四川大学材料学院 陈宝军、何知宇 磁性材料 期末复习题(2)

2019-03-29 12:08

铁磁性:是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列,当所施加的磁场强度增大时,这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

反铁磁性:在原子自旋(磁矩)受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中,如果相邻原子自旋间是受负的交换作用,自旋为反平行排列,则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性),但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。

顺磁性:某些物质在受外磁场作用后,感生出与外磁场同向的磁化强度,其磁化率大于零但数值很小,这种磁性称为顺磁性

亚铁磁性:亚铁磁性宏观与铁磁性基本相同,只是磁化率相比更低,只有1-1000数量级。

2、画出铁磁性物质的初始磁化曲线与磁滞回线并阐述其主要过程,在图中标出其五个重要磁学参量,并说明个参量物理意义的。

铁磁体在消磁状态,由于其中的小磁体随机取向,其磁化彼此相抵消,总体 磁化为零。如果在图中所示方向施加弱磁场,磁化方向与该磁场方向接近的磁畴壁相应移动,畴壁中原子磁矩逐渐向外磁场方向转化。将铁磁体从磁中性磁化到饱和,需经过可逆的畴壁移动,非可逆畴壁移动,可逆的磁畴旋转以及达到饱和四个过程。

1.可逆磁化区(a)

如图中a区域所示,当磁场很弱时,随磁场强度增加,磁化强度变大;反之,磁化强度减小;H=0时,M=0。在该范围内,二者的关系是可逆的。此时,磁畴也能恢复到原来状态。磁感应强度与磁场强度H间也有相同的关系。在此范围内, ?B/?H= μi 称为初始磁导率,它是表征软磁性的重要特征参数之一。

2.不可逆磁化区(b)

在区域b,随磁场强度增加,磁畴④的畴壁移动,磁畴增大,即使磁场强度减小,M-H也不会沿原曲线路径返回,而是按环形移动,这说明M-H,B-H曲线是不可逆的。此时,?B/?H存在最大值,称为最大磁导率μmax,它是和μi同样重要的软磁特性表征参数之一。

在该区域,M相对于H是不连续的,磁畴壁会受障碍物(钉扎点等)的阻止作用。一旦畴壁脱离阻止,磁化强度随即增加。所以,磁畴壁完全消失的状态对应着行程的终点,此时磁畴④完全并吞其它磁畴,但磁化方向与外磁场方向并不完全一致。

3.旋转磁化区(c)

随着磁场进一步增强,磁化过程进c区域,此时自发磁化将向着外加磁场方向旋转,磁畴的移动是突然和不连续的,磁化也是不连续的,当自发磁化旋转到与外加磁场方向完全一致时,达到饱和磁化强度Ms。

4.饱和点(d)与饱和磁化强度Ms

随磁场强度进一步增加时:如图所示,磁化强度由b到达c区域,并在d点达到饱和,此时的磁化强度为饱和磁化强度Ms,它是铁磁体极为重要的特性之一。磁化达到饱和后,磁感应强度B=μ0H+M只随 μ0H 项的变化而变化,因此,对应的常用饱和磁感应强度Bs或最大磁感应强度Bm。

3、什么是磁畴?什么是磁畴壁?为什么会形成磁畴?磁畴的数目由什么条件决定?

铁磁体由于交换相互作用(铁磁性)、超交换相互作用(亚铁磁性),致使原子磁矩呈平行或反平行排列,这样就可能残留称为自发磁化强度的有效磁化成分(磁畴

的成因),其三维区域称为磁畴,实际的磁畴都具有一定的几何尺寸大小,彼此为自发磁化强度大小和方向各异的区域,磁畴之间的边界称为磁畴壁。

铁磁体产生磁畴,实质是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的必然结果,而退磁场能最小要求是磁畴形成的根本原因

4、什么是软磁材料?软磁材料的基本要求是什么?

磁性材料中矫顽力很低,因而既容易受外加磁场磁化,又容易退磁的材料称为软磁材料。

(1) 初始磁导率(μi)、最大磁导率μmax 等都要高,目的在于提高功能效率;

(2) 剩余磁通密度(Br)要低,饱和磁感应强度(Bs)要高,目的在于节省资源,便于轻薄短小,可迅速响应外磁场极性(N-S极)的反转;

(3) 矫顽力(Hc)要小,目的在于提高高频性能。

5、在软磁材料制造过程中应注意的原则有哪些?

从结构的角度看,软磁材料应满足: (1)晶粒要尽可能大。

纯铁及铁合金矫顽力Hc与平均晶粒直径d的倒数(1/d)呈直线关系,晶粒越大矫顽力越小,有以下经验公式: Hc=Hco+ α/d

其中,α为由物质及结晶组织决定的常数。晶界为原子严重错排区,对畴壁移动产生阻碍作用。因此,晶粒尽可能大,以减少晶界。但这仅是针对块状晶体材料的一般原则,对于高新技术材料之一的薄膜磁性材料来说,采用超微细晶粒可以提高其软磁特性。

(2)杂质要尽可能少

铁中含有碳时,最大磁导率与矫顽力HC随碳的质量分数成反比例关系。一般说来,杂质的存在会阻碍晶核生长、晶粒长大,而且会析出杂相物,阻碍磁畴壁的移动。

(3)内应力要尽可能低

这里所说的内应力是指存在于晶胞范围内或晶粒范围内的微观内应力。广义地讲,晶体缺陷(包括点缺陷、位错、层错、析出物等)周围都会或多或少地存在

内应力。当材料在外力作用下发生塑性变形时,由于上述应力场的存在,还会使内应力增加,影响磁性。

6、提高软磁材料起始磁导率的途径有哪些?

提高Ms并降低K1,λs的值是提高起始磁导率的必要条件:降低杂质浓度,提高密度,增大晶粒尺寸,结构均匀化,消除内应力和气孔的影响,是提高起始磁导率的充分条件。这些都与配方的选择和工艺条件密切相关。

1.提高饱和磁化强度Ms,μi∝ Ms2,即材料的起始磁导率μi与Ms的平方成正比。因此,提高Ms的大小有利于获得高的μi值。

2.降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs; 3.改善材料的微观结构 4.降低内应力

7、什么是硅钢?添加Si的作用?硅钢的应用?

硅钢通常也称为硅钢片或电工钢片,是指碳的质量分数We在0.02%以下,硅的质量分数为1.5%~4.5%的Fe合金。

硅钢的饱和磁化强度Bs和居里温度Tc均随着硅含量的增加而降低,只是添加硅的不足之处。但是,添加硅的益处大得多,首先,添加硅可以降低硅钢的磁晶各向异性常数K1,同时随着硅含量的增加,饱和磁致伸缩系数降低。这些对于提高磁导率和降低矫顽力是有利的,因此硅钢是非常优秀的软磁材料。其次,添加硅可以显著的提高合金的电阻率,降低铁损,因此硅钢也是交流电器用的比较理想的材料。

电工用硅钢唱轧制成标准尺寸的大张板材或带材使用,俗称硅钢片,广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。

8、什么是永磁体?对永磁体的基本要求是什么?衡量永磁体的主要性能指标有哪些?

被外加磁场磁化以后,除去外磁场,仍能保留较强磁性的一类材料称为永磁材料。

基本要求

(1)剩余磁感应强度Br要高

(2)矫顽力Hc要高

(3)最大磁能积(BH)max要高

(4)从实用角度考虑,材料稳定性要高

永磁体的最基本要求: 一旦被磁化,其磁化应该具有难以失去或消除的特性。

剩磁Br:磁性材料被磁化到饱和以后,当外磁场降为零时所剩的磁感应强度

矫顽力Hc:两种定义:BHc:磁感矫顽力,使B=0所需的磁场值,MHc:内禀矫顽力,使M=0所需的磁场值

最大磁能积(BH)max:当Hd=0时,BdHd=0;同样,在曲线与μ0H轴的交点,Bd=0,也有BdHd=0。在这两点之间BdHd存在最大值,称为最大磁能积(BH)max

稳定性:永磁体的有关磁性能在长时间使用过程中或受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。

9、如何提高永磁体的性能?

作为永磁体强度的最大磁能积(BH)max是表征永磁体性能的最主要指标 ,为使最大磁能积(BH)max尽可能大,需要几个条件:

首先,残留磁通密度Br(是由物质本身决定的固有值)要高;

其次,因反磁场造成的残留磁通密度的减少要尽量小,也就是说,由磁滞回线矩形比表示的左肩要尽量宽(左肩Br/Bs接近1的部分要尽量宽);

最后,具有绝对值大于反磁场的矫顽力。当然,本征矫顽力HcJ也是重要的指标。 10、请问下列材料中,哪些是硬磁材料,哪些是软磁材料。区分它们的主要磁性能参数是什么?

(1) SrFe12O19; (2) Supermalloy; (3) Sm2Co17; (4) Fe-Si; (5) FINEMENT; (6) NiZn尖晶石铁氧体; (7) AlNiCo;(8) ?-Fe;(9) NdFeB; (10) 非晶FeSiB合金; 硬磁材料:1、3、7、8、9 软磁材料:2、4、5、6、10

11、什么是矩形比?对矩形磁滞回线材料的基本要求是什么?

矩形比表示磁记录材料磁滞回线矩形程度的重要参数,符号Rs。它是材料最大剩余磁通密度Br与最大磁通密度Bm之比,即Rs=Br/Bm。对于磁记录材料


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