磁性材料(概述與應用).ppt

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第七講磁性材料,您對磁究竟了解多少？？？,靜磁學現(xiàn)象？磁性來源？磁性材料？非磁性材料？磁的分類？磁的應用？,磁=？,吸鐵石,>>,!,磁性是物質一種比較少見的只在少數(shù)地方得到應用的現(xiàn)象呢？還是一種存在非常普遍應用非常廣泛的現(xiàn)象呢？,,生活中的常識問題-1,所有物質都有磁性嗎？鐵-吸鐵石，哪個有磁性？水銅鋁家裝市場材質的簡單實用驗證-銅、不銹鋼？電飯鍋鐵氧體有磁性，但為何高溫會失去？,,答案是：磁性是物質的基本屬性，就像物質具有質量和電性一樣。換句更簡單的話說就是：一切物質都具有磁性。,生活中的常識問題-2,臥室床的擺放方向-風水？偽科學？,,,,,磁學發(fā)展史,磁鐵礦(Fe3O4)或磁赤鐵礦(γ-Fe2O3),在西方，據(jù)傳說，磁性首先是被一個牧羊人發(fā)現(xiàn)的。他注意到他的木棍的鐵端，被一塊石頭所吸引。這種石塊在小亞細亞(AsiaMinor)、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過。人們相信“Magnetism”一字就是來源于這些地名。,十七世紀：英國，威廉.吉伯，《磁體》,十八世紀：法國，庫侖，庫侖定律,2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀,十九世紀1820年：丹麥，奧斯特，電流產生磁場1831年：英國，法拉第，電磁感應現(xiàn)象1873年：英國，麥克斯韋，統(tǒng)一電磁理論1899年：法國，居里，居里溫度，磁性轉變,法拉第－電磁感應,居里（PCurie）,二十世紀1905：法國，郎之萬基于統(tǒng)計力學理論解釋了順磁性隨溫度的變化。1907：法國，外斯提出分子場理論，擴展了郎之萬的理論。1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國，康普頓提出電子也具有自旋相應的磁矩。,1928：英國，狄拉克用相對論量子力學完美地解釋了電子的內稟自旋和磁矩，并與德國物理學家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學的基礎。1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學和鐵磁學的篇章。1936-1948：法國，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論。,1967：奧地利，斯奈特在量子磁學的指導下發(fā)現(xiàn)了磁能積空前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開了永磁材料發(fā)展的新篇章。1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問世。1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B問世。1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問世。1991：德國，克內勒提出了雙相復合磁體交換作用的理論基礎，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景。,物質磁性的起源,原子有哪幾中運動方式？,現(xiàn)代科學認為物質的磁性來源于組成物質中原子的磁性原子中電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子核的核磁矩,載流閉合回路小線圈存在磁矩：,磁矩：單位：A?m2磁矩反應了載流線圈產生磁場的大小，可以把它引用到物質的微觀系統(tǒng)中去。,電子的軌道運動相當于一個恒定的電流回路，必有一個磁矩（軌道磁矩），自旋也會產生磁矩（自旋磁矩）。,磁矩,軌道磁矩,自旋磁矩,原子的總磁矩應是按照原子結構和量子力學規(guī)律將原子中各個電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩.注:原子核自旋磁矩僅是電子磁矩的1/1836.5,忽略不計.,原子總磁矩,電子的填充方式對磁矩的影響：,因此，大多數(shù)元素的原子都存在固有磁矩。這些原子也成為磁性原子。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,當原子中某一電子層完全被電子填滿時，該電子層的電子云在空間的分布呈球形對稱，這時其電子循軌磁矩和自旋磁矩都互相抵消，即該層電子磁矩對原子磁矩沒有貢獻。因此惰性元素沒有固有磁矩。,為什么通常情況下無磁性表現(xiàn)？,大多數(shù)元素的原子存在原子的固有磁距.物體的磁性,取決于原子磁矩的取向.在無外磁場作用時,各原子磁矩的取向是紊亂的,物質不呈現(xiàn)宏觀性;而當其受外磁場作用時,則原子呈取向性分布,物質呈現(xiàn)宏觀的磁性.,物質內部原子、分子中的每個電子參與兩種運動，一是軌道運動，即電子繞原子核的旋轉運動，其運動會形成一個電流，進而會產生一個磁矩，稱為軌道磁矩；二是電子的自旋運動，相應地也會產生一個磁矩，稱為自旋磁矩。一個分子中所有電子的各種磁矩之總和構成這個分子的固有磁矩Pm，稱為分子磁矩，這個分子固有磁矩可以看成是由一個等效的圓形分子電流i產生的。,總之：,一類是分子中各電子的磁矩不完全抵消而整個分子具有一定的固有磁矩，一類是分子中各電子的磁矩，完全相互抵消而整個分子不具有固有磁矩,磁性材料的分類,根據(jù)材質合金磁體橡膠磁體氧化物磁體,根據(jù)磁化后介質內部的磁場與附加磁場和外磁場的關系,可分為五種：,1、抗磁質：附加磁化強度與外磁場相反。,對于電子殼層被填滿的物質，原子磁矩為零。在外磁場作用下，電子運動將產生一個附加的運動（由電磁感應定律而定），感生出與H反向的磁矩。,,實例：惰性氣體、許多有機化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金屬（如：Si、P、S）,抗磁質的幾點說明：,任何物質都具有抗磁的本性。物質具有抗磁的本性并不是一定會呈現(xiàn)出抗磁性，而只有當物質的這種抗磁因素超過其順磁因素時，物質才呈現(xiàn)抗磁性，才稱為抗磁質。隨外磁場的增加，附加的抗磁磁矩增強，抗磁磁化強度增大。,2、順磁質結構特點：原子中具有未填滿電子的電子層，形成原子的固有磁矩。在磁場作用下，原子磁矩轉向H方向，感生出與H一致的M。如：稀土金屬和鐵族元素的鹽。,順磁質磁化強度隨外磁場的增大而增大，但很難達到磁飽和，只有當溫度趨近熱力學零度時，才能使順磁物質的原子磁矩沿外磁場呈完全規(guī)則取向。,順磁質的幾點說明：,金屬的順磁性與抗磁性,價電子……固有磁矩….順磁性正離子抗磁性？順磁性？,3、鐵磁性,在較弱的磁場作用下就能產生很強的磁化強度。在外磁場除去后仍保持相當大的永久磁性，具有磁滯現(xiàn)象。鐵磁體在溫度高于居里溫度后變成順磁體。,原子是否具有未成對電子，即自旋磁矩貢獻的凈磁矩(本征磁矩)原子在晶格中的排列方式,具有鐵磁性的金屬有鐵、鈷、鎳等，鐵磁質的應用最廣泛，特別是在信息的記錄和存儲方面（磁帶、計算機存儲器）,材料是否具有鐵磁性取決于兩個因素：,鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子。分別具有4、3和2的凈磁矩。鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向（交換作用）。形成相鄰原子的磁矩都向一個方向排列的小區(qū)域，稱為磁疇。,原子核外電子排布示意圖,,鐵磁性材料,加入小的磁場，可以獲得大的磁場強度。,4、反鐵磁性,在MnO晶體結構中，相鄰Mn2+離子的磁矩都成反向平行排列，結果磁矩相互對消，整個固體材料的總磁矩為零。,在有些材料中，相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結果總磁矩為零，叫反鐵磁性。反鐵磁性物質有某些金屬如Mn，Cr等，某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些鐵氧體如ZnFe2O4等。,以氧化錳(MnO)為例，它是離子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-離子組成，O2-離子沒有凈磁矩，因為其電子的自旋磁矩和軌道磁矩全部都對消了；Mn2＋離子有未成對3d電子貢獻的凈磁矩。,MnO晶體結構,5、亞鐵磁性,亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強度比鐵磁性的低。成因是由于材料結構中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。,根據(jù)鐵磁質的矯頑力的大小，將磁性材料分成軟磁、硬磁和矩磁材料,(1)軟磁材料具有較高的磁導率和較高的飽和磁感應強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化,象軟鐵、坡莫合金、硅鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉子、定子都是用軟件磁性材料制成。,軟磁材料應用——圖書防盜磁條,將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過門禁處交變磁場檢測磁條的磁性變化來區(qū)分被保護對象是否帶有磁條，來達到防盜的目的。磁條由軟磁材料制作，通常為鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金或坡莫合金（鐵鎳合金）。防盜磁條技術的運用大大降低了開架售貨領域如圖書館、超市、藥店等的運營成本。,電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場中，要求在工作頻率下對外磁場變化足夠靈敏。,軟磁材料的應用——電力變壓器,軟磁材料的應用——電子電路元器件,常見開關電源電路中多處應用了軟磁器件！,軟磁材料的應用——電子電路元器件,變壓器貼片變壓器電感,濾波器環(huán)形電感濾波器諧波電流抑制器,軟磁材料的應用——電機鐵芯,,電機鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者鐵鎳合金沖壓而成。,硬磁材料：硬磁材料是指那些難以磁化，且除去外場以后，仍能保留高的剩余磁化強度的材料，又稱永磁材料。（磁鐵）,種類：鋁鎳鈷系硬磁合金、硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個系列。用途：1、硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。2、硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用。,目前產業(yè)化的主要永磁材料——AlNiCo系永磁合金,AlNiCo系永磁合金：包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場取向合金和定向結晶合金。生產工藝包括：鑄造磁鋼與燒結磁鋼。鑄造鋁鎳鈷合金具有生產工藝簡單和產品性能高等特點。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產。,左上：鑄造鋁鎳鈷合金；左下：各類異形件右下：燒結鋁鎳鈷合金,鑄造鋁鎳鈷系合金的磁性,目前產業(yè)化的主要永磁材料——永磁鐵氧體,鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)。晶體結構均屬六角晶系。具有高的磁晶各向異性常數(shù)、高矯頑力和低剩磁，最大磁能積偏低；其剩磁溫度系數(shù)是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產量極大的家用電器、音響設備、揚聲器、電機、電話機、笛簧接點元件和轉動機械等方面得到普遍應用。,鋇鐵氧體的微波應用：1、器件；2、隱身涂層。,以鐵、鉻（23.5～27.5%）、鈷（11.5～21.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過成分調節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平；定向凝固+磁場處理(結晶與磁雙重織構)，以及塑性變形與適當熱處理的方法(形變時效)顯著提高合金性能。,目前產業(yè)化的主要永磁材料——鐵鉻鈷系合金,鐵鉻鈷合金各種加工形式，包括絲材。,SmCo系合金（SmCo5,Sm2Co17)：耐高溫稀土永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世紀60年代；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世紀70年代。Sm2Co17的工作溫度可達350oC。,目前產業(yè)化的主要永磁材料——釤鈷系合金,其缺點是含有較多的金屬鈷(～w(Co)66%)和蘊藏量稀少的稀土金屬元素Sm。原材料昂貴，受到資源與價格的限制。主要應用于高端領域。,第三代稀土永磁體；其價格只相當于釤鈷合金的50%左右；分燒結釹鐵硼和粘接釹鐵硼；優(yōu)點：最大磁能積和最大矯頑力；缺點：剩磁溫度系數(shù)較高。,目前產業(yè)化的主要永磁材料——釹鐵硼,永磁材料的應用——永磁電機,永磁步進電機,,在各種應用中，永磁材料主要用來提供恒定磁場。,永磁電機/發(fā)電機——永磁材料大發(fā)展,變頻家用電器,硬盤驅動器音圈電機（VCM）,兆瓦級永磁直驅（半直驅）風力發(fā)電機,混合動力汽車,現(xiàn)代汽車需要使用幾十個小型永磁電動機和其它磁控機械元件。EPS將成為高性能永磁體的主要應用領域之一。,Thenumberofmagnetsinthefamilycarhasincreasedfromoneinthe1950stooverthirtytoday.,永磁材料應用舉例,永磁磁選設備,揚聲器：電聲換能,永磁式核磁共振譜儀（MRI）,(3)矩磁材料----鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材料，剩磁接近于磁飽合磁感應強度具有高磁導率、高電阻率由Fe2O3和其他二價的金屬氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合燒結而成。在兩個方向上的剩磁可用于表示計算機二進制中的“0”和“1”，可作磁性記憶元件，如高速存儲器。,磁性材料的應用,指南針的鼻祖——司南地磁場是指南的前提戰(zhàn)國末年（先秦）《韓非子》：“先王立司南以端朝夕?！睎|漢時的王充在他的著作《論衡》中對司南的形狀和用法做了明確的記錄。,指南針——磁性材料的最早應用,指南針——中國古代四大發(fā)明之一,指南針——磁性材料的最早應用,北宋，曾公亮《武經(jīng)總要》：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時，置水碗于無風處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也?！保ɡ玫卮艌鋈斯ご呕?指南魚,指南龜,北宋，沈括《夢溪筆談》：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！比斯ご呕椒ǖ陌l(fā)明，對指南針的應用和發(fā)展起了巨大的作用。,,,,,IBM硬盤的發(fā)展,關于磁性材料的認識之一——磁存儲技術,在傳統(tǒng)工業(yè)中的應用,磁性材料的應用,生物界和醫(yī)學界的磁應用,軍事領域的磁應用,考古天文地址采礦界領域的磁應用,傳統(tǒng)工業(yè),汽車中用到磁性材料的組件,,磁懸浮列車,上海磁懸浮列車平均時速300公里/小時，最高時速430公里/小時,磁懸浮列車是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。磁懸浮列車也有兩種相應的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導型。另一種是電動型，也稱斥力型、超導型。,磁懸浮列車原理,兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結構示意圖：(a)電磁型；(b)電動型,磁制冷冰箱,磁制冷是一種以磁性材料為工質的制冷技術，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應即磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而等溫退磁時從外界吸取熱量，以達到制冷目的,?磁盤存儲,所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無來儲存資料。,數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點來表示，被磁化的點代表1，沒有被磁化的點代表0,,電飯鍋,日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105℃的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。,,,,,,,,電磁爐,電磁爐的內部有一個金屬線圈，當電流通過線圈時，會產生磁場。這一隨時間變化的磁場導致在金屬煲內產生一感應電場。金屬煲內的電子受電場影響進行運動。由于有電阻，電子運動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。金屬煲的電阻必須足夠大，才能產生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。,特點：直接發(fā)熱，熱效率高達90%爐面無明火，無煙無廢氣電磁火力強勁，安全可靠,在醫(yī)學上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像。,利用磁性納米材料表面功能基團與可識別病兆的功能分子進行耦聯(lián)，是實現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應用的最可行的手段之一。,生物醫(yī)學,電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產生的磁場對炮彈將產生巨大的推動力將炮彈射出的一種新型武器“電磁式武器”。類似的還有電磁導彈等。,軍事領域,天文、地質、考古和采礦等領域的磁應用,磁暴,極光,磁選礦,北極光是太陽風中的粒子（高能帶電粒子流）和地磁場相互作用的結果。當它們到達地球時，與地磁場發(fā)生相互作用，使得這些粒子向南北極運動和聚集，并且和地球高空的稀薄氣體相碰撞，結果使氣體分子受激發(fā)，從而發(fā)光。,太陽黑子是太陽上磁場活動非常劇烈的區(qū)域。太陽黑子的爆發(fā)對我們的生活會產生影響，例如使得無線電通信暫時中斷等。因此，研究太陽黑子對我們有重要意義。,世界磁性材料的產業(yè)概況,世界范圍日本（TDK、FDK、SSM、HITACHI、TOSHIBA）美國（MAGQUENCH、IBM、GM、SEAGATE、MAGNETICS、MICROMETAL、ARNOLD）荷蘭（PHILIPS）德國（VAC）韓國（CSC）英國、芬蘭、新加坡…,我國磁性材料的產業(yè)概況,中國-世界磁性材料的產業(yè)中心，產量世界第一浙江-中國磁性材料的產業(yè)中心，產量超過半壁江山橫店東磁（國內最大的磁性材料企業(yè)，擁有國家級企業(yè)博士后流動站）東陽天通（世界第三、國內第一軟磁材料企業(yè)）寧波韻升、中科三環(huán)（國內高技術稀土永磁企業(yè)代表）京津、山西、江蘇（南京、常州、蘇州、無錫）、廣東（梅州、深圳）,我國磁性材料的產業(yè)概況,我國磁性材料的產業(yè)概況,我國磁性材料產業(yè)與國際水平的差距明顯專利制約中小企業(yè)多而分散，技術水準低資源浪費環(huán)境污染硬件裝備水平低高端（高價）材料生產技術滯后高附加值的應用能力落后,新材料,生產技術,產業(yè)鏈延伸,,從新材料——生產技術——產業(yè)鏈延伸方面都存在差距！,77,謝謝大家！,