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自旋磁矩夹角180，即相邻原子3d电子自旋磁矩反向平行排列，称为反铁磁性耦合，即反铁磁性；当A=0时，相邻原子3d电子自旋磁矩间彼此不存在交换作用，或者交换作用十分微弱。在这种情况下，由于热运动的影响，原子自旋磁矩混乱取向，变成磁无序，即顺磁性。在稀土金属中，4f电子半径较小，仅为0.60.8，外层还有5s和5p电子层对4f电子起屏蔽作用，相邻的4f电子云不可能重叠，即没有象3d金属那样存在直接的交换作用。那么4f金属的磁畴能够发生自发磁化主要是4f电子是局域化的，6s是巡游电子，f电子和s电子之间要发生交换作用，使6s电子发生极化现象。而极化的6s电子自旋对4f电子的自旋有耦合作用，形成以巡游的6s电子为媒介，使磁性的4f电子自旋与相邻原子的4f电子自旋间接耦合起来，产生铁磁性自发磁化。外磁场对条形磁体的作用3.2、静磁能强磁性物质的磁化强度与外磁场的相互作用能称为静磁能EH。外场施加给磁体的力可认为有一个力矩L作用在磁体两端，力图使磁体M的方向与H的方向一致。如果转动磁体，使角增加d，则需要反抗力矩对磁体做功，使磁体在外场中的势能增加dE=L d。积分后可得磁体在磁场作用下的静磁能EH3.3、磁晶各向异性能EK单晶体的各向异性场HA沿晶体的某些方向进行磁化时所需要的磁场比沿另外一些方向磁化所需的磁场要小得多，这些方向称为易磁化方向。当沿难磁化方向磁化磁体时，只有磁化场足够大才能使其磁化到饱和。Fe、Ni的易磁化方向和难磁化方向分别为(100)、(111)和(111)、(100)等。将磁体沿难磁化方向磁化到饱和所需的外场称为各向异性场HA。沿难磁化方向磁化需要更大的外场强度，因而HA的存在力图使原子磁矩转到与易磁化方向平行的方向上。HA的本质是磁晶各向异性。沿磁化曲线与J轴包围的面积是外磁场对铁磁体所做的磁化功。我们把沿晶体方向磁化与沿晶体易磁化方向磁化两者之间磁化功差值EK=W-W称为磁晶各向异性能。显然，沿易轴磁化，磁晶各向异性能最低；沿难轴磁化，磁晶各向异性能最高。高矫顽力材料通常具有较大的磁晶各向异性能。磁晶各向异性能可表示为：Fe、Ni单晶在不同晶轴方向的磁化曲线 a-磁化功；b-Fe； c-Ni式中1、2、3分别是磁化强度M与立方晶体三个主轴夹角的方向余弦；K1和K2称为磁晶各向异性常数。常见的几种磁性材料的磁晶各向异性常数如表所示。对于单轴各向异性材料，磁晶各向异性能可表示为：Ek=Kusin2。其中Ku为感生各向异性常数。几种磁性材料的磁晶各向异性常数材料结构K1/(J/m3)K2/(J/m3)Fe立方48.11031210350%Ni-Fe立方0.5103-0.2103Co立方35103143103SmCo5立方15500103Sm2Co17立方3300103Nd2Fe14B四方57001033.4、退磁场与退磁场能一个环状磁体沿其圆周方向磁化时，形成的磁路是闭合的不存在磁极，也就不产生退磁场，开路磁体(有缺口)的两端则出现磁极，即N极和S极，并在其周围产生附加磁场。在材料内部这个附加磁场的方向与磁化方向相反(或接近相反)，起着退磁作用，故称为退磁场，用Hd表示：开路磁体的退磁场式中N称为退磁因子；“-”号表示Hd与M的方向相反。退磁因子的大小与磁体形状和尺寸比有关。有限长的长旋转椭球体沿长轴方向的退磁因子Na和短轴方向的退磁因子Nb分别为：式中kl/d称为尺寸因子，d为短轴方向的半径。如果是球形试样，则Na=Nb=Nc=1/3；如果是细长的圆柱体，由于k很大，两端的磁极产生的退磁场很弱，Nc=0，Na=Nb=1/2；如果是无限大的薄板，Nc=1，Na=Nb=0。由此可见，随着长度l的增加，退磁因子迅速减小，如下表所示：在长轴上磁化的长椭球、扁椭球和圆柱体的退磁因子K长椭球退磁因子扁椭球退磁因子圆柱体退磁因子01.001.010.33330.33330.2720.17350.23640.1450.05580.12480.04100.02030.06960.0172200.006750.03690.006171000.0004300.007720.000365000.00002360.0015670.00001410000.00000660.0007640.0000036不妨估计一个退磁场的大小。设加给试样的外磁场为He，受退磁场影响而减弱后的真实磁化场为H，不同几何尺寸试样的磁化曲线1-环状；2-细长棒；3-粗短棒以铁为例，铁的磁化率1000，当铁制成圆柱试样l/d50时，退磁因子N0.00129已相当小，但N1.29，由式可见作用在铁试样上的真实磁场仅外磁场的43.67%。从图中可看出，环状试样在磁场H1时达到B1值；细长棒状试样要达到B1则需要较大的磁场H2，粗短棒状试样则要更大的磁场H3，这正说明了退磁场对磁化的影响。退磁场Hd是磁化强度M的函数，因而退磁能Ed可表示为：3.5、磁弹性能在磁场中磁化时，铁磁体的尺寸或体积发生变化的现象称为磁致伸缩。既然材料磁化要发生磁致伸缩，一旦这种形变受到限制，材料内部就要发生应力，因而存在一种弹性能，称为磁弹性能。磁弹性能的大小将与应力的大小和作用方向以及材料的磁致伸缩系数s有关。对于各向同性材料，单位体积中的磁弹性能E有如下表达式：当s和符号相同，并0时，磁弹性能最小应力的方向是易磁化方向；而90时，磁弹性能最大，在垂直应力的方向是难磁化方向。当s和符号相反时，0时能量最大，沿应力的方向是难磁化方向；而90的方向磁弹性最小，垂直应力的方向应是易磁化方向。由此可见，应力也会使材料发生一种各向异性，称为应力各向异性，它也像磁各向异性那样影响着材料的磁化。3.6、畴壁能根据外斯假设，铁磁状态物质中存在大量磁畴。磁畴之间的边界称为畴壁。平衡状态的磁畴结构应具有最小的能量。畸壁的宽度、磁畴的形状、尺寸和取向等磁畴结构因素是由交换能、退磁场能、磁晶各向异性能及磁弹性能决定的。180畴壁结构畴壁是原子磁矩由一个磁畴的方向逐渐转向到相邻磁畴的方向的过渡区。畴壁内的交换能、磁晶各向异性能与磁弹性能都可能比畴内的高，所高出的这部分能量称为畴壁能，用Ew表示。畴壁单位面积的能量叫畴壁能密度，用w表示，单位为J/m2。如果原子磁矩在相邻两原子间突然反向，则交换能的变化为4A2；若在n个等距离的原面间逐步均匀转向，则在n+1个自旋磁矩的转向中，交换能的总变化为如果只考虑交换能，则畴壁越厚，交换能越小，即交换能使畴壁无限地加宽。但n越大，就有更多的原子磁矩偏离易磁化方向使磁晶各向异性能增加，即磁晶各向异性能力图使畴壁变薄。综合考虑以上两方面因素为使总能量最小，可求得畴单能w和畴壁厚度为下式。式中A1=A2/a，A为交换积分常数，a为点阵常数，为普朗克常数。