纳米材料与技术纳米磁性材料.doc
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第十章纳米磁性材料一、 材料的磁性二、 纳米微粒的磁学性能三、 纳米固休材料的磁学性能四、 纳米磁性材料—、材料的磁性1. 材料的磁现象① 天然磁石：主要成分为Fe3O4,屈于-•种尖品石结构 的铁氧体，其显著特点是貝有吸铁的能力，称为永磁材 料，也称为硕磁或恒磁材料慈（磁）石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最 早磁指南器（司南）的发明、指南针的发明和应用、地球 磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用、 北极光地球磁现彖和太阳黑子、太阳磁现彖的记载等， 都是中国最早发现、发明、应用和记载的② 1820年，奥斯特发现屯流产生磁场：距导线广米处的磁场强度//为：H = I / 2/rr （A/m）1 A/m = 4 x 103 Oc （Oersted）① 材料在外加磁场H （直流、交变或脉冲磁场）作用 下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感 应强度〃，单位为T（Tesla咸韦伯/米2 （Wb/n?）1T= 1 Wb/m21T= 104 Gauss5 = //77真空中瓦二“（）万“：磁导率，为材料的本征参数M： 4x 107亨利/米③ 其他表征磁性材料的参数：相对磁导率:磁化率：/ = /zr - 1磁化强度：M二2•材料磁性的微观机理① 基本概念：磁偶极子：线度小至原子的小磁铁，可等效为坏绕 电路流动的电荷，如电子绕原子核的运动、电子的自旋、 旋转的电子核等。
磁偶极矩Pm：真空小每单位外加磁场作用在磁偶极 子上的最人力矩磁矩m： Pm与“（）的比值，单位为A m2o② 材料的宏观磁性：山组成材料的原子小电子的磁矩引 起，产生磁矩的原因冇二：i） 电子绕原子核的轨道运动，产主一个非常小的磁场， 形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩mii） 每个电子木身作口旋运动，产生一个沿自旋轴方向 的自旋磁矩叫，它比n\,大得多故每个电子iij看成一个小磁体，具有永久的1%和n】sBohr 磁子“b = eh/2me每个电子的叫=“b，】％受不断变化方向的晶格场 作用，不能形成联合磁矩原子是否貝有m,取决于其貝体的电子壳层结构若 有未被填满的电子壳层，其电子的g未被完全抵消，则 原子具有永久m3. 材料磁性的分类材料的磁性取决丁材料中原子和电子磁矩对外加磁 场的响应，具体可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性（均 为弱磁性）、铁磁性和亚铁磁性（均为强磁性）① 抗磁性（Diamagnetism）:在外加磁场存在时，外磁 场会使材料中电子的轨道运动发生变化，感应出很小的 磁矩，其方向与外磁场方向相反，故名抗磁性帘见材料：Bi、Zn、Ag、Mg等金属，Si、P、S等 菲金属，许多有机高聚物以及悄性气体。
② 顺磁性（Paramagnetism）：有些材料（Al, Pt等）的 ms和％没有完全被抵消，每个原子都有一个永久m, 但在无外磁场作用时，各个原子的m无序排列，材料表 现不出宏观的磁性；而在有外磁场作用时，各个原子m 会沿外磁场方向择优取向,使材料表现出宏观的磁性, 称其为顺磁性常见材料:稀土金屈,Fe族元素的盐类,Mn、Cr、 Pl、N2、O2等抗磁性和顺磁性材料一般看作是无磁性的，因为它们 只冇在外磁场存在时才被磁化，而磁化率乂极小③ 铁磁性(Ferromagnelism)：26Fe. 27c2嘶、39丫、“Dy等材料在外磁场作用 下，会产生很人的磁化强度，外磁场去除后仍能保持相 当人的永久磁性，故而得名貝有铁磁性的材料的磁化率可高达IOS使得磁化 强度M (M = /H )远大于磁场强度H④ 反铁磁性(Antiferromagnetism):MnO, Cr2O3, CoO, ZnFeO4等材料，其相邻原子 或离子的磁矩作反方向平行排列，总磁矩为零⑤ 亚铁磁性(Feirimagnctism)：对于含铁酸盐的陶瓷磁性材料，即铁氧体(Ferrite), 其宏观磁性类似于饮磁性，但是其磁化率和饱和磁化强 度比铁磁性材料低一些，称为亚铁磁性。
这类铁氧体的 电阻率较高，适于制作电导率低的磁性元件磁性体的种类 1磁矩的排列特性强磁性 (ferro- magnetism)强磁性 (ferro magnetism)—►—> —>—> —► —►—► —> —►J 厂'2 H铁氧体磁性 (ferri ・ magnetism)—► —> —> A♦ * ♦ B —> —> —►♦ ♦ ♦J7 J'L H反强磁性(antiferromagnetism)—> —> —><—<—<—<—J顺磁性(paramagnetism)八1J反磁性(diamagnetism)无自旋小J4•材料的饮磁理论> 一般铁磁性材料的磁化率Z和磁导率“很人，其磁化 强度M ( = /H )和磁感应强度B ( = //H )与磁场强度H 之间不是单值函数关系，而显示磁滞现象(Hysteresis Loop)>恢磁材料具有一个磁性转变温度：居里温度TcT
可见 铁磁性H发磁化起源于电子间的静电交换和互作用)该假说已被随后的理论和实验所证明：每个磁畴的 线度为1 -100Mm,约含IO】'个原子，毎一磁畴内原子的 磁矩沿同一方向排列由于恢磁材料在温度高于Tc时铁磁性消失，这表明 热运动能破坏了分子场对原子磁矩冇序取向的作用能， 在Tc处两种作用能相等>铁磁材料的居里温度Tc正比于交换积分，居里温度 的本质是诙磁材料内静电交换作用强弱在宏观上的衣 现，交换作用越强，就需要越人的热能才能破坏这种作 用，宏观上就表现出越高的居里温度>材料具彳j铁磁性的条件为：必要条件：材料原了中具冇未充满的电子壳层，即 冇原子磁矩充分条件：交换枳分大于零4. 铁氧体磁性材料① 含义：恢氧体是含恢酸盐的陶瓷磁性材料，它的磁性 与铁磁性冇相同点，都具冇自发磁化强度和磁畴；不同 Z处在于，铁氧体一般都是多种金属的氣化物复合而成, 因此铁氧体磁性来口两种不同的磁矩：-•种磁矩在一个 方向相互整齐排列，另一种磁矩在相反的方向排列这 两种磁矩方向相反，大小不等，两种磁矩Z差不等于零, 就产生了 H发磁化现彖，故铁氧体磁性乂称亚铁磁性② 按结构分类铁氧体材料有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、饬 钛矿型、钙铁矿型和钙青铜型等6种，前三种最为重要。
i） 尖品石型铁氧体（面心立方结构）的通式为 Me2+Fe23+O42'，其中 Me2+为 Fe、Ni、Mn、Zn、Ba、Pb、 Mg等二价金屈离子，也可以是儿种离子的混合物，如 Mgl.xMnx等，因此其组成和磁性能宽广ii） 石榴石型（立方晶系）的通式为R33+Fe53+Ol22-,式中 的R*为三价的稀土离子等iii） 磁铅石型的通式为Me2+ FeI23+O192-，其小的Me?+为 Ba2\ Sr2\ Pb?+等二价金属离子,此种六角晶系铁氧 体具有高的磁晶各向异性，侨顽力高，适宜制备永磁材 料其片层结构具有很好的吸波性能③ 按磁滞冋线特征分类i） 软磁材料ii） 硕磁材料（永磁材料）iii） 矩磁材料这里的硕和软并不是指力学性能上的硕和软，而是 指磁学性能上的硬和软磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期 保留其强磁性，其特征是具有4种主要磁特性：⑴高的 侨顽力（侨顽磁场）H-矫顽力是磁性材料经过磁化以后 再经过退磁使其剩余磁性（剩余磁通密度或剩余磁化强 度）降低到零的磁场强度，它是永磁材料抵抗磁的和非磁 的干扰而保持其永磁性的量度；（2）高的锻人磁能积 （BH）nlo最大磁能积是永磁材料单位体积存储利可利用 的最大磁能量密度的量度；（3）高的剩余磁通密度B「和 高的剩余磁化强度Mr0它们是具冇空气隙的永磁材料在 气隙中磁场强度的量度；（4）高的稳定性，叩对外加干扰 磁场和温度、震动等环境因索变化的高稳定性。
软磁材料：矫顽力比小，磁导率“高，磁损耗低， 饱和磁感应强度大，电阻率高主要用于电感线圈、变 压器的磁芯、录音磁头、磁放人器等硕磁材料（永磁材料）：剩磁B「人，矫顽力比人， 放人磁能积（BH）nux人等绘巫耍的铁氧体硬磁材料为锁 恒磁BaFe12O19,它比金属破磁材料的优点是电阻大、涡 流损失小、成本低，主要用于扬声器、拾音器、助听器、 示波器等矩磁材料：其磁滞回线近似为矩形，矫顽力比小， 磁损耗小等，可用作记忆元件、开关元件或逻辑元件（利 川其两个剩磁态+B「和表示计算机中的“1”和“0” 状态）铁氧体永磁材料是以FezOs为主要组元的复合氧化 物强磁材料，其特点是电阻率高，特别有利丁•在高频和 微波中应用如领铁氧体（BaFe12O,9）和锂铁氧体 （SrFei2Oi9）等,以FeA及SrO或BaO为原料,通过陶 瓷工艺方法制造而成，外形有闘形、闘柱形、方形、瓦 形等5. 稀土永磁材料永磁材料是在一指定空间可产生恒定磁场的材料 永磁体既町以单独使用，也可以与其他铁磁性或菲铁磁 性材料组成磁路，进而成为磁器件永磁材料性能的提高，可使器件尺寸变小稀土永 磁材料是当前绘大磁能积绘高的一大类永磁材料-是以 侈、饮等稀土族元索和钻、铁等铁族元素为主要成分组 成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制 得的一种磁性材料。
1983年，钱一铁一硼（Nd-Fe-B）稀土永磁材料问 1比，是永磁材料领域中的一个巨大进步，其高性能可能 带来高新技术产业中的磁器件高效化、小型化和轻型化> 1967年，SmCo5 第一代稀土永磁材料> 1972年，Sm2CoI7 ——第二代稀土永磁材料> 1983年，高性能、低成本的第三代稀土永磁材料 Nd2Fe14B3问此 庚定了稀土永磁材料在永磁材料领域的 霸主地位> 1993年，丨1木稀土永磁材料产值首次超过永磁诙氧 体> 2000年，全球烧结NdFeB的产值达30亿美圆，超过 永磁铁氧体少永磁体最基木的作用是在某一特定的空间中产生一 恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外部电源标，忐永磁材料好坏的参数有许多，绘重耍的是锻大 磁能积（BH）max ,磁能积越大，材料毎单位体积所产生 外磁场的能呆就越大卜I前商品NdFeB永磁材料的最大 磁能积（BH）max达440 kJ/m3,比碳钢的2 kJ/m3提高几百 倍，是永磁铁氧体的12倍，比昂贵的釦钻合金的磁性能 还高一倍由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的 特性，从而在特定空间中产生同样磁通量所需的磁体体 积明显减小，己给永磁应用带來革命性的变化。
第三代稀土永磁钱铁硼（NdFeB）是当代磁体小性 能授强的永磁体，它不仅具有高剩磁、高矫顽力、高磁 能积、高性能价格比等特性，而且容易加工成各种尺寸 现己广泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪辭、 仪表、医疗技术及其它需用永磁场的装置的设备中，特 别适用于研制高性能、小型化、轻型化的各种换代产品, 在各国的极大重视下发展极为迅速二、纳米微粒的。
