磁性材料进展
* 国家重点基础研究发展规划项目,国家自然科学基金资助项目,
全国第十届磁学会议邀请报告
1999-10-13收到初稿,1999-12-10修回
评 述
磁性材料进展*
都 有 为
(南京大学固体微结构物理国家重点实验室 南京大学物理系 南京 210093)
摘 要 磁性材料大体上分为两类:其一为铁磁有序的金属磁性材料;其二绝大多数为亚铁磁有序、具有半导体导电性质的非金属磁性材料.50年代以前,金属磁性材料占绝对优势;50年代以后,非金属磁性材料发展成为磁性材料的主流,除电力工业用的高饱和磁化强度F eSi 合金外,铁氧体几乎应用于各个领域.历史似乎按螺旋形的方式发展,90年代后,金属磁性材料又以新的面貌出现,3d -(4f,4d,5d,5f ,)合金与化合物、非晶、纳米微晶磁性材料重领风骚,其性能远超越铁氧体.纳米磁性材料将成为新的功能材料.文章重点介绍了永磁材料与软磁材料,其他如磁记录材料、磁致冷材料、磁致伸缩材料等将作简单介绍.
关键词 磁性材料,金属磁性材料,非金属磁性材料,纳米磁性材料
THE DEVELOPMENT OF MAGNETIC MATERIALS
DU You -Wei
(N a tiona l labor a tory of S olid S tate Microstructures an d De p a r tment of Physics,Nan j in g Unive r sity,Nanj ing 210093)
Abstract M agnetic materials can be divided into t wo kinds,metal magnetic materials which have ferromagnet -ic order and non -met al magnetic materials such as ferrit es which have mostly ferrimagnet ic order and semiconduct -ing properties.Before the fifties,metal magnet ic materials were the most w idely used.However,aft er t he 1950.s,non -metal magnet ic materials gradually replac ed metal magnetic materials except for FeSi alloy which is used in the electric power industry because it has higher saturat ion magnet ization than ferrit es.In the ninet ies,new met al magnet ic materials,such as alloys and compounds of 3d -(4f,4d,5d,5f ,)ele ments,amorphous magnet ic materials and nanostruc t ured magnetic materials surpassed ferrit es with their superior characteristics.
Key words magnet ic materials,metal magnetic mat erials,non -metal magnet ic materials,nanost ructued mag -net ic materials
1 引言
综观磁性材料的发展,将有助于我们了解其过去、现在与未来,在市场经济的茫茫大海中正确地掌握航向.现将磁性材料发展进程列于表1.
磁性材料总的发展趋势大致上可归纳如下:50年代前为金属磁的一统天下;50)80年代为铁氧体的黄金时代,除电力工业外,各应用领域中铁氧体占绝对优势;90年代以来,纳米结构的金属磁性材料的崛起,成为铁氧体有力的竞争者.磁性材料由3d 过渡族金属与合金的研究扩展到3d -(4f,4d,5d,5f)合金与化合物的研究与应用.1988年,(Fe/Cr)n 多层膜巨磁电阻效应(GMR)的发现开拓了一
代全新的磁电子器件,形成了磁电子学新学科.磁性
材料的进展亦反映在材料制备工艺上的演变,由冶金工艺发展到粉末冶金、陶瓷工艺,随着纳米磁性材料的发展,制备纳米微粒、薄膜、颗粒膜、多层膜、纳米有序阵列等所需的多种物理、化学工艺发展起来了.未来纳米结构的磁性材料将会普遍地采用半导体工艺.从材料微结构上考虑,总的趋势由三维向低维方向发展,例如纳米微晶、微粒、丝、纳米薄膜、多层膜等.从表征的手段看来,由单一的金相、X 射线技术已发展为多种形式的扫描探针显微技术,如原
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表1磁性材料发展进程
年份金属磁性材料非金属磁性材料
BC1400Fe
1751Ni
1773Co
1900FeSi
1905磁畴和分子场理论
1909人工合成铁氧体
1921FeNi
1932AlNiCo反铁磁理论
1935尖晶石铁氧体
1946软磁铁氧体生产
1948亚铁磁理论
1949旋磁性理论
1951微波铁氧体,钙钛矿磁性化合物1952BaFe12O19
1956YIG(石榴石),平面六角铁氧体1960Fe3O4型磁性液体
1967SmCo5CrO2,R FeO3,磁泡
1970FeSiB非晶态合金
1972S m2Co17
1975Fe/Ge/Co,TM R
1976纳米铁钴
室温磁制冷(Gd)实验
1983Nd2Fe14B
1988GM R,Finemet
1993量子磁盘,65Gb/in2
1994CM R,庞磁电阻效应
1997Gd5(Si2Ge2)巨磁卡效应
子力显微镜、磁力显微镜、扫描隧道显微镜等.
90年代以来,磁性材料处于蓬勃发展的全盛时期,除传统的永磁、软磁、磁记录等磁性材料在质与量上均有显著进展外,新颖的磁性功能材料,如巨磁电阻、巨磁阻抗、巨霍尔效应、巨磁致伸缩、巨磁热效应、巨磁光效应等,利用特大的磁-电、磁-力、磁-热、磁-光等交叉效应的磁性功能材料为未来磁性材料的发展开拓了新领域.本文将侧重于从生产、应用的角度鸟瞰磁性材料发展的总趋势,着重于永磁与软磁材料.
2永磁材料
90年代全球永磁材料增长率为12%,预计2000年产值将达到65亿美元,占磁性材料总产值的70%.永磁材料在电机领域的应用约占50%,电声为20%,测量与控制器件约占20%,其余占10%.永磁材料主要为AlNiCo、铁氧体、稀土永磁三大系列,
当前以铁氧体与NdFeB稀土永磁为主.随着稀土永磁材料的开发与生产,永磁材料性能取得了突破性的进展,从1910年至1985年,标志永磁材料主要性能的最大磁能积的进展大致可用指数函数来描述[1]:
(BH)m=916ex p[(年份-1910)/S],
其中周期S为20年,这意味着每隔20年磁能积增长e(217)倍.永磁材料进展见图1.据1998年报道,烧结NdFeB磁体最大磁能积已达446kJ/m3 (5518M GOe),21世纪初能否突破800kJ/m3 (100M GOe),目前尚未见端倪.从理论上考虑,在理想的条件下,最大磁能积(BH)m=L0M2s/4.因此,材料的M s值决定了永磁材料(BH)m理论值的上限,通常实际材料可能达到的磁能积大约为理论值的90%左右.高M s是获得高(B H)m的必要条件,此外,尚需足够高的矫顽力H C.AlNiCo永磁材料主要依靠结晶的形状各向异性而获得高H C,而永磁铁氧体与稀土永磁材料的H C主要取决于高磁晶各向异性.为了充分利用形状各向异性与磁晶各向异性去获得高H C,严格控制产品的显微结构十分必要.永磁材料的发展始终围绕着相组成与显微结构两方面而取得进展.
图1永磁材料的进展[1]
211永磁铁氧体
1995年,我国永磁铁氧体产量已达815万吨,跃居世界首位.1997年,全球产量约为3513万吨,我国约10万吨.预计2000年全球产量将达40万吨,我国为15万吨.回顾永磁铁氧体发展历程,1952年,各向同性钡铁氧体问世,1963年锶铁氧体投入生产,经过数十年不懈努力,在合理的基本配方基础上,通过掺杂与严格工艺有效地控制了显微结构,使结晶细小、均匀、致密、高取向度,性能达到很高的水平.现将TDK公司FB6系列永磁铁氧体性能列于表2.
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324
#物理
表2TDK公司FB6系列永磁铁氧体性能
牌号B r/mT j H C/kA/m(BH)m/kJ/m3
FB6H4003021532
FB6B4203021535
FB6N440258183815
钡、锶铁氧体的性能已接近理论值,永磁铁氧体进一步发展的方向如何?人们曾探讨M s更高的W 型铁氧体,但因工艺复杂难以进入规模生产阶段.提高M s的另一途径是以Zn离子取代M型永磁铁氧体的Fe离子,Zn2+择优4f2晶位,有利于提高M s, La3+作为电荷补偿,(La3+Zn2+)代换有利于提高M s值,有可能增进(BH)m[2],例如配方为[SrO01143 (Fe2O3)01957]98(La2O3)2的永磁铁氧体的性能如下: J m=01435T,J r=01425T,j H C=244kA/m,B H C= 236kA/m,(B H)m=3610kJ/m3[3].
1997年,TDK公司推出FB9高性能锶铁氧体,报道的基本配方为Sr1-x La x Fe12-x Zn x O19,其性能如表3所示.
表3FB9高性能锶铁氧体性能
牌号B r/mT H C/kA/m j H C温度系数/%/e
FB9B4503580118
FB9H4303980118
将FB9H用作起动电动机,在-40e温度以及同样抗退磁条件下,磁体厚度可比FB6H减少19%,体积缩小25%,有利于电机小型、轻型化.
在市场经济培育下,我国部分厂家,例如899、梅州、力源等磁性材料厂已能部分生产较高档的永磁铁氧体.从发展的趋势来看,充分发挥规模经济的优越性,依托科技进行高档产品的大规模集约化的生产,将我国的永磁铁氧体生产推向新的发展阶段是十分紧迫而必要的.
212稀土永磁材料
60年代,人们对稀土-过渡族金属间化合物进行了大量的基础研究.1967年,SmCo5稀土永磁材料问世,树立了永磁材料发展史上的新里程碑.70年代,第二代稀土永磁Sm2Co17研制成功.80年代,第三代稀土永磁Nd2Fe14B材料以其优异的性能和较低廉的价格奠定了稀土永磁材料在永磁材料中的霸主地位.目前烧结钕铁硼与粘结钕铁硼是产量最大的一类稀土永磁材料.1994年,日本稀土永磁材料的产值首次超过永磁铁氧体.预计全球烧结NdFeB的产值在2000年将达到30余亿美元,并超过永磁铁氧体.由于受到价格的约束,在产量上铁氧体仍将稳居首位.现将1995年国际永磁材料产品性能、价格和产量对比列于表4:
表41995年国际永磁材料产品性能、价格和产量对比
永磁材料
(BH)m
/kJ/m3
产量/万吨
价格
/?/t
(价格/性能)比
/?/t NdFeB2950147170000413
Sm-Co19101062800001213 AlNiCo56018652000618
铁氧体25192810055001108近年来,各类磁性材料的性能都有不同程度的提高,产量与价格亦有不同幅度的变化,但(价格/性能)比的大体趋向并没有根本的变化,因此铁氧体与稀土永磁将会长期共存,AlNiCo磁钢亦因其高剩磁和低温度系数而占据一席之地.一些永磁材料典型的特性见表5.
表5一些永磁材料典型的特性
材料
L
M s
/T
B r
/T
j
H C
/kA/m
B
H C
/kA/m
(BH)m
/kJ/m3
T C
/e
铁氧体014801428024035450 AlNiCo11351125505040>760 SmCo511070173955517200710 Sm2Co1711270196414398240880 Nd2Fe14B116111101350677)812400312 NdFeB稀土永磁虽然磁性能最高,但居里温度偏低,通常工作温度低于150e,剩磁温度系数较高,为0113%/e,而且抗腐蚀性能差.90年代后,人们积极探索新型稀土永磁材料,以期提高磁性能或降低成本,并在3B29,1B12,2B17的氮化物和碳化物中取得了可喜的成绩.例如R2Fe17为易面金属间化合物,掺入N,C后可成为主轴型、高矫顽力的永磁材料,N原子处于晶格间隙位置,导致晶格膨胀,Fe-Fe互作用增强,从而改变K与T C值.R3(Fe,M)29 (R=Y,Pr,Sm,Gd,Tb;M=V,T i,Cr,Mn)亦为易面化合物,掺入氮原子后可变易面为易轴,并提高居里温度.这些化合物中的N,C原子超过400e时会逸出晶格而导致相分离,因此不宜作为烧结磁体,适宜作为粘结永磁体磁粉.现将具有潜在应用前景的这些化合物特性列于表6.
我国是稀土大国,稀土的蕴藏量占全球的80%.我国科学家在稀土永磁材料研究中作出了十分出色的创新性工作,但遗憾的是在初始研究中我国慢了一步,以致专利均为国外所垄断,从而使我国永磁材料的发展受制于美国和日本.从当前世界经济的格局看来,要发展民族经济,必须有自己的知识产权,这就要求我们在基础研究上要投入更多的人力、物力,要勇于创新,及时申请专利.十分可喜的
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是,北京大学杨应昌院士已获得1B12稀土永磁的专利,并积极地推向生产.
表6具有潜在应用前景的新型稀土永磁化合物材料的特性
类型化合物
R
s
/Am2/kg
H a/(kA/m)
(室温)
T C/K
1B12
3B29 2B17
SmFe11T i121151814600 NdFe11TiN x139161613740 NdFe1015M o115N x12219818635 NdFe1015V115N x139******** PrM o115Fe1015N x120185818640 Sm3(Fe0193T i0107)27平面486 Sm3(Fe0193T i0107)27N x1401012750 Sm2(Fe017Co013)16Ga12618c轴785 Sm2Fe17Ga2C2102131110635 Nd2Fe17N3158)734
稀土永磁材料研究中另一个重要方向是纳米复
合双相稀土永磁材料[4].通常软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料,而永磁材料的磁晶各向异性又远高于软磁材料.如将软磁相与永磁相在纳米尺度内进行复合,就有可能获得兼具二者优点的复合永磁材料.理论表明,当晶粒尺寸处于交换耦合尺寸L ex=(A/K)1/2之内时,晶粒尺寸大致为10nm左右.由于交换耦合有可能增大剩磁值,而不过多地降低H C值,对理想的层状结构,纳米复合永磁体的最大磁能积理论值如下[5]:NdFeB+A-Fe为800kJ/ m3,Sm2Fe17N3+A-Fe为880kJ/m3,Sm2Fe17N3+ Fe65Co35为1MJ/m3.
目前实验结果虽已证明交换耦合的存在,但实际磁能积远低于理论值,例如,各向同性的复合永磁体的性能参数如下:Nd2Fe14B+A-Fe(30vol%):B r= 1125T,L0H C=0153T,(BH)m=185kJ/m3[6]. Sm7Fe93N:B r=111T,j H C=312kA/m,(BH)m= 200kJ/m3.
虽然性能并不理想,但由于稀土含量减小,铁含量增加,有利于降低成本,此外稀土永磁相微晶被A-Fe所包围,可以有效地阻止稀土被氧化腐蚀,增进化学稳定性.此类磁粉已进入粘结永磁体的应用领域.
粘结永磁材料是永磁材料重要的分支.其性能虽低于烧结磁体,但它可以制备小型、异型的永磁体,广泛地应用于微型电机、办公用品、自动控制等领域.根据1995年统计,全球永磁体市场总销售额为36亿美元,粘结磁体占28%,其中NdFeB粘结永磁体是增长最快的一类材料.目前粘结NdFeB磁体产量为2000余吨,年增长率为20%)35%.
目前稀土永磁的发展有两个趋向:其一是降低稀土与钴的含量,例如1B12相,纳米复合,掺N,C 等,以期降低成本,提高市场竞争力;其二是改进和提高性能,如研制高温下(>400e)使用的稀土永磁材料等.最大磁能积超过800kJ/m3仍是人们今后努力的方向.
3软磁材料
软磁材料是应用广泛、种类最多的一类磁性材料.在铁氧体尚未问世之前,金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域.金属磁饱和磁化强度远高于铁氧体,因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是铁硅合金材料.随着使用频率的增加,金属磁的低电阻率的特性导致趋肤效应,涡流损耗限制了在高频段的应用.40年代开始,软磁铁氧体由实验室走向工业生产,金属软磁材料(如高磁导率的Fe-Ni合金),在较高频段使用的Fe-Si-Al合金以及羰基铁粉均相继退出应用市场,仅局限于某些特殊的应用.50年代至90年代,铁氧体在软磁行业中独占鳌头.软磁材料的性能常因应用而异,但通常希望高磁导率、低损耗.根据传统的磁畴理论,对软磁材料除了磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数必须尽可能降低外,因矫顽力与晶粒尺寸成反比,因此以往追求的材料的显微结构是结晶均匀,晶粒尺寸尽可能大. 1970年,Fe-Si-B非晶态合金研制成功,1988年, Fe-Si-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世[7],均发现了非常优异的软磁特性.根据混乱各向异性理论,在交换作用长度L ex=(A/K)1/2内,如有N个晶粒,则其平均磁晶各向异性常数将降低N1/2倍,矫顽力与晶粒尺寸呈六次方关系,软磁材料的矫顽力与晶粒尺寸的关系见图2.于是软磁材料的研制又进入另一个极端,要求晶粒尺寸尽可能小,以致达到纳米量级.90年代后,非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁氧体的新的竞争对手,在性能上它远优于铁氧体,但在(性能/价格)比上尚处于劣势,在市场占有率上一时还不会对铁氧体构成威胁,但在高技术领域的应用中它将大显身手.
311软磁铁氧体
世界软磁铁氧体的产量由1985年11万吨增长到1997年的22万吨,其中我国与东南亚增长速度最快.1985年我国产量约7千吨,到1997年已发展到5万吨.相反的,美国却呈负增长,而西欧的增长率近似为零.目前我国软磁铁氧体的生产量已居世界首位,预计2000年世界产量将达到26万吨,我国
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326
#物理
图2软磁材料的矫顽力与晶粒尺寸的关系[8]
[u(+)非晶态Co(Fe)基;p纳米微晶Fe-Cu0)1Nb3(SiB)2215;
o Fe-S i615w t%;t50N-i Fe;v坡莫合金]将占1/4,这表明软磁铁氧体的生产重心已由欧美转移到我国和东南亚地区.在软磁铁氧体的产量中,功率铁氧体约占25%,高磁导率材料约占20%,宽带射频铁氧体、电子镇流器约占15%,其他如抗电磁干扰(EM I)、偏转磁芯等也有较多应用.
软磁铁氧体的进展大致如下:40)50年代,确立了软磁铁氧体的基本配方,如MnZn,NiZn,M gZn 平面六角铁氧体等;60)70年代,对制备工艺、气氛、相组成与显微结构进行了研究;80)90年代,对三元组成与性能的关系,添加物的影响进行了系统的研究,数十年的不懈努力,使软磁铁氧体制备工艺日益完善,性能日臻完美.高L铁氧体的实验室水平可达L i~4@104,生产水平见表7.
表7高L铁氧体的生产水平
生产厂家及牌号L i tg D
L i/10
-6B
s
/mT H C/A#m-1A S/10-6#e-1H S/e Q/8#m
H5C210000?30%7(10kHz)400712-015)115>1200115 0TDK H5D15000?30%<15(100kHz)320217-115)115>1200102 H5E18000?30%)440218-015)210>1150105 TOKIN700H7000?30%45(100kHz)3504150)210>110) 12001H12000?30%<15(10kHz)340216-015)115>120)
日立铁氧体GP-11100007(10kHz)4006140)1101200105荷兰飞利浦3E510000?20%75(100kHz)380)0)112120)
德国西门子T3810000?30%)3804100151300101美国CM I M N1001000015(100kHz)450712)170110涞水磁材厂R12K12000?30%15(10kHz)340216-015)210120)
淄博磁材厂R10K10000?30%<10(10kHz)3806100)1151200115 898厂R10K10000?30%7(10kHz)400712-015)115150)
表8不同添加物对M n
0174
Zn0118Fe2106O4样品的室温涡流损耗(P e)与直流电阻率Q的影响
特性添加物不含S i O2-
CaO样品
含SiO
2
-
CaO样品
Al2O3HfO2Nb2O5S nO2Ta2O5TiO2V2O5ZrO2
P e(kW/m3)4800720710390670720460580490550 Q(8#cm)0183905403150750470214068011001600
功率铁氧体70年代后开始发展起来,主要工作在高功率状态,作为开关电源中变压器磁芯,要求高饱和磁化强度、低损耗.随着电子产品向小型化方向发展,开关电源体积日趋缩小,重量减轻.根据变压器原理,输出电压与频率成正比,V m=Kf B m AN,要缩小体积,十分有效的途径就是提高开关电源的频率,从而要求功率铁氧体在所使用的高频段具有低损耗.
早期开关电源的工作频率为20kH z,随后提高到100)200kHz,90年代后又发展到015)1MH z,并向2MHz方向推进.由于磁性材料使用的截止频率f r与晶粒尺寸D成反比例,f r(L i-1)=3M2s/ D,因此为了提高工作频率,必须严格控制软磁铁氧体产品的显微结构,使晶粒细小、均匀,减少空隙率,提高密度.此外,尚需进行合理的掺杂,增进晶界电阻率,以降低高频涡流损耗,例如,不同添加物对M n0174Zn0118Fe2106O4样品在1MH z和50mT高频磁场测试条件下所获得的室温涡流损耗(P e)与直流电阻率Q的影响如表8所示[9].
现将国内外生产功率铁氧体的部分产品性能列于表9.
目前我国部分厂家的产品水平虽与国外大致相当,但从规模效益上都远低于国外.例如日本TDK 公司和韩国三和电子公司年产量分别达到214万吨与2万吨,而我国仅数家工厂年产量可达2千吨.此外我国高档软磁铁氧体的生产与国外还有一定的差距.
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表9功率铁氧体的部分产品性能
生产厂家及牌号L i B s/mT B r/mT H
C
/A#m-1H r/e T o/e Q/8#cm f max/kHz
P/mW#cm-1
(100kHz,200mT)
25e60e100e
T DK
PC402300?25%
510
(1194A/m)
951413>21590650500600450410
PC501400?25%4701903110>24010001308080 (1600A/m)(500kHz,50mT) FDK
H49N1600?20%5001501218>230100100100
H63B2000?20%5001501012>200100100300640440410 T OKIN
2500B22500?20%5001301511205300410
2500B32500?20%500801511205500200
飞利浦
3C852000?20%500150\200200230165 (100mT)
3F32000?20%500140\20050011080 (100mT)
日立
S B-7C2400500121722090500200
S B-9C26004901119>20090500300680450400 1409所
R2KDP2300?20%
510
(1194A/m)
1610\215500*********
898厂
R2KB12300?25%51014142301209483 (1194A/m)(25e)(mW/g)
312非晶与纳米微晶金属软磁材料
非晶态磁性材料是磁性材料发展史上重要的里程碑,它超越了传统晶态磁性材料的范畴.从晶态到非晶态和纳米微晶态,大大地拓宽了磁性材料研究、生产与应用的领域.与晶态相比,非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性与高电阻率的特性.非晶态软磁材料大致上可归纳为三大类:(1)过渡金属-类金属非晶合金,B,C,Si,P等类金属加入过渡金属中更有利于生成非晶态合金.例如铁基非晶态合金, Fe80B20,Fe78B13Si9等,具有较高的B s(1156/ 1180T);铁镍基非晶态合金,如Fe40Ni40P14B6,Fe48 N i38M o4B18,具有较高磁导率;钴基非晶态合金,如Co70Fe5(Si,B)25,Co58N i10Fe5(Si,B)27等适宜作为高频开关电源变压器.(2)稀土-过渡族非晶合金,如T bFeCo,GdTbFe等,可作磁光薄膜材料.(3)过渡金属-过渡金属非晶态合金,如FeZr,CoZr等,添加一定量的类金属元素可形成非晶态铁磁性合金.
铁基非晶带的损耗仅为传统Fe-Si合金的1/3,在电力工业中应用可以显著地降低损耗,但由于成本较高,目前尚难以大量取代传统的材料,但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用.传统Fe-Si合金近年来通过提高Si含量(由3%提高到615%)以及进行多次结晶,亦显著地降低了损耗,增强了与非晶材料的竞争力.
非晶材料在晶化温度之上进行退火处理,可以转变为晶态,如在FeSiB非晶组成中再添加Cu,Nb 元素,以细化晶粒并限制在退火过程中晶粒长大,就可以获得纳米微晶材料,例如著名的Finemet纳米微晶软磁材料,其组成为Fe7315Si1315B9Cu1Nb3,其晶粒尺寸约为10nm,具有优异的软磁特性,现已发展为几种牌号,其中牌号为Finemet FT-1KM的纳米微晶材料的特性与M nZn铁氧体、非晶材料对比见表10.
Finemet居里温度为570e,远高于MnZn铁氧体和Co基非晶材料,其饱和磁化强度接近Fe基非晶材料,为M nZn铁氧体的3倍,饱和磁致伸缩系数仅为Fe基非晶材料的1/10,因此在高频段应用优于Fe基非晶态合金.此外,它不存在非晶态材料老化的问题,目前在电磁兼容(EM C)元件上得到广泛的应用.纳米微晶软磁材料近年来发展甚快,除上述的FeSiB系列外,尚有Fe-M-B系(M=Zr,H f, Nb),Fe-M-C系(M=V,Nb,Ta)等,按含Fe量不同大致上可分为两类[10]:
(1)Fe类金属合金,Fe(70%)80%),B s=
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#物理
112)114T.如Fe-S-i B-Nb-Cu,Fe-S-i B-Nb-Au,Fe-S-i B-V-Cu,Fe-P-C-Ge-Cu等.
(2)Fe-M-B合金,Fe(85%)90%),B s=115) 117T.如Fe-Zr-B,Fe-H-f B,Fe-Nb-B等系列.例如牌号为NANOPERM的产品配方为Fe88M7B4Cu1,如其中Fe以FeCo合金代换,可进一步改善高温磁性,其商业牌号为H ITPERM.一些纳米微晶材料的磁特性与损耗对比见表11.
表10纳米微晶材料的特性与铁氧体、非晶材料对比
Finemet FT-1KM M nZn
铁氧体
Co基
非晶
Fe基
非晶
磁导率L10kHz\500005300900004500
100kHz16000?30%5300180004500
饱和磁通密度B
s
(T)1135014401531156
矫顽力H
C
1)(A/m)1138100132510
磁矩比(B
r
/B s)1)0160012301500165
磁芯损耗P
c
2)(kW/m3)35012003002200
居里温度T
C
(e)570150180415
饱和磁致伸缩常数K
s
(@10-6)+213~0+27
电阻率Q(8#m)111@10-60120113@10-6114@10-6密度d s(M g/m3)71441857177118
1)最大磁化场800A/m时的直流磁性;
2)在199kHz,B m=012T下测量.
表11纳米微晶材料的磁特性与损耗对比
成分t/L m B s/T L*e H C/(A/m)K/10-6Q/10-88#m
W14/50
/(W/kg)
W10/1K
/(W/kg)
W2/100K
/(W/kg)
Fe91Zr7B218117016000712
Fe90Zr7B320116329000412-11144012121277917 Fe89Zr7B3Cu120116434000415-1115111968514 (Fe01985Co01015)90Zr7B3191164270004120011221536317 (Fe01995Co01005)90Zr7B321116234000315
Fe89Zr7B3Pd1116230000312
Fe89Hf7B418115932000415-11248011411705910 Fe84Nb7B92211503600071001158011421507517 Fe84Nb7B9103511 Fe84Nb7B962018 Fe83Nb7B9Ga11911483800041870012211664710 Fe83Nb7B9Ga1143514 Fe83Nb7B9Ge1241147290005160126911896912 Fe83Nb7B9Gu1191152490003181116411305417 Fe84Nb315Zr315B8Cu11911531000001170136111065817 Fe85Nb315Hf315B7Cu1201144920001130125801066412 Fe78Si9B13201156100003151370128166 Co7015Fe415Si10B1521018870000112014762 Fe7315S i1315B9Nb3Cu1201128850001104914 Fe7315S i1315B9Nb3Cu118112410000001532111153911
纳米软磁材料、非晶软磁材料、软磁铁氧体磁性的对比见图3.
313纳米结构的高频软磁材料
巨磁电阻读出磁头的应用使磁盘记录密度轻易地超过1Gb/in2,随着记录密度的提高,要求写入磁头能在高频下工作,其使用频率高达100MHz.此外,高频薄膜电感器、变压器等均希望磁性材料具有高B s、低损耗.铁氧体虽在高频段损耗很低,但B s 仅为金属磁的1/4左右.上述的纳米微晶软磁材料又难以应用于几百兆周.90年代后,一类新颖的金属-O,N纳米结构的软磁材料都显示出很好的高频特性.1993年,首先报道了纳米结构的Fe55)82 M7)22O10)34(M=Hf,Zr,R[11]等)薄膜具有很好的高频特性,这些薄膜是由bcc纳米铁磁晶粒,尺寸小
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于10nm,嵌于高M -O 组成的高电阻率的非晶相中,其应用频率可超过100MH z.例如Fe 62H f 17O 27薄膜,L 0M s =113T ,L c U 1400,f =100MH z;Co 441
3
图3 纳米软磁材料、非晶软磁材料、软磁铁氧体磁性的对比
[10]
图4 纳米高频软磁性材料的频率特性[13]
Fe 1911Hf 1415O 2211薄膜,100MHz 频率下的Q 值可达61,L c =170.这类薄膜具有很好的抗腐蚀性,其磁
性与频率的关系见图4.
近年来,还发现Fe -Cr -T a -N 纳米微晶软磁合金薄膜可以工作在GHz 超高频段[12].例如,组成为Fe416%,Cr012%,T a714%的氮化物薄膜,H C =9513A/m,L 0M s =2T,具有矩形M-H 回线,铁磁共振频率为317MHz,而其中的Ta,Cr 氮化物可限制铁磁晶粒长大,从而产生纳米微晶结构,因此薄膜的性质与制备过程中氮的含量关系密切.
电子器件发展的总趋势是,随着集成程度提高,体积将日益缩小,重量将降低,因此磁性元件的薄膜化与小型化甚至集成化是必然的趋势,高性能磁性材料,如高B s 、高H C 、高L 等是元件小型化的必要前提.
4 磁记录材料
自从1898年发明钢丝录音以来,磁记录介质经过101年的发展历史.1930年,以Fe 3O 4微粒作为磁记录介质涂布于赛璐珞上做成磁带.1954年,针状C -Fe 2O 3磁粉投入生产.1967年,杜邦公司研制成性能优良的CrO 2磁带.1973年,Co -C -Fe 2O 3高性能磁粉用于录像带.1976年,Fe,Co 微粉用于高密度磁带.1983年,掺Ti,Co 的钡铁氧体磁粉用于涂布型磁记录介质.1987年,推出蒸镀金属录像带,将记录密度推上新阶段.因此磁记录介质亦是经历了金属)非金属)金属的历史进程.但目前大量应用仍图5 磁记录密度的进展
以磁性氧化物微粒录磁介质为主.磁记录介质大体上可分为非连续介质与连续介质两大类.为了提高磁记录密度,磁记录介质总的发展趋势是向高H C 、
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高B r方向发展.80年代后期,人们曾认为磁盘将被光盘等其他高密度存储方式取代,然而到1994年, IBM公司将巨磁电阻效应用于读出磁头,轻易地将存储密度提高17倍,目前已超过5Gb/in2.因制备磁盘是十分成熟的工艺,采用巨磁电阻效应读出磁头以及纳米结构金属软磁材料为写入磁头,其记录密度已超过光盘,于是重新确立了磁盘在磁记录中的主导地位.磁记录另一发展动向是采用纳米刻蚀的工艺[14,15],形成金属磁性颗粒的有序阵列,即所谓/量子磁盘0,可望将磁记录密度提高到400Gb/in2.磁记录材料已成为磁性材料中产值最高的材料,成为信息社会重要的组成部分.磁记录密度的进展见图5.
5磁致冷材料
磁致冷是利用自旋系统磁熵变的致冷方式,与通常的压缩气体制冷方式相比,它具有效率高、功耗低、噪音小、体积小、无污染等优点.磁致冷发展的总趋势是由低温向高温发展.30年代,利用顺磁盐作为磁致冷工质,采用绝热去磁方式成功地获得mK 量级的极低温.80年代,采用Gd3Ga3O12(GGG)型的顺磁性石榴石化合物,成功地应用于115)15K 的磁致冷.90年代用磁性铁离子取代部分非磁性镓离子,由于Fe离子与Gd离子之间存在超交换作用,使局域磁距有序化,构成磁性的纳米团簇,当温度高于15K时,其磁熵变超过GGG,从而成为20K 温区最佳的磁致冷材料[16].1976年,Brow n首先采用金属Gd,在7T磁场下实现了室温磁致冷[17],但要实用化必须研制成功在永磁体所能达到的低磁场下(通常低于2T)具有大的磁熵变材料.近年来,由于氟里昂气体制冷剂的禁用,室温磁致冷更成为国际前沿研究课题.80年代以来,人们在磁致冷材料方面开展了许多研究工作.1997年报道钙钛矿磁性化合物磁熵变超过金属Gd[18)19],同年报道Gd5 (Si2Ge2)化合物的磁熵变可高于金属Gd一倍[20].尽管室温磁致冷离实际应用还有一定的距离,但它正一步步走向实用化.室温磁致冷如能实现,必将产生巨大的经济效益和深远的社会影响.
6磁致伸缩材料
磁致伸缩是指材料的尺寸或形状随磁化状态变化而改变的现象,通常这种尺寸的变化小于10-5量级.从70年代起,人们就注意到在稀土-过渡族化合物系列中,如TbFe2,SmFe2具有巨大的磁致伸缩效应[21],其值为10-3量级,称为巨磁致伸缩效应,但饱和磁场太高,为了达到实际应用的目的,主要是尽量降低饱和磁场值.近年来已取得了重要进展,如T b013Dy017Fe2-x(x=0105)011)合金在600A/m 磁场下,磁致伸缩系数约为1500@10-6[24].在Tb-Dy-Fe-M n四元系统中,用Mn取代10%Fe,磁致伸缩效应可增加50%[23],采用与软磁纳米复合的方式亦可降低饱和磁场.利用相变产生巨磁致伸缩效应已成为当前研究重点之一.巨磁致伸缩材料在声纳、传感器、超声发生器、微距器等方面有着广泛的应用.
图6(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应[24]
7磁电阻效应
由于磁化状态的改变而引起材料电阻率变化的现象称为磁电阻效应.对一般金属材料,其值甚小,通常不予考虑;对铁、镍、钴等磁性材料,一般约为1%;铁镍合金具有较大的各向异性磁电阻效应,室温值约为3%.1988年发现Fe/Cr多层膜的磁电阻效应在低温高达50%,故称为巨磁电阻效应(见图6)[24].随后在众多多层膜、颗粒膜、钙钛矿磁性化合
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物以及金属-绝缘体夹层膜中均发现各向同性的巨磁电阻效应,其机制不同于各同异性磁电阻效应,而与输运过程中自旋相关散射有关,从而形成磁电子学新学科[25],有关综述文献读者可参考5物理学进展61997年第17卷第2期.与自旋相关的磁输运现象已成为纳米材料体系中较普遍的现象.巨磁电阻效应不仅具有重要的基础研究意义,而且有巨大的经济效益,利用巨磁电阻效应的自旋阀器件已在磁头、磁随机储存器、磁传感器中得到应用,磁电子晶体管等器件正在研制中[26].
8结束语
磁性是物质的基本属性,磁性材料是古老而年轻的功能材料,磁性材料的应用已渗透到国民经济、国防各个领域中.磁性材料发展的总趋势将由3d过渡族合金、化合物向3d-(4f,4d,5d,5f,)多元合金、化合物方向发展;由三维向低维方向发展.纳米磁性材料将成为重要的磁性功能材料.
致谢曹庆琪博士等人为本文打印付出辛勤劳动,在此表示感谢.
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作者简介
都有为,男,64岁,南京大学
物理系教授,博士生导师.1985)
1988年美国Johns H opkins大学天
文物理系客座教授.获省、部级奖8
项.编著5铁氧体6、5磁记录材料6
等书,发表学术论文200余篇.长期从事磁学与磁性材料的教学与研究工作,目前主要开展纳米材料磁性的研究工作.现任中国物理学会磁学专业委员会副主任、中国电子学会磁学专业委员会委员、中国科学院物理研究所国家磁学开放实验室学术委员会委员、兰州大学应用磁学开放实验室学术委员会主任、南京大学固体微结构物理国家实验室学术委员会委员、南京大学纳米科学与技术中心主任、国家重点基础研究发展规划项目/纳米材料和纳米结构0学术顾问.
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磁性材料的基本特性
一.磁性材料的基本特性 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，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，该点常称为工作点。 2.软磁材料的常用磁性能参数 ?饱和磁感应强度Bs: 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； ?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. 矩形比: Br/Bs； ?矫顽力Hc: 是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）； ?磁导率m:是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关； ?初始磁导率mi、最大磁导率mm、微分磁导率md、振幅磁导率ma、有效磁导率me、脉冲磁导率mp； ?居里温度Tc: 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降,达到某一温度时,自发磁化消失,转变为顺磁性, 该临界温度为居里温度. 它确定了磁性器件工作的上限温度； ?损耗P: 磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P=Ph+Pe=af+bf2+cPeμf2t2/,r 降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r； ?在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为:总功率耗散（亳瓦特）/表面积（平方厘米） 3.软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换
磁性材料基本特性的研究
实验报告 姓名：什么情况班级：F10 学号：51 实验成绩： 同组姓名：实验日期：2011- 指导老师：助教批阅日期： 磁性材料基本特性的研究 【实验目的】 1．了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线概念，加深对铁磁材料的主要物理量矫顽磁力、剩磁和磁导率的理解； 2．利用示波器观察并测量磁化曲线与磁滞回线； 3．测定所给定的铁磁材料的居里温度． 【实验原理】 1．磁化性质 一切可被磁化的物质叫作磁介质。磁介质的磁化规律可用磁感应强度B、磁化强度M、磁场强度H来描述，它们满足一定的关系 μr的不同一般可分为三类，顺磁质、抗磁质、铁磁质。 对非铁磁性的各向同性的磁介质，H和B之间满足线性关系，B =μH，而铁磁性介质的m 、B 与H 之间有着复杂的非线性关系。一般情况下，铁磁质内部存在自发的磁化强度，当温度越低自发磁化强度越大。如图一所示。 图一B~ H曲线图二μ~ T曲线 它反映了铁磁质的共同磁化特点：在刚开始时随着H的增加，B缓慢的增加，此时μ较小；而后便随H的增加B急剧增大，μ也迅速增加；最后随H增加，B趋向于饱和，而此时的μ值在到达最大值后又急剧减小。图一表明了磁导率μ是磁场H的函数。B-H曲线表示铁磁材料从没有磁性开始磁化，B随H的增加而增加，称为磁化曲线。从图二中可看到，磁导率μ还是温度的函数，当温度升高到某个值时，铁磁质由铁磁状态转变成顺磁状态，在曲线上变化率最大的点所对应的温度就是居里温度T C。 2．磁滞性质 铁磁材料除了具有高的磁导率外，另一重要的特性是磁滞现象．当铁磁材料磁化时，磁
感应强度B不仅与当时的磁场强度H有关，而且与 磁化的历史有关，如图3所示．曲线OA表示铁磁材 料从没有磁性开始磁化，B随H的增加而增加，称 为磁化曲线．当H值到达某一个值H S时，B值几乎 不再增加，磁化趋于饱和．如使得H减少，B将不 再沿着原路返回，而是沿另一条曲线AC'A'下降，当 H从-H S增加时，B将沿着A'CA曲线到达A形成一 闭合曲线．其中当H = 0时，|B| = Br，Br称为剩余 磁感应强度．要使得Br为零，就必须加一反向磁场， 当反向磁场强度增加到H = -H C时，磁感应强度B为零，达到退磁，HC称为矫顽力．各种铁磁材料有不同的磁滞回线，主要区别在于矫顽力的大小，矫顽力大的称为硬磁材料，矫顽力小的称为软磁材料． 3．用交流电桥测量居里温度 铁磁材料的居里温度可用任何一种交流电桥测量。本实验采用如图所示的RL交流电桥， 图三RL交流电桥 在电桥中输入电源由信号发生器提供，在实验中应适当选择不同的输出频率ω为信号发生器的角频率。选择合适的电子元件相匹配，在未放入铁氧体时，可直接使电桥平衡，但当其中一个电感放入铁氧体后，电感大小发生了变化，引起电桥不平衡。但随着温度的上升到某一个值时，铁氧体的铁磁性转变为顺磁性，CD两点间的电位差发生突变并趋于零，电桥又趋向于平衡，这个突变的点对应的温度就是居里温度。实验中可通过桥路电压与温度的关系曲线，求其曲线突变处的温度，并分析研究在升温与降温时的速率对实验结果的影响。4．用示波器测量动态磁化曲线和磁滞回线
纳米磁性材料的制备和研究进展综述教案资料
纳米磁性材料的制备和研究进展综述 一．前言 纳米材料又称纳米结构材料 ,是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内的材料 (1-100 nm) ,或由它们作为基本单元构成的材料 ,是尺寸介于原子、分子与宏观物体之间的介观体系。磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，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）。因此 ,纳米磁性材料的特殊磁性可以说是属于纳米磁性。 司马迁《史记》记载黄帝作战所用的指南针是人类首次对磁性材料的应用。而今纳米磁性材料广泛应用于生物学，磁流体力学，原子核磁学，机体物理学，磁化学，
天文学，磁波电子学等方面。随着雷达、微波通信、电子对抗和环保等军用、民用科学技术的,微波吸收材料的应用日趋广泛 ,磁性纳米吸波材料的研究受到人们的关注。纳米磁性材料也对人们的生产与生活带来诸多的利益。 本次综述，主要针对磁性纳米材料的制备方法和研究进展两个问题进行阐述。首先，介绍磁性纳米材料的发展历史，可以追溯到黄帝时期。其次，介绍磁性纳米材料的分类。------再次，重点介绍磁性纳米材料是怎么制备的。其制备方法一般分为三大类：1.由上到下，即由大到小，将块材破碎成纳米粒子，或将大面积刻蚀成纳米图形等。2.由下到上，即由小到大，将原子，分子按需要生长成纳米颗粒，纳米丝，纳米膜或纳米粒子复合物 3. 气相法、液相法、固相法等。第四、介绍磁性纳米材来噢的现状和发展前景。最后，将全文主题扼要总结，并且找出研究的优缺点和差距，提出自己的见解。 二、主题 1、纳米磁性材料的发展史 磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，磁性是物质的基本属性之一。人们对物质磁性的认识源远流长，早在公元前四世纪,人们就发现了天然的磁石(磁铁矿Fe3O4),，据传说，那是黄帝大战蚩尤于涿鹿，迷雾漫天，伸手不见五指，黄帝利用磁石指南的特性，制备了能指示方向的原始型的指南器，遂大获全胜．古代取其名为慈石，所谓“慈石吸铁，母子相恋”十分形象地表征磁性物体间的互作用。人们对物质磁性的研究具有悠久的历史,是在十七世纪末期和十八世纪前半叶开始发展起来的。1788年,库仑(Coulomb)把他的二点电荷之间的相互作用力规律推广到二磁极之间的相互作用上。1820年,丹麦物理学家奥斯特(Oersted)发现了电流的磁效应;同年法国物理学家安培(Ampere)提出了分子电流假说,认为物质磁性起源于分子电流。
磁性材料分类
磁性材料 主要是指由过度元素铁,钴,镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质. 磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。 从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。 磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。 磁性材料的应用很广泛，可用于电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等。可用于记录语言、音乐、图像信息的磁带、计算机的磁性存储设备、乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等。 顺磁性 paramagnetism 顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，X约10-5～10-3，遵守Curie定律或Curie-Weiss定律。物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。 顺磁性是一种弱磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5)，并且随温度的降低而增大。 抗磁性 diamagnetism 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值，符号为κ。一般抗磁(性)物
磁性材料研究进展
磁性材料 引言 磁性材料作为重要的基础功能材料，已广泛用于信息、能源、交通运输、工业、农业及人们日常生活的各个领域，对社会进步和经济发展起着至关重要的推动作用。人们习惯按矫顽力的高低，对磁性材料进行分类：矫顽力大于1000A／m则称为硬磁材料，当硬磁材料受到外磁场磁化后，去掉外磁场仍能保留较高的剩磁，因此又称之为永磁材料或恒磁材料；矫顽力小于lOOA／m则称为软磁材料；矫顽力100A／m 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，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，该点常称为工作点。 饱和磁感应强度 Bs: 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; 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. 矩形比: Br/Bs; 矫顽力Hc: 是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等); 磁导率m:是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关 初始磁导率mi、最大磁导率mm、微分磁导率md、振幅磁导率ma、有效磁导率me、脉冲磁导率mp 居里温度Tc: 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降,达到某一温度时,自发磁化消失,转变为顺磁性, 该临界温度为居里温度. 它确定了磁性器件工作的上限温度 损耗P: 磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P=Ph+Pe=af+bf2+cPeμf2t2/,r 降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率r 在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为:总功率耗散（亳瓦特）/表面积（平方厘米） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 设计软磁器件通常包括三个步骤:正确选用磁性材料； 磁性材料的研究现状与应用 磁性材料是功能材料的重要分支，利用磁性材料制成的磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能，广泛地应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。 磁性材料大体上分为两类：其一为铁磁有序的金属磁性材料；其二绝大多数为亚铁磁有序、具有半导体导电性质的非金属磁性材料。磁性材料的发展过程大致可分为三个阶段：50年代以前主要研究金属磁性材料；50到80年代为铁氧体的黄金时代，除电力工业外，各领域中铁氧体占绝对优势；90年代以来，纳米磁性材料崛起。磁性材料由3d过渡族金属与合金的研究扩展到3d-(4f,4d,5d,5f)合金与化合物的研究与应用。同时，磁性功能材料也得到了显著的进展。 一、磁性的描述 磁及磁现象的根源是电流，或者说磁及磁现象的微观机制是电荷的运动形成原子磁矩造成的，而且，所有的物质都是磁性体，只是由于构成物质的原子结构不同，而显示出的磁学性能不同。有铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性、抗磁性以及无磁性等。描述材料的磁性的物理量有磁化强度M、磁化率χ、磁感应强度B、磁导率μ。 根据物质磁化率的符号和大小，可以把物质的磁性大致分为五类：抗磁体、顺磁体、铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体。影响材料性质的有磁化强度随温度的变化。即在不同温度下，磁化强度不同的性质。铁磁材料的自发磁化在居里温度Tc处发生相变，Tc以下为铁磁性，而Tc以上铁磁性消失。同样亚铁磁性材料也具有类似的特性。另外一个必须注意的因素便是磁各向异性，即磁学特性随材料的晶体学方向不同而不同的性质，典型特征便是在不同方向施加磁场会测得不同的磁滞回线。 磁性材料的基本特征可以分为两大类： (1)完全由物质本身(成分组分比)决定的特性。主要有饱和磁化强度Ms和磁感应强度Bs; (2)由物质决定,但随其晶体组织结构变化的特性。主要有磁导率、矫顽力Hc和矩形比Br/Bs，以及磁各向异性。 由此，利用和开发磁性材料就需要有分析技术和加工工艺两个方面的进展。从历史上而言，按材料加工技术进展区分，大体可有以下几个阶段： (1)熔炼铸造技术，获得铁及其合金等软磁和永磁材料。 (2)粉末冶金，开发绝缘性磁性材料、陶瓷材料和稀土永磁材料。 (3)真空镀膜，开发了镀膜磁性材料及非晶磁性材料，制成磁纪录介质及微磁学器件。 (4)单原子层控制技术，制备了定向晶体学取向型、巨磁电阻多层膜、人工超晶格等有特殊用途的磁性材料。 而磁性材料的开发和利用，也就是采取以上这几种技术工艺方法来加强所需要的性能，抑制不利于所需性能的因素。 二、软磁材料和永磁材料 软磁材料，也是高磁导率材料，是应用中占比例最大的传统磁性材料，多用于磁芯。是指由较低的外部磁场强度就可获得很大的磁化强度及高密度磁通量的材料，对这种材料的基本要求是： (1)初始磁导率μi和最大磁导率μm要高，以提高功能效率； (2)剩余磁通密度Br要低，饱和磁感应强度Ms要高,以节省资源并迅速响应外磁场； (3)矫顽力Hc要小，以提高高频性能； (4)铁损要低以提高功能效率； 国内磁性材料业状况和前景 1中国磁体产业的发展历程 目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性 材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类：20世纪 30年代开发的铝-镍-钴永磁（AlNiCo）；50年代初期开发的铁氧体磁体；60年代末开发的钐-钴磁体（Sm-Co），包括第一代稀土永磁－SmCo5和第二代稀土永磁－Sm2Co17；80年代初开发的稀土永磁钕铁硼（Nd-Fe-B）。而稀土永磁，特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分，在永磁材料中发展最快，平均以每年10％的速度增长。中国磁体 产业在中国的出现远较西方发达国家晚，起始期是1969年到1987年 之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少，所以到八十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987～1996的十年是 中国磁体产业开始发展的第一阶段，其特点是起点低：因为投资小， 设备简陋，生产设备基本完全是国产的，经营理念落后，仍局限于小 生产的模式。 1997～2002的五年是中国磁体产业发展的第二阶段，其特点是起点远高于前一阶段：投资强度大，引进一部分国外的先进技术设备，能够 按先进的工艺路线组织生产，产品质量一般属中低档。2003年起，中 国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”， 即高起点、高投入、高回报：1）产品瞄准特定用途所需的高档磁体； 投资规模巨大，引进整条先进生产线；2）按现代化管理的理念，组织 集约式分段联营的大生产：磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和 磁体制备，投资显著降低，效益则大为提升；3）按资本运作的规律运营，从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先 进的或采用国产先进生产线，生产高档的磁体产品。 进入21世纪，发达国家的磁体生产因为成本过高，已难以为继，世 界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移，中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材料制造企业看好中国，如日本的TDK、FDK、 关于磁性材料的发展研究综述 关键词：磁性材料、钕铁硼永磁材料、纳米磁性材料、磁电共存、应用及前景 摘要：磁性材料，是古老而用途十分广泛的功能材料，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。人们对钕铁硼永磁材料的研究和优化，是磁性材料进一步发展，并逐渐深入到纳米磁性材料的研发和研究…… 关于磁性材料的研究发展综述 一、磁性材料简介 实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，亚磁性物质，反磁性物质。根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性。实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因。我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料是指强磁性物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。 二、磁性材料分类 磁性是物质的一种基本属性。实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。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、硬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，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。 1、软磁材料软磁材料亦称高磁导率材料、磁芯材料，对磁场反应敏感，易于 磁化。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。。磁介质（铁粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、 羰基铁和铁氧体等粉料，经电绝缘介质包覆和粘合后按要求压制成形。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、硬磁材料硬磁材料，又称永磁材料，不易被磁化，一旦磁化，则磁性不易消 失。目前使用的永磁材料答题分为四类：①阿尔尼科磁铁：其构成元素Al、Ni、Co（其余为Fe），是强磁性相α1在非磁性相α2中以微晶析出而呈现高矫顽力的材料，对其进行适当处理，可增大磁积能。②铁氧体永磁材料：以Fe2O3为主要成分的复合氧化物，并加入钡的碳酸盐。③稀土类钴系磁铁：含有稀土金属的钴系合金，具有非常强的单轴磁性各向异性。④钕铁硼系稀土永磁合金：该合金采用粉末冶金方法制造，是由④Nd2Fe14B、 Nd2Fe7B6和富Nd相（Nd-Fe，Nd-Fe-O）三相构成，其磁积能是目前永磁材料中的最高纪录。 三、磁性材料的应用 由于磁体具有磁性，所以在功能材料中备受重视。磁体能够进行电能转换（变压器）、机械能转换（磁铁、磁致伸缩振子）和信息储存（磁带）等。 磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁 一. 磁性材料的基本特性 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，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，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：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。 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。 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ降低，磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 第三章磁性材料 物质磁性的研究是近代物理学的重要领域之一。磁性现象的范围很广泛。从微观粒子到宏观物体，以至于宇宙天体，都具有某种程度的磁性。 磁性现象很早就被发现，我国人民在3000多年前就发现了磁石（Fe3O4）能相互吸引及磁石吸引铁的现象。我国古代的四大发明之一指南针即是例证。 随着近代科学技术的发展，由于金属和合金磁性材料的电阻率低，损耗大，已不能满足应用的需要，尤其在高频范围。 磁性无机材料科学技术除了有高电阻、低损耗的优点以外，还具备各种不同的磁学性能，因此他们在无线电电子学、自动控制、电子计算机、信息存储，激光调制等方面，都有广泛的应用。 磁性无机材料一般是含铁及其他元素的复杂氧化物，通常称为铁氧体（ferrite）,它的电阻率为10—106Ω·m，属于半导体范围。目前，铁氧体已发展成为一门独立科学。 第一节磁性的广泛 物质的磁性来源于原子的磁性。 原子的磁性包括三个部分：电子的自旋磁矩、电子的轨道磁矩（由电子绕原子核的运动产生）和原子核的磁矩。 原子核的磁矩一般比电子的磁矩小的多（相差三个数量级），可以忽略不计。所以原子的总磁矩是电子的自旋磁矩和轨道磁矩的总和。 电子绕原子核运动产生的轨道磁矩和角动量的比值r为： 电子的自旋磁矩和角动量的比值为： 这表明，电子自旋运动的磁矩比轨道运动的磁矩大一倍。 实验证明，原子组成分子或宏观物体后，其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩，因为原子之间的相互作用会引起磁矩的变化。 很多磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为在晶体中，电子的轨道磁矩受晶体（格）场的作用，或者说轨道磁矩被“猝灭”或“冻结”了， 第27卷第4期2012年8月 大学化学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.27No.4 Aug.2012 分子磁性材料及其研究进展* 袁梅 王新益 张闻 高松** (北京大学化学与分子工程学院 北京100871) 摘要 对分子磁性材料的一些基本概念和磁学现象作了简单介绍,主要包括磁耦合二磁有序二磁弛豫和自旋交叉等几个方面三重点综述了单分子磁体二单链磁体二自旋交叉化合物二多功能复合磁体以及磁性分子组装领域的研究进展三 关键词 分子磁性 单分子磁体 单链磁体 自旋交叉 多功能复合磁体 分子磁性材料是一类通过化学方法将自由基或顺磁离子(包括过渡金属离子和稀土金属离子)及抗磁配体以自发组装和控制组装的方式组合而形成的磁性化合物三由于较传统磁体有着密度小二透明度高二溶解性好二易于加工二可控性好等优点,并有望在航天材料二微波材料二信息记录材料二光磁及电磁材料等领域得到应用,所以近年来对分子磁性的研究已经成为化学二物理学以及材料科学等多个领域研究的热点之一[1]三 分子磁性是指由材料中具有未成对电子的顺磁中心在配位化学环境中通过孤立或者协同作用表现出来的行为三通过研究孤立顺磁离子在配体场中的自旋状态,人们可以实现高低自旋态之间的转变,并通过温度二压力二光照等外场实现可控调节[2];通过研究自旋之间的协同行为,人们可以对磁耦合作用二磁有序温度等进行调节,从而得到各种具有不同体相磁性质的材料三除了常见的抗磁二顺磁二铁磁二亚铁磁和反铁磁性外,在分子磁性材料中还发现了很多新颖和复杂的磁现象,如单分子磁体二单链磁体二自旋交叉等磁性双稳态,spin?flop转变,变磁性和弱铁磁性等三化学家希望在分子化合物中实现和观察到这些新的磁现象,给物理学家提供新的研究模型,进而探讨它们的物理机制三本文将对这些分子磁性材料的基本概念和各种磁现象作简单介绍,并对目前的若干研究热点如单分子磁体二单链磁体以及自旋交叉配合物等作重点介绍[3?5]三 1 磁耦合[6?10] 要得到具有协同磁作用的磁性材料,体系中就必须存在磁耦合三在量子理论中,耦合也称为交换(exchange),最重要的几种交换作用包括直接交换二间接交换二各向异性交换以及偶极?偶极交换等三1.1 直接交换 直接交换(direct exchange)作用起源于相邻原子轨道的重叠,仅涉及相邻原子局域的电子自旋,即原子间没有其他原子来隔开传递交换的通路三这种作用主要存在于金属和合金中,而在金属配合物中则可以被忽略三 * **基金资助:国家自然科学基金项目;科技部项目通讯联系人,E?mail:gaosong@https://www.wendangku.net/doc/4b13597727.html, 《磁性材料的研究进展》 学院：物理与材料科学学院 班级：13级材料物理 姓名: 王郁 学号：B51314019 指导老师：李秋菊 完成日期：2016年5月11日 摘要： 目前，磁性材料蓬勃发展，磁性材料的应用已渗透到国防、工业、信息等各个领域，对我们的生活产生了巨大的影响。同时，各种新磁性材料的诞生，也不断推动着现代材料科学的进展。本文对磁性材料进行了概述，并简介了其最新研究进展，尤其是对稀土磁性材料、巨磁电阻材料、纳米微晶磁性材料的研究进展进行了详细论述。 关键词： 磁性材料铁氧体稀土磁性材料巨磁电阻材料 前言 磁性材料广义上分为两大类:软磁材料和硬磁材料。软磁材料能够用相对低的磁场强度磁化,当外磁场移走后保持相对低的剩磁。软磁材料的矫顽力为400～0116A?m-1 ,主要应用于任何包括磁感应变化的场合。硬磁材料是在经受外磁场后能保持大量剩磁的磁性材料,这类磁性材料的典型矫顽力值,Hc为10～1000kA?m-1 ,具有高Hc值的硬磁材料称为永磁材料,主要用于提供磁场。磁性材料的磁导率、矫顽力、磁致损失、剩磁和磁稳定性是结构敏感性的,这些性能可以通过加工(包括机械加工和热处理)来控制。目前,磁性材料的研究方向主要有软磁材料、硬磁材料、磁力学材料、磁电子材料。磁性材料的进展大致上分几个历史阶段：当人类进入铁器时代时，标志着金属磁性材料的开端。直到18世纪，金属镍、钴相继被提炼成功，这一漫长的历史时期是3d过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段；20世纪初期，FeSi、FeNi、FeCoNi磁性合金人工制备成功，并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业，成为3d过渡族金属磁性材料的鼎盛时期；从20世纪50年代开始，3d过渡族的磁性氧化物(铁氧体)逐步进入生产旺期，由于铁氧体具有高电阻率，高频损耗低等优点，从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料，标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段；1967年，SmCo合金问世，这是磁性材料进入稀土-3d化合物领域的历史性开端。巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土-3d化合物磁性材料的内涵。1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现，更添磁性材料新风采。1988年，磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕．因此从20世纪后期延续至今，磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期，并融入到信息行业，成为信息时代重要的基础性材料之一。 1、磁性材料的分类 磁性材料从材质和结构上讲，可分为金属及合金磁性材料和“铁氧体磁性材料两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料[1]。从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等种类。软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料；而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了，因为金属在高频和微波频率下将产生巨大的涡流效应，导致金属磁性材料无法使用，而铁氧体的电阻率非常高，将有效的克服这一问题、得到广泛应用。磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液 磁性材料 一.磁性材料的基本特性 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，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，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度Bs：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。 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。 矩形比：Br∕Bs 矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度T c：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗P：磁滞损耗P h及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe f2 t2 / ∝，ρ降低， 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mW）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 二、软磁材料的发展及种类 1.软磁材料的发展 软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳 中国磁性材料产业现状及其发展展望(1) 摘要：磁性材料是各种电子产品主要的配套产品，无论是消费家电产品和工业类如计算机、通讯设备、汽车，以及国防工业均离不开磁性材料。当前，中国各种磁性材料的产量基本上世界第一，成为磁性材料生产大国和磁性材料产业中心。中国磁性材料的中长期市场前景十分光明，中国的磁性材料产品在全球的地位必将进一步提高。必须加强科技创新力度、加强技术改造加强企业管理水平，调整产业结构和提高产品档次，使中国磁性材料从大国走向强国。本文着重从宏观角度分析了中国磁体产业整体情况，介绍了稀土永磁材料特别是中国钕铁硼烧结和粘结产业现状，以及中国新型的稀土永磁材料的研究开发情况，同时对我国磁体产业发展前景进行了预测和分析。 1 中国磁体产业的发展历程 目前，全球的经济已进入了一个信息时代，作为一种功能材料，磁性材料所占的地位越来越重要。当前主要的商品磁体共有4类：20世纪30年代开发的铝-镍-钴永磁；50年代初期开发的铁氧体磁体；60年代末开发的钐-钴磁体，包括第一代稀土永磁－SmCo5和第二代稀土永磁－Sm2Co17；80年代初开发的稀土永磁钕铁硼。而稀土永磁，特别是钕铁硼是磁性材料里最重要的一部分，在永磁材料中发展最快，平 均以每年10％的速度增长。中国磁体产业在中国的出现远较西方发达国家晚，起始期是1969年到1987年之间。因为当时的稀土永磁钐钴磁体的高成本、国内市场的需求量少，所以到八十年代初还没有形成自己的磁体工业。1987～1996的十年是中国磁体产业开始发展的第一阶段，其特点是起点低：由于投资小，设备简陋，生产设备基本完全是国产的，经营理念落后，仍局限于小生产的模式。 1997～20XX的五年是中国磁体产业发展的第二阶段，其特点是起点远高于前一阶段：投资强度大，引进一部分国外的先进技术设备，能够按先进的工艺路线组织生产，产品质量一般属中低档。 20XX年起，中国磁体产业的发展将进入第三阶段。企业建立的特点将是“三高”，即高起点、高投入、高回报：1）产品瞄准特定用途所需的高档磁体；投资规模巨大，引进整条先进生产线；2）按现代化管理的理念，组织集约式分段联营的大生产：磁体生产分为两段—母合金/粉料的生产和磁体制备，投资显著降低，效益则大为提高；3）按资本运作的规律运营，从而保证磁体产业较高的回报率。特别是有可能从国外引进最先进的或采用国产先进生产线，生产高档的磁体产品。 进入21世纪，发达国家的磁体生产由于成本过高，已难以为继，世界磁性材料行业纷纷向中国或第三世界地区转移，中国作为首选的国家。世界一些著名的磁性材料制造企 磁铁的材质及性能 一、磁铁的种类 磁铁的种类很多，一般分为永磁和软磁两大类，我们所说的磁铁，一般都是指永磁磁铁，永磁磁铁又分二大分类： 第一大类是：金属合金磁铁包括钕铁硼磁铁（Nd2Fe14B）、钐钴磁铁(SmCo)、铝镍钴磁铁（ALNiCO） 第二大类是：铁氧体永磁材料（Ferrite） 1、钕铁硼磁铁：它是目前发现商品化性能最高的磁铁，被人们称为磁王，拥有极高的磁性能，其最大磁能积(BHmax)高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。其本身的机械加工性能亦相当之好，工作温度最高可达200摄氏度。而且其质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比，故其应用极其广泛。但因为其化学活性很强，所以必须对其表面凃层处理。(如镀Zn,Ni,电泳、钝化等)。 2. 铁氧体磁铁：它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成，质地比较硬，属脆性材料，由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中，已成为应用最为广泛的永磁体。 3. 铝镍钴磁铁：是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，可加工性很好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温度可高达600摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。 4、钐钴磁铁（SmCo）：依据成份的不同分为SmCo5和 Sm2Co17。由于其材料价格昂贵而使其发展受到限制。钐钴（SmCo）作为稀土永磁铁，不但有着较高的磁能积（14-28MGOe）、可靠的矫顽力和良好的温度特性。与钕铁硼磁铁相比，钐钴磁铁更适合工作在高温环境中。 二、磁铁使用注意事项 下面是关于磁铁的使用注意事项，在使用磁铁产品之前请您务必先行阅读。 1．磁铁在使用过程中应确保工作场所洁净，以免铁屑等细小杂质吸附在磁铁表面影响产品的正常使用。 2．钕铁硼磁铁适宜存放在通风干燥的室内，酸性、碱性、有机溶剂、水中、高温潮湿的环境容易使磁体产生锈蚀，镀层脱落磁体粉化退 我国磁性材料行业发展概况及行业竞争 格局分析 磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和航空航天等工业领域和家用电器、儿童玩具等日常生活用品。 由于依据的重点不同，磁性材料有着不同的分类。磁性材料按应用类型分类，可分为软磁材料、永磁（或硬磁）材料、磁存储矩磁材料、微波旋磁材料、磁敏感（磁致伸缩）压磁材料及其它磁补偿材料等。按导电性能，又可分为金属磁性材料、铁氧体磁性材料、稀土磁性材料和其他非金属磁性材料。 磁性材料具体应用领域及产品 资料来源：产业信息网整理磁性材料产业链 磁性材料行业，从广义上讲，是将矿物材料或金属材料通过深加工将其变成与相关产业配套的零部件产品的制造行业，其产品不是最终的消费品，所以处于中游行业。 磁体行业产业链 永磁产品上游主要是钢铁制造，提供主要原材料铁鳞和铁红。下游行业主要有汽车、计算机及办公设备、家电、电动工具和电动玩具。软磁上游产业是钢铁制造行业和化工行业，钢铁制造行业提供主要原材料铁红，化工行业提供四氧化三锰、氧化锌，氧化镍等。下游包括计算机及办公设备、家电、消费电子、汽车、通讯设备、节能灯及LED等。 2013年全球、中国及横店东磁磁体产量 产业信息网发布的《2013-2018年中国磁性材料行业深度研究及投资前景评估报告》指出：二十一世纪经济全球化和国际产业结构的调整，我国正在形成全球最大的电子元件消费市场，这带动我国磁性材料的持速发展。2004-2012年，全球永磁材料和软磁材料产量的年复合增长率达到10%多，中国磁性材料产量一直位居世界第一。全球的永磁、软磁产量为105万吨和50万吨左右，中 磁性材料应用与进展 庞丽丽 (萍乡学院，13级无机非金属材料1班，学号13461025) 摘要磁性材料广泛的用在我们的生活之中，特别在节约能源方面的应用。新型的纳米结构自旋电子学材料已是磁性材料领域中的传奇。 关键词磁性材料、自选电子学、永磁、软磁。 Abstract:Magnetic materials are widely used in our lives, p articularly in the application of energy conservation. Structure of new Nano-spintronics material is legendary in th e field of magnetic materials. Key words: Magnetic materials. Spin electronics. Permanent magnet.Soft magnetic. 1引言 磁性材料，通常所说的磁性材料是指强磁性物质，是古老而用途十分广泛的功能材料。而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。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。而通常认为，磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。 20世纪80年代在(Fe/Cr/Fe)n纳米多层膜中发现了巨磁电阻效应,其物理本质是薄膜厚度小于自旋扩散长度,因此电子在输运过程中将保持自旋方向,通过外磁场可以改变自旋方向,从而改变电阻值,这发现开拓了在电子输运过程中通过调控自旋,显示与利用自旋特性的新领域,从而产生重要的自旋电子学新学科,利用调控自旋的特性,首先制备成高灵敏度的磁盘读出磁头,使磁盘的记录密度提高千倍,至今保持着信息存储的主流地位,其产值超过300亿美元,此外各种利用磁电阻效应的新颖传感器脱颖而出,其应用领域十分宽广。与微电子技术相结合,目前已研发成磁随 机储存器,MRAM,不同类型的MRAM如STT-MRAM;MeRAM等可统称为自旋芯片，自旋芯片属于核心高端芯片,是科技关键核心技术,可军民两用,具有高达上千亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片。[1] 2磁性材料 - 分类[2] 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材料基本特性
磁性材料的研究现状与应用
国内磁性材料业状况和前景
关于磁性材料的发展研究综述
磁性材料的基本特性及分类参数
第三章 磁性材料
分子磁性材料及其研究进展
磁性材料的研究进展汇总
磁性材料特性
中国磁性材料产业现状及其发展展望(1)
磁铁的材质及性能
我国磁性材料行业发展概况及行业竞争格局分析
磁性材料应用与进展