磁性材料论文

摘要 磁性材料最开始在中国被发现并应用于中国四大发明中的指南针上，随后历经

多年的发展，磁性材料已经广泛的应用在我们的生活之中，也与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。本文综述了对磁性材料的认识，磁性材料的分类与相关概况，磁性材料的基本特性，磁性材料的机理与生产工艺，实际应用以及发展前景等。

Abtract：Magnetic materials in the beginning in China was found and applied in the four

great inventions of the compass, and after many years of development, magnetic materials have been widely used in our life, and with the information, automation, mechanical and electrical integration, national defense, national economy is closely related to all aspects of. This paper summarizes the magnetic material understanding, magnetic materials classification and related survey, the basic characteristic of the magnetic material, the mechanism of magnetic materials and production process, application and development prospect, etc.

Key words：Magnetic materials Applications of Magnetic materials Development of Magnetic materials

磁性材料

关键词 磁性材料 磁性材料的应用 磁性材料的发展前景

1 磁性材料的认识

中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。1099～1102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。

近代，电力工业的发展促进了金属磁性材料——硅钢片（Si-Fe合金）的研制。永磁金属从 19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。20世纪40年代，荷兰J.L.斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的永磁铁氧体。50年代初，随着电子计算机的发展，美籍华人王安首先使用矩磁合金元件作为计算机的内存储器，不久被矩磁铁氧体记忆磁芯取代。50年代初人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列微波铁氧体器件。后来又出现了强压磁性的稀土合金，非晶态（无定形）磁性材料等。

现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。可以说，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。

2 磁性材料的分类与概念

磁性材料具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。磁性是物质的一种基本属性。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等。

2.1永磁材料

永磁材料经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即磁性材料抗退磁能力)强，磁能积(BH)(即给空间提供的磁场能量)大。相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。

2.1.1 永磁材料的分类

永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类： ① 合金类：包括铸造、烧结和可加工合金。

② 铁氧体类：主要成分为MO?6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。 ③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。

2.1.2永磁材料的应用

永磁材料有多种用途①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。

根据使用的需要，永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性之别。

2.2．软磁材料

它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但饱和磁感应强度Bs则越大越好。

2.2.1软磁材料的分类

软磁材料大体上可分为四类。①合金薄带或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶态合金薄

带：Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素,又称磁性玻璃。③磁介质（铁粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基铁和铁氧体等粉料。④铁氧体：包括尖晶石型──M O?Fe2O3 (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁铅石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分)。

2.2.2软磁材料的应用

软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。

2.3矩磁材料和磁记录材料

主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。

2.4旋磁材料

具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧体器件）。

3 磁性材料的基本特性

3.1 磁性材料的磁化曲线

磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，磁化曲线是表征物质磁化强度(B)与磁场强度（H）的依赖关系的曲线 。在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（M～H或B～H曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于M～H曲线或B～H曲线上的某一点，该点常为工作点。

3.1.1铁磁体的磁滞回线

图1铁磁体的磁滞回线

B随H变化的全过程如下：

当H按 O→Hm→O→－Hc→－Hm→O→Hc→Hm的顺序变化时， B相应沿 O→Bm→Br→O→－Bm→－Br→O→Bm的顺序变化

（1）当H＝0时，B不为零，铁磁材料还保留一定值的磁感应强度Br，通常称Br为铁磁材料的剩磁。 （2）要消除剩磁Br，使B降为零，必须加一个反方向磁场

HC，这个反向磁场强度

HC叫做该铁磁

材料的矫顽磁力。

（3）H上升到某一个值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。

3.1.2 基本磁化曲线

图2基本磁化曲线 图3 退磁曲线

对于同一铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取磁化电流为I1、I2、…Im(I1< I2…< Im)则相应的磁场强度为H1、H2、…、Hm。在每一个选定的磁场值下，使其方向发生两次变化（即H1→- H1→H1,…Hm→- Hm→Hm等），则可得到一组逐渐增大的磁滞回线我们把原点o和各个磁滞回线的顶点a1、a2、…、a所连成的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线（图2）。

在理论上，要消除剩磁Br，只需通一反方向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因而无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示：如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零，那么该材料得磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线，如图3所示。当H减小到零时，B亦同时降为零，达到完全退磁。

3.2 软磁材料的常用磁性能参数

3.2.1饱和磁感应强度Bm

其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列，是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值越高。

3.2.2剩余磁感应强度Br

是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值，即铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的剩余磁化强度或剩余磁感应强度称为剩磁。