磁性材料

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目錄

什麼是磁性材料[1]

  磁性材料主要是指由過渡元素鐵、鈷、鎳及其合金等組成的能夠直接或間接產生磁性的物質。

磁性材料的分類[2]

  磁性材料從材質和結構上講,分為金屬及合金磁性材料和鐵氧體磁性材料兩大類,鐵氧體磁性材料又分為多晶結構和單晶結構材料。

  從應用功能上講,磁性材料分為:永磁材料、軟磁材料、磁記錄-矩磁材料、旋磁材料等等種類。軟磁材料、永磁材料、磁記錄-矩磁材料中既有金屬材料又有鐵氧體材料;而旋磁材料和高頻軟磁材料就只能是鐵氧體材料了,因為金屬在高頻和微波頻率下將產生巨大的渦流效應,導致金屬磁性材料無法使用,而鐵氧體的電阻率非常高,將有效的剋服這一問題、得到廣泛應用。

  磁性材料從形態上講。包括粉體材料、液體材料、塊體材料、薄膜材料等。磁性材料的應用很廣泛,可用於電聲、電信、電錶、電機中,還可作記憶元件、微波元件等。可用於記錄語言、音樂、圖像信息的磁帶、電腦的磁性存儲設備、乘客乘車的憑證和票價結算的磁性卡等。

  1.永磁材料

  一經外磁場磁化以後,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,抗退磁能力強,磁能積(BH)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,後兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類:主要成分為MO·6Fe203,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。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。

  2.軟磁材料

  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、C0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後按要求壓製成形。④鐵氧體:包括尖晶石型——MO·Fe203(M代表NiZn、MnZn、MgZn、Lil/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁鉛石型——Ba3Me2Fe24041(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其複合組分)。

  3.矩磁材料和磁記錄材料

  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。旋磁材料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、雙摺射和自旋波等效應。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、衰減器、相移器、詞制器、開關、限幅器及延遲線等,還有尚在發展。

磁性材料的應用[3]

  1.磁性材料在傳統工業中的應用

  其實我們的生活中處處都可見磁性材料,有時你遇到它或許會不知道那是什麼東西,就像生活中的Fe_30_4一樣,生活中隨處可見的鐵鏽,但是你卻不知道其實它就是一種天然的磁石。在我們傳統的工業生產中,磁性材料的應用也是十分廣泛的,甚至是隨處可見。就像發電時要用到的發電機、輸電時要用到的變壓器汽車電動機、還有平時我們打電話要用的電話機等等。這些都是日常生活中我們常見的東西,它們的製造都離不開磁性材料,可見我們傳統的工業製造也是離不開磁性材料的。由於眾多的器件設備都要用到線圈結構,因此沒有磁性材料我們將無法實現現代生活的電氣化,我們的生活也會缺少很多的樂趣。可見磁性材料對傳統工業的重要性。

  2.磁性材料在生物醫學中的應用

  早在2000多年的前,磁性材料就應用於醫學界,各國均有利用磁石作為內服和外用藥物的記錄。據我國著名藥物學家李時珍所著《本草綱目》一書記載,磁石的性能為:辛、寒、無毒,同時書中列舉了磁石的十餘種應用,並附有處方和用法。

  其實,現在非常多的醫學設備也都是由磁性材料製造的,如在醫學上我們通過觀察核磁共振的現象來診斷人體異常的組織,從而可以診斷疾病。這是我們比較熟悉的一項技術。它主要是因為原子核本身帶正電荷,並且能進行無序的自由旋轉運動。將原子核放置於外加磁場時,原子核的運動開始趨向於有序性。自旋系統的磁化的矢量從零開始增加,當系統達到穩定時,磁化強度達到一個穩定的值。如果此時原子核的自旋系統受到外力干擾,即可引起共振效應。核磁共振的特點是能夠流動的液體是不會產生信號的,因此被稱為流動效應,或者流動空白效應。正是由於這個特點在做核磁共振時呈現灰白色管狀結構就是人體的血管,無信號的黑色即流動的血液。

  2O世紀8O年代出現的納米磁性材料是一種新型的磁性材料,可利用磁性納米材料進行疾病診斷,這也是在疾病鑒別診斷中常用的一種手段。經過2000多年的發展,生物磁性材料的研究有了很的發展和進步,儘管有許多生物磁性材料還處於測試階段,相信不久的將來,隨著生物工程、材料工程,生物磁學的發展和進步,磁性材料會更廣泛的被應用於臨床試驗,進而為醫學的發展作出更大的貢獻。

  3.磁性材料在軍事領域中的應用

  2l世紀是一個科技高速發達的時代,在高科技的基礎之上,增強國家的軍事力量是每個國家的首要任務,也是國家面臨的最嚴峻考驗和挑戰。一個國家的軍事力量的強弱關係著這個國家的國際地位,一個國家的軍事力量強,那就代表著這個國家在經濟文化等其他方面都處於不敗之地。

  磁性材料在軍事方面也有很廣泛的應用,對增強各國的軍事力量,可謂是功不可沒。例如,雷達的應用,還有電磁炮的使用,電磁炮就是將炮彈放在螺線圈中,螺線圈通電會產生磁場,磁場會作用於炮彈而對炮彈產生推動力,從而將炮彈射出,這是一種新研發的“電磁式武器”,電磁導彈也是根據這種原理而研發成功的新型武器。

  4.磁性材料在其他方面的應用

  磁性材料在其他的方面也有廣泛的應用,例如考古、地質、天文和採礦等方面。

  自然界中鴿子可以認路,那是因為鴿子可以識別地球的磁場,如果在鴿子的身上加一磁鐵那麼鴿子就會因為磁鐵擾亂了地球的磁場而迷失方向。實際上不同年代的岩石往往會具有不同性質的磁性,因此可以根據岩石的磁性來幫助判斷地殼的運動和年代的變化;太陽黑子足一種人們熟識的太陽活動,那是由於爪陽上的磁場活動非常劇烈,這會影響我們正常的生活,會導致無線電通信的暫時停滯、中斷等,可見對太陽黑子的研究對我們的生活是非常有幫助的,另外類似的還有北極光現象等。

磁性材料的研究和發展趨勢[4]

  磁性材料的發展經歷了從無機到有機、固態到液態、巨集觀到介觀、電子磁有序到核磁有序強磁材料、單一型到複合型,並且顯現出優異的磁性能和綜合特性.磁性材料由於分類標準和側重點不同,有著不同的分類.一般磁性材料按應用類型分類可以分為:永磁材料、軟磁材料等.下麵就永磁和軟磁材料的研究和發展綜述如下.

  1.永磁材料的研究和發展趨勢

  永磁材料又稱硬磁材料,是歷史上發現最早、應用也最早的強磁材料.20世紀60年代以來全球永磁材料的產值每隔十年就增長2.5倍,2000年的產值已達到65億美元,約占磁性材料總產值的70%,是目前種類最多和應用最廣的一大類磁性材料.

  永磁材料一般可分為:稀土永磁材料、金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料及其他永磁材料.其中,鐵氧體永磁材料自20世紀50年代批量生產以來,儘管綜合磁性能較低,但發展勢頭十分迅猛,2000年的產值為26億美元,占整個永磁材料產值的40%左右,預計在今後較長的一段時間內,它仍將是應用廣泛、需求量很大的一類永磁材料.而稀土永磁材料的問世,使永磁材料的性能突飛猛進,稀土永磁材料發展到今天,已經經歷了SmCo5Srnm2zCo17Nd2Fe14B等三個發展階段.2000年稀土永磁材料的產值為34億美元,占整個永磁材料產值的52%.目前NdFeB產值年增長18% ~20%,已占整個永磁材料產值的40%以上444kJ/m3,並已進人規模生產,預計“十五”期間我國NdFeB總產量將達50000 t左右,銷售總額將達150億元人民幣.2010年,預計我國燒結NdFeB的產量將達到7×104 t,占全球產量的75%;粘結NdFeB的產量將達到1×104 t,占全球產量的50%;年產值將達260億元人民幣。永磁材料具有下列一些磁性上的特點:高的最大磁能積、高的矯頑力和內稟矯頑力、高的剩餘磁通密度和剩餘磁化強度以及高的居裡溫度和穩定性.永磁材料具有廣泛的應用領域,從軍工到民用,從小到手錶、照相機、CD機、攝像機,大到汽車、發電機、醫療器械、懸浮列車,永磁材料幾乎無所不在,特別是稀土永磁材料更是發揮著重要的作用.近10年來,隨著我國經濟的發展,對永磁材料的需求量迅速增加,對永磁材料性能的要求也不斷提高,稀土永磁產品可使現有應用產品尺寸進一步縮小,性能大幅改善,適應了當今社會輕、薄、小的需求.例如筆記本型電腦、機器人小型化等都是高性能稀土永磁材料應用的結果。正如半導體材料的發展帶動了電腦和信息產業的發展一樣,新型稀土永磁材料也促進了相關高技術產業的發展.而隨著科技的發展,磁性材料應用領域在不斷擴大,傳統的永磁材料性能也在不斷提高。

  目前,永磁材料的研究和發展方向主要有以下兩個:第一個研究方向是探索和發展新型的稀土永磁材料.如ThMn_{12}型體合物、Sm2Fe17NxSm2Fe17C化合物等.Sm-Fe-N系稀土永磁有與Nd-Fe-B系永磁相近的飽和磁化強度和(BH)m理論值,但各向異性場卻高出2.5倍,居裡溫度高出160K。自問世以來,發展十分迅速,通過合理調整成分,尋求適當的製備方法,優化磁體製備工藝,充分挖掘潛在磁性能,降低生產成本,提高磁體質量,Sm—Fe—N系合金很有希望成為新型實用永磁材料。

  另一個研究方向是研製納米復相永磁材料.通常軟磁材料的飽和磁化強度高於永磁材料,而永磁材料的磁晶各向異性又高於軟磁材料,如將軟磁相與永磁相在納米尺度範圍內進行複合,顆粒間將會產生強烈的交換耦合作用,而導致剩磁增強,這種以”交換彈性偶合”組成的納米複合材料是獲得高磁能積的新途徑,從而獲得同時具有兩者優點的高飽和磁化強度、高矯頑力的新型永磁材料.它的理論磁能積高達960 kJ/m3(120MGOe),遠高於目前磁能積最高的NdFeB磁體,而它的稀土含量僅占5wt%左右,從而大大降低了成本.這種材料由於具有高剩磁、高磁能積、高矯頑力和相對低的稀土含量以及相對成本較低,因此有望成為新一代永磁材料,是目前研究的熱點之一。

  2.軟磁材料的研究和發展趨勢

  軟磁材料是既容易受外加磁場磁化,又容易退磁,矯頑力很低的磁性材料.其主要特征是:高的磁導率、低的矯頑力、高的飽和磁通密度、低的磁(功率)損耗以及高的穩定性.目前應用的軟磁材料,因使用功率、頻率的不同要求及材料磁特性的不同可分為Fe-Si系、Fe—Ni系、鐵氧體系、非晶材料系和其他系等.軟磁材料發展到今天已有近百年的歷史,它的發展及其應用帶動了諸如電力電子技術等許多相關技術領域的發展,促進了社會的進步.在軟磁材料的發展史上,最有代表性的材料有硅鋼、鐵氧體、坡莫合金、非晶及納米合晶等.2000年全球金屬軟磁合金的產值為151億美元,占整個軟磁材料產值的72%;軟磁鐵氧體的產值為l5億美元,占整個軟磁材料產值的7%左右。目前軟磁材料已廣泛應用於工業自動化設備及電子儀器儀錶、通訊設備電力、電腦及其外設等方面,是品種最多、應用最廣的磁性材料之一。

  隨著電子技術和市場需求的發展,促使電子產品向高頻化、輕量化、小型化和高性能方向發展,從而帶動軟磁材料及其技術不斷發展.目前軟磁材料的研究和發展趨勢主要表現在:(1)研究和開發高性能的軟磁鐵氧體材料,尋找新的應用領域並促使其發展.隨著開關電源高頻化、低功耗、小型化、輕量化以及電子設備數字化技術的發展和滿足高檔小型化電感器及減少、抑制、消除電磁污染和干擾的需要,高磁導率材料向更高磁導率和高工作頻率發展,偏轉磁芯材料向高頻、低耗發展,高頻軟磁鐵氧體向片式化和抗干擾方向發展.在鐵氧體軟磁高磁導率(μi)材料方面,日本TDK公司在過去生產H5C2(μi=10000)的基礎上,20世紀90年代又先後推出H5C3(μi=13000)、H5D(μi =l5O00)和H5E(μi=18000)材料,用這種材料製作的電感器、扼流器、寬頻變壓器和脈衝變壓器,需求量很大,可廣泛應用於數字技術光纖通信高技術領域;在鐵氧體抗電磁干擾材料及元件方面,TDK公司也已經開發出6種EMI吸收材料、71種抗EMI器件,是目前世界上開發生產鐵氧體吸收材料及抗EMI器件品種最全、水平最高的企業;在鐵氧體軟磁高頻低功耗材料方面,日本TDK、東京鐵氧體等公司已能大批量生產PC40、PC44、PC50等第三、四代材料,其使用頻率一般為數百kHz-1MkHz,為開關電源的小型化作出了貢獻.另外,為適應電腦顯示器、大屏幕彩電和HDTV發展的需要,TDK等公司在2O世紀90年代初還開發出用於製作回掃變壓器的HV22、HV38、HV45高頻鐵氧體材料,具有極低的功耗和高飽和磁感應強度。(2)隨著現代電子、電力技術的發展,要求軟磁材料集高飽和磁通密度、低損耗、高導磁、高穩定性、低成本於一身,這就要求我們探索和發展新型的軟磁材料,例如:非晶合金、超微晶、納米晶軟磁材料等.20世紀80年代日本學者YoshizawaY.等人研製出來的納米晶合金Fe-si-B-M,具有優異的綜合軟磁性能,是軟磁材料發展史上一個新的里程碑.而且,自1988年日本的吉尺克仁等發明Fe- Cu-Nb-Bn納米晶軟磁合金以來,日本至今已公佈了多種納米晶軟磁合金牌號Fimnet,並投入了實際應用,在高技術領域日益顯示出其重要性。雖然,目前納米晶合金軟磁材料需進一步完善其工藝性能和磁性能,但納米晶軟磁合金仍然是一個十分有價值的研究領域,在今後的很長時間里將繼續是軟磁材料的主要研究方向和熱點之一。

參考文獻

  1. 王曉麗.磁性材料在感測器中的應用[J].科技風,2012(8)
  2. 金鑫.磁性材料及其應用研究[J].現代商貿工業,2010(24)
  3. 周益新.重要磁性材料的應用淺談[J].矽谷,2013(17)
  4. 畢見強,孫康寧.尹衍升.磁性材料的研究和發展趨勢[J].山東大學學報(工學版),2003(3)
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