磁性材料

實驗表明，任何物質在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據物質在外磁場中表現出的特性，物質可分為五類：順磁性物質，抗磁性物質，鐵磁性物質，亞鐵磁性物質，反磁性物質。

根據分子電流假說，物質在磁場中應該表現出大體相似的特性，但在此告訴我們物質在外磁場中的特性差別很大。這反映了分子電流假說的局限性。實際上，各種物質的微觀結構是有差異的，這種物質結構的差異性是物質磁性差異的原因。

我們把順磁性物質和抗磁性物質稱為弱磁性物質，把鐵磁性物質稱為強磁性物質。

通常所說的磁性材料是指強磁性物質。磁性材料按磁化後去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質叫軟磁性材料，不容易去磁的物質叫硬磁性材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。

1、磁性材料的磁化曲線

磁性材料是由鐵磁性物質或亞鐵磁性物質組成的，在外加磁場H 作用下，必有相應的磁化強度M 或磁感應強度B，它們隨磁場強度H 的變化曲線稱為磁化曲線（M～H或B～H曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現象及磁滯現象。即當磁場強度H足夠大時，磁化強度M達到一個確定的飽和值Ms，繼續增大H，Ms保持不變；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M並不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態相當於M～H曲線或B～H曲線上的某一點，該點常稱為工作點。

2．軟磁材料的常用磁性能參數

飽和磁感應強度Bs：其大小取決於材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化矢量整齊排列。

剩餘磁感應強度Br：是磁滯回線上的特徵參數，H回到0時的B值。

矩形比：Br∕Bs

矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決於材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。

磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。

初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈衝磁導率μp。

居里溫度Tc：鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發磁化消失，轉變為順磁性，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。

損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關係為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）

3．軟磁材料的磁性參數與器件的電氣參數之間的轉換

在設計軟磁器件時，首先要根據電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程並掌握材料的磁性參數與器件電氣參數的轉換關係。設計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據磁性參數要求，模擬磁芯的工作狀態得到相應的電氣參數。

中國是世界上最先發現物質磁性現象和應用磁性材料的國家。早在戰國時期就有關於天然磁性材料（如磁鐵礦）的記載。11世紀就發明了製造人工永磁材料的方法。1086年《夢溪筆談》記載了指南針的製作和使用。1099～1102年有指南針用於航海的記述，同時還發現了地磁偏角的現象。近代，電力工業的發展促進了金屬磁性材料──硅鋼片（Si-Fe合金）的研製。永磁金屬從 19世紀的碳鋼發展到後來的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。隨著通信技術的發展，軟磁金屬材料從片狀改為絲狀再改為粉狀，仍滿足不了頻率擴展的要求。20世紀40年代，荷蘭J.L.斯諾伊克發明電阻率高、高頻特性好的鐵氧體軟磁材料，接著又出現了價格低廉的永磁鐵氧體。50年代初，隨著電子計算機的發展，美籍華人王安首先使用矩磁合金元件作為計算機的內存儲器，不久被矩磁鐵氧體記憶磁芯取代，後者在60～70年代曾對計算機的發展起過重要的作用。50年代初人們發現鐵氧體具有獨特的微波特性，製成一系列微波鐵氧體器件。壓磁材料在第一次世界大戰時即已用於聲納技術，但由於壓電陶瓷的出現，使用有所減少。後來又出現了強壓磁性的稀土合金。非晶態（無定形）磁性材料是近代磁學研究的成果，在發明快速淬火技術后，1967年解決了制帶工藝，正向實用化過渡。

磁性材料具有磁有序的強磁性物質，廣義還包括可應用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。磁性是物質的一種基本屬性。物質按照其內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，後者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

經外磁場磁化以後，即使在相當大的反向磁場作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩餘磁感應強度Br高，矯頑力BHC（即抗退磁能力）強，磁能積（BH）（即給空間提供的磁場能量）大。相對於軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。①合金類：包括鑄造、燒結和可加工合金。鑄造合金的主要品種有:AlNi（Co）、FeCr（Co）、FeCrMo、FeAlC、FeCo（V）（W）；燒結合金有：Re－Co（Re代表稀土元素）、Re－Fe以及AlNi（Co）、FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類：主要成分為MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等複合組分。③金屬間化合物類：主要以MnBi為代表。

永磁材料有多種用途。①基於電磁力作用原理的應用主要有：揚聲器、話筒、電錶、按鍵、電機、繼電器、感測器、開關等。②基於磁電作用原理的應用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基於磁力作用原理的應用主要有：磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、複印機、控溫計等。其他方面的應用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。

根據使用的需要，永磁材料可有不同的結構和形態。有些材料還有各向同性和各向異性之別。

它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此，對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度，同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應強度Bs則越大越好。

軟磁材料的一種——鐵粉芯

軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片：FeNi（Mo）、FeSi、FeAl等。②非晶態合金薄帶：Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當的Si、B、P和其他摻雜元素，又稱磁性玻璃。③磁介質（鐵粉芯）:FeNi（Mo）、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料，經電絕緣介質包覆和粘合后按要求壓製成形。④鐵氧體：包括尖晶石型──M O·Fe2O3 （M 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等）,磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41（Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其複合組分）。軟磁材料的應用甚廣，主要用於磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、感測器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件（如磁熱材料作開關）等。

矩磁和磁記錄材料

主要用作信息記錄、無接點開關、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點是磁滯回線呈矩形。

具有獨特的微波磁性，如導磁率的張量特性、法拉第旋轉、共振吸收、場移、相移、雙折射和自旋波等效應。據此設計的器件主要用作微波能量的傳輸和轉換，常用的有隔離器、環行器、濾波器（固定式或電調式）、衰減器、相移器、調製器、開關、限幅器及延遲線等，還有尚在發展中的磁表面波和靜磁波器件（見微波鐵氧體器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料；並可按器件的需要製成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結構和形態。

這類材料的特點是在外加磁場作用下會發生機械形變，故又稱磁致伸縮材料，它的功能是作磁聲或磁力能量的轉換。常用於超聲波發生器的振動頭、通信機的機械濾波器和電脈衝信號延遲線等，與微波技術結合則可製作微聲（或旋聲）器件。由於合金材料的機械強度高，抗振而不炸裂，故振動頭多用Ni系和NiCo系合金；在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態合金中新出現的有較強壓磁性的品種，適宜於製作延遲線。壓磁材料的生產和應用遠不及前面四種材料。

磁性材料的應用——變壓器

磁性材料是生產、生活、國防科學技術中廣泛使用的材料。如製造電力技術中的各種電機、變壓器，電子技術中的各種磁性元件和微波電子管，通信技術中的濾波器和增感器，國防技術中的磁性水雷、電磁炮，各種家用電器等。此外，磁性材料在地礦探測、海洋探測以及信息、能源、生物、空間新技術中也獲得了廣泛的應用。磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特性和特殊效應製成元件或器件；用於存儲、傳輸和轉換電磁能量與信息，或在特定空間產生一定強度和分佈的磁場；有時也以材料的自然形態而直接利用（如磁性液體）。磁性材料在電子技術領域和其他科學技術領域中都有重要的作用。

具有鐵磁性質的材料有以下一些 特點：

①即使沒有外磁場，在材料內部 各個小區域（磁疇）內仍存在永久磁 矩。但未經磁化的磁性材料在沒有外 磁場時各磁疇的磁矩方向是任意分佈 的，其矢量和為零，故材料整體並無磁 性。

②容易磁化。這是因為在外磁場作 用下各磁疇的磁矩方向力圖轉到磁場 方向，因而可得到很大的磁感應強度 B。按公式B=μrB0（B0是在真空中的 磁感應強度），磁性材料的相對導磁率 μr是很大的。實際上磁性材料的μr達 到10～10，而非磁性材料的μr≈1。

③存在著磁飽和現象，即B隨H增大 而增大，但增大到一定值Bs后，就不 再隨H而增加。BS就是該磁性材料 的飽和磁感應強度。出現飽和現象的 原因是因為H達到一定值后所有磁 疇的磁矩都轉到磁場方向。由於這個 原因，B和H便不成線性關係，因而 導磁率也不是常數，而是和磁場強度有關。

④存在磁滯現象。即磁感應強度 的變化滯後於磁場的變化。