材料的磁学性质 一、概述 磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。

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1 材料的磁学性质 一、概述 磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。
一切物质均有磁性。通常所谓的磁性材料与非磁性材料，实际 上是指强磁性及弱磁性材料。磁性材料广泛应用于电工、电子 和计算机等技术中。 我国在世界上最先发明磁石可作为指示方向和校正时间的应用, 在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司南” 就是指此。公元17世纪，英国的吉尔伯特发表了世界上第一部 磁学专著《论磁石》，18世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁 性材料的磁化作用进行了大胆的描绘 。

2 19世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发现和研究。
19世纪末居里发现了抗磁物质磁化率不随温度变化及一些顺磁物质磁化率与温度成反比的居里定律。奈尔提出反铁磁性和亚铁磁性。 20世纪初朗之万用经典统计理论证明了居里定律，外斯提出 分子场自发磁化的假说与磁畴的概念，奠定了现代磁学的基础。 法拉第－电磁感应 居里（P Curie）

3 量子力学的出现使人们开始把物质磁性的认识建立在原子及电子 的基础上，海森伯用静电性的交换作用对铁磁体的分子场性质给
出了正确的解释，揭开了现代磁学的篇章。 20世纪50年代，铁氧体为代表的亚铁磁体的发现，改变了100多 年来金属铁磁性材料独占强磁体领域的局面。强磁材料的研究及 应用发展到高频和微波领域。非晶合金磁性的发展，开拓了优质 软磁材料的领域。 近20年，磁记录材料和磁光记录材料正在迅猛发展。在多层膜 中发现巨磁电阻以来，自旋相关导电等新材料及器件不断发展 有机铁磁体、C60化合物铁磁体和室温下铁磁体半导体的发现 预示了磁学与磁性材料的发展前景。 海森伯（W K heisenberg) 永磁铁氧体

4 二、磁性的基本概念 磁场：由运动电荷(或电流)产生在空间连续分布的一种物质。宏观性质：对运动电荷(或电流)有力的作用；磁场有能量。
磁介质：磁场作用下磁化，并影响磁场分布的物质。可用分子电流观点和等效磁荷观点描述。

5 磁化强度(M)：材料内部单位体积的磁矩矢量和，单位A/m
磁场强度(H)：空间某处磁场的大小，单位A/m 磁感应器度(B)：材料内部的磁通量密度。单位：T或Wb/m2。 磁化率(χ)：反映物质磁化的难易程度。M＝ χH 理论研究常用 磁导率(μ)：磁性材料被磁化的难易程度。B=μH 工程技术常用 真空磁导率

6 三、材料磁性的来源 物质的磁性来源于物质原子中的电子。 轨道磁矩 电子围绕原子核的轨道运动，产生一个非常小的磁场
，形成一个沿旋转轴方向的磁矩，即轨道磁矩。 自旋磁矩 每个电子本身有自旋运动产 生一个沿自旋轴方向的磁矩 ，即自旋磁矩。 Orbital Spin 轨道磁矩 自旋磁矩 原子磁矩 原子的总磁矩由所含电子的轨道与自旋角动量耦合而成，多数原子取Russell-Saunders耦合。

7 原子中每个电子都可以看作是一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。
一个原子的净磁矩是所有电子磁矩的相互作用的矢量和，又称为本征磁矩或固有磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，所以当原子电子层或次层完全填滿：磁矩为零。如He, Ne, Ar以及某些离子材料。

8 大多数自转方向不同的电子，虽然电子的磁矩不能抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体没有磁性。
少数物质(如Fe、Co、Ni），原子内部电子的磁矩没有抵消，整个原子具有总的磁矩。同时，由于“交换作用”的机理，原子磁矩整齐地排列起来，整个物体具有磁性。 量子力学效应 全同粒子 交换相互作用 间接 直接 超 无交换相互作用

9 四、物质磁性的分类 抗磁性： ，M,H反向, 大多数有机和无机材料均呈现 弱 抗磁性，如铜、银、金、汞、锌等 磁 性
反铁磁性： 。具有磁有序相变点，当T高于某个温度 时，呈现顺磁性，如氧化镍、氧化锰等 铁磁性和亚铁磁性： 。都有磁有序相变点 (称为居里 点Tc)，具有磁滞现象。 强 磁 性 温度高于Tc时，呈顺磁性，温度低于Tc时呈铁磁性或亚铁磁性。 铁磁性，如铁、钴、镍等。亚铁磁性，如磁铁矿等

10 1、抗磁性 由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，方向与外磁场相反的一种磁性。它是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。 原子的本征磁矩为零，没有固有原子磁矩 所有材料都有抗磁性。因为它很弱，只有当其它类型的磁性完 全消失时才能被观察。

11 2、顺磁性 受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向， 表现出宏观磁性，这种磁性称为顺磁性。 有固有磁矩，没有相互作用 材料中的原子磁矩无序排列，材料表现不出宏观磁性； 居里定律 C-居里常数 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为无磁性。

12 在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果 总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等，
3、反铁磁性 在有些材料中，相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列，结果 总磁矩为零，叫反铁磁性。反铁磁性物质有某些金属如Mn，Cr等， 某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等。 以氧化锰(MnO)为例，它是离子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-离子 组成， O2-离子没有净磁矩，因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩 全部都对消了；Mn2＋离子有未成对3d电子贡献的净磁矩。 在MnO晶体结构中，相邻Mn2+离子的磁矩都成反向平行排列， 结果磁矩相互对消，整个固体材料的总磁矩为零。 MnO晶体结构

13 4、铁磁性 在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度。在外磁场除去后 仍保持相当大的永久磁性，具有磁滞现象。铁磁体在温度高于居 里温度后变成顺磁体。 具有铁磁性的金属有铁、钴、镍等，铁磁质的应用最广泛， 特别是在信息的记录和存储方面（磁带、计算机存储器） 材料是否具有铁磁性取决于两个因素： 原子是否具有未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) 原子在晶格中的排列方式

14 铁、钴、镍等过渡元素都具有未成对的3d电子。 分别具有4、3和2的净磁矩。 铁、钴、镍金属在室温下具有自发磁化的倾向（交换作用）。
形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域，称为磁畴。 原子核外电子排布示意图

15 5、亚铁磁性 亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似，区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低。成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分。

16 五类磁体的磁化曲线示意图

17 五、铁磁性材料的磁化 1、物质的铁磁性及其物理本质 1907年，外斯提出铁磁性假说－发展了现代的铁磁性理论
铁磁质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩 趋于同向平行排列，即自发的磁化至饱和，称自发磁化。 铁磁质自发磁化成若干小区域(自发磁化至饱和的小区域称磁畴)， 由于各个区域(磁畴）的磁化方向各不相同，故其磁性彼此相消， 所以大块铁磁体对外并不显示磁性。 分子场假说 自发磁化理论 磁畴假说 技术磁化理论

18 铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程只不过是把物 质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程
2、自发磁化理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程只不过是把物 质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程 量子力学计算表明，当磁性物质 内部相邻原子的电子交换积分A 为正时，相邻原子磁矩将同向平 行排列，从而实现自发磁化。这 就是铁磁性产生的原因。 交换积分A与电子运动状态波函 数有关，还与晶体的点阵结构有关。 铁磁性产生的充要条件 原子内部有由未成对电子，即自旋磁矩贡献的净磁矩(本征磁矩) 不能为零； 原子在晶格中的排列方式。原子核间距离（点阵常数）Rab和未 填满壳层半径r之比Rab/r>3，使交换能积分常数A>0

19 根据自发磁化理论，可以解释许多铁磁特性，如温度对铁磁性的影响、磁晶各向异性、磁致收缩等
温度升高，原子间距加大，交换作用降低，同时热运动破坏了 原子磁矩的规则取向，自发磁化降低。直到温度高于居里点， 完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩已不存在，材料即 由铁磁性变为顺磁性。

20 对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。
铁磁性材料的居里温度  对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。 一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。 所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点， 铁磁态或亚铁磁态 顺磁态 Tc

21 利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。
铁磁体的居里温度 - 应用实例  利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。 例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。

22 磁畴 所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。 也就是说磁性材料在正常情况下 并不对外显示磁性。只有当磁性 材料被磁化以后，它才能对外显 示出磁性。

23 既然磁畴内部的磁矩排列是整齐的，那么在磁畴壁处原子磁矩又是怎样排列的呢？
在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。那么，在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。 实际上，畴壁由很多层原子组成。为了实现磁矩的转向，从一侧开始，每一层原子的磁矩都 相对于磁畴中的磁矩方向偏转 了一个角度，并且每一层的原 子磁矩偏转角度逐渐增大，到 另一侧时，磁矩已经完全转到 和这一侧磁畴的磁矩相同的方 向。

24 磁性材料中常见的磁畴形状 磁畴已为实验观察所证实 软磁材料常见的条形畴 树枝状畴 薄膜材料中的磁畴

25 技术磁化: 就是在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化 至饱和的内部变化过程。
3、技术磁化理论 技术磁化: 就是在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化 至饱和的内部变化过程。 技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加 磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(或近似外加磁场方 向）的过程。 技术磁化是通过两种形式进行， 一是磁畴壁的迁移，一是磁畴 的旋转。磁化过程中有时只有 其中一种方式起作用，有时是 两种方式同时作用。 畴壁迁移 巴克豪森跳跃 磁畴旋转 磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。

26 4、铁磁体的磁化曲线 磁化曲线的三种形式

27 （亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系；
磁化曲线与磁畴的关系 铁磁与亚铁磁B-H曲线 （亚）铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系； 磁化强度M(B)随H的变化如右图所示(假设样品在一开始已经退磁化)。 H增加，磁域界移动，磁域逐渐改变，磁矩方向转向，渐与磁场平行，单一磁域（饱和磁化） M(B)与H的变化关系 开始M的增加比较缓慢，后来增加较快 最后达到Ms(饱和磁化强度) 纵坐标改为磁感应强度B，则对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs ） 磁导率μ随H的变化 磁导率μ是B-H曲线上的斜率 在B-H曲线上，当H→0时的斜率称为初（起）始磁导率µi 初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一

28 5、磁滞回线 当H减小到零时，M＝Mr，称为剩余 磁化强度(简称剩磁），表示材料在 无外磁场时仍保持了一定程度的磁化。
饱和 当H减小到零时，M＝Mr，称为剩余 磁化强度(简称剩磁），表示材料在 无外磁场时仍保持了一定程度的磁化。 如果要使M＝0，则必须加上一反向磁 场Hc，Hc称为矫顽力。 退磁过程中M(或B）的变化落后于H 的变化，这种现象称为磁滞现象。 当反向H继续增加时，最后又可以达到 反向饱和点，再沿正方向增加H，则又 通过另一条途径达到正向饱和点。 在交变磁场的每一周内，M(B)-H曲线构成一个封闭回路，这个回路曲线称为磁滞回线。 磁滞现象与磁滞回线说明磁化有不可逆过程，磁滞回线所包围的面积表征一 个磁化周期内，以热的形式所消耗的功(J/m3)。

29 磁滞回线与磁畴的关系 磁滞现象是由于掺 杂和内应力等的作 用，当撤掉外磁场 时磁畴的畴壁很难 恢复到原来的形状， 而表现出来。 磁滞现象的本质是 磁畴壁在运动中受 到阻力。

30 铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长(或缩短)，去掉外磁场后， 其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象(或效应)。
6、铁磁质的磁致伸缩效应 铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长(或缩短)，去掉外磁场后， 其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象(或效应)。 磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述 利用铁磁质的磁致伸缩效应而引起的磁体机械振动，可用来做换能 器。可用于超声及检测技术中。 水下考古－“鱼鹰一号” 声纳定位仪 超声治疗仪

31 原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。
7、退磁方法 (1)加热法 当铁磁质的温度升高到某一温度时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质，该温度为居里温度 Tc 。当温度低于Tc 时，又由顺磁质转变为铁磁质。 铁的居里温度 Tc = 770℃ ，30%的坡莫合金居里温度 Tc = 70℃ 原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，提供了磁畴转向的能量，使铁磁质失去磁性。 (2)敲击法：通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。 (3)加反向磁场法：加反向磁场，提供一个矫顽力Hc ,使铁磁质退磁。 (4)加交变衰减的磁场：使介质中的磁场逐渐衰减为0 ，应用在录音机中的交流抹音磁头中。

32 六、铁磁材料分类 (1) 软磁材料 根据铁磁质的矫顽力的大小，将磁性材料分成 软磁、硬磁和矩磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；
较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄； 在磁场作用下非常容易磁化； 取消磁场后很容易退磁化 象软铁、坡莫合金、硅钢片、铁铝合金、铁镍合金等。 由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。

33 软磁材料主要应用 软磁材料的应用要求 制造磁导体，变压器、继电器的磁芯(铁芯)、 电动机转子和定子、磁路中的连接元件、
磁极头、磁屏蔽材料、感应圈铁芯、电子 计算机开关元件和存储元件等。 磁屏蔽器件 软磁材料的应用要求 要求软磁材料的电阻率比较高。因为使用中除上述磁滞能量损失之外，还可能因磁场变化在磁性材料中产生电流（涡流）而造成能量损失。为了尽量减少后一种能量损失，要求磁性材料的电阻率较高，因此常用固溶体合金（如铁硅、铁镍合金）和陶瓷铁氧体作软磁材料。

34 (2) 硬磁材料 主要特点 具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m； 磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；
硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。 主要特点 具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m； 磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max； 剩磁很大； 这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。 硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。

35 铝镍钴合金硬磁材料 六方铁氧体硬磁材料 稀土永磁材料 硬磁材料主要应用 用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；
可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。 铝镍钴合金硬磁材料 六方铁氧体硬磁材料 稀土永磁材料 一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料最大，磁能积最高者。其主要缺点是温度稳定性和抗腐蚀性稍差。 一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差。

36 (3) 矩磁材料----铁氧体 铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈现出亚铁磁性。 磁滞回线呈矩形，又称矩磁材料，
剩磁接近于磁饱合磁感应强度 具有高磁导率、高电阻率 由Fe2O3和其他二价的金属氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合烧结而成。 在两个方向上的剩磁可用于表示计 算机二进制中的“0”和“1”，可作磁性记忆元件，如高速存储器。

37 按材料结构分类 尖晶石铁氧体： 􀂾 属立方晶系，化学式为Fe3+(Fe2+M2+)O4 磁铅石铁氧体： 􀂾 属六方晶系，与反尖晶石类似，AB12O19表示。 􀂾 最普通的六方铁氧体：PbFe12O19和BaFe12O19 石榴石型铁氧体的结构 􀂾 属立方晶系 􀂾 化学一般式可写为M3Fe5O12，其中M代表稀土离子，如：钐、铕、钆或钇等。

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40 七、铁磁材料的典型应用 1、天文、地质、考古和采矿等领域的磁应用 磁暴 磁选矿 极 光

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42 2、生物界和医学界的磁应用 脑瘤病人头部的 CT成像和X射线成像 （A-脑瘤部位）

43 3、军事领域的磁应用 电磁武器－电磁炮 螺线管产生的磁场对 炮弹产生巨大推动力 隐形飞机－F117 涂特殊的磁性材料－吸波材料

44 4、磁性液体（磁流体） 所谓磁性液体（也叫做磁流体）实际上是把磁性 的粉末和某种液体采用特殊方法混合成的。
磁流体可以用在运动机械零件的密封、润滑以及 阻尼等，利用磁流体发电是人们研究较多的课题之一。 磁流体发电 纳米磁性材料密封－磁性液体 超导磁流体推进实验船

45 5、磁电阻和巨磁电阻 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变 的现象。
所谓巨磁电阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁 性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。 巨磁阻效应：导电电子的自旋磁矩如果顺着磁有序材料的电子自旋方向前进， 材料处于低电阻状态；反之，如果垂直于自旋方向，则呈高电阻状态。 1988年首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应。 20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等 纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，由于巨磁阻多层膜在高密度 读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁 电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。

46 数字化磁记录与磁读出的基本原理

47 磁传感器 磁性随机存储器 MRAM 摩托罗拉4Mb MRAM芯片