高矫顽力永磁材料高矫顽力永磁材料.docVIP

PAGE  PAGE 14 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μ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μ0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/m2＝1T。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φ是相邻原子3d电子自旋磁矩的夹角；A为交换积分常数；σ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A＞0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A＜0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自旋磁矩夹角φ＝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