永磁材料

1、磁性材料基础知识1）概述磁性材料可以有不同的分类方式：按其应用可以分为：硬（永）磁材料，软磁材料、磁信息材料、磁光材料等；按其电性能可分为：金属磁性材料和非金属磁性材料（主要是铁氧体）；按原子排列状态可分为：多晶磁性材料、单晶磁性材料、非晶磁性材料和磁性液体四大类。

永磁材料人类最早发现和应用,同时也是目前种类繁多、进展迅速和应用广泛的磁性材料。

从二十世纪初，标志永磁材料性能的最大磁能积BHmax就随年代呈指数关系增长。

目前用的永磁材料，按最大磁能积大小可分为①高磁能积永磁材料，一般指BHmax大于160KJ/m3的材料,这包括SmCO5型、Sm2CO5型和NdFeB型稀土永磁材料。

我国是世界上稀土蕴藏量最丰富（占世界总蕴藏量的80%以上）的国家,稀土永磁材料的研究和生产水平居世界前列。

②中磁能积永磁材料，BHmax在32～80KJ/m3之间。

目前主要FeCrCo系等两类材料。

③低磁能积永磁材料， BHmax＜32KJ/m3。

目主要有钡（锶）铁氧体和含Co量低的AlNiCo系和FeCrCo系材料。

其中铁氧体永磁材料因价格低、矫顽力高，在目前各国的永磁材料生产上，产值和产量都居首位。

我们生产的也正是此类磁性材料——锶永磁铁氧体材料。

永磁铁氧体材料的性能分类有多种分类，常见的标准有国家标准、国际标准和日本TDK公司标准，但各磁性材料生产企业常常都有自己的企业标准，我们也有自己的企业标准。

（）2）磁学基本术语磁场：（国际电工委员会IEC的定义）电磁场的组成部分，采用磁场强度H和磁通密度B表示其特征。

（我国国家标准定义）磁场是一种场，其特征可在场内运动着的带电粒子所受的力来确定，这种力源于粒子的运动及其所带电荷。

磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单位是安/米（A/m）。

在任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率μ的比值称为该点的磁场强度H ，即：H=B/μ。

方向与磁力线在该点处的切线方向一致，单位：安/米（A/m）注意事项：磁场强度H与磁感应强度B 的名称很相似，切忌混淆。

H 是为计算的方便引入的物理量。

磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，用M表示，单位是安/米（A/m）。

磁感应强度：磁感应强度B的定义是：B=m0(H+M)，其中M和H分别是磁化强度和磁场强度，而m0是一个系数，叫做真空导磁率。

磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T）。

磁感应强度（磁通密度）：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的磁场力F跟电流强度I和导线长度L的乘积IL的比值叫做通电导线所在处的磁感应强度，B=F/IL。

又因为ф=BS，则B=ф/S，所以，磁感应强度又等于穿过单位面积的磁通量，故磁感应强度又叫磁通密度。

磁通量：垂直于某一面积所通过的磁力线的多少叫做磁通量或磁通，用ф表示,ф=BS，单位韦伯（Wb）。

如果磁感应强度为B，某平面的面积为S，该平面与磁感应强度的方向间的夹角为θ，那么该平面的磁通量为ф=BSsinθ。

导磁率：导磁率的定义是m=B/m0H，是磁化曲线（见材料的静态磁化）上任意一点上B和H的比值。

导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度。

磁滞回线：铁磁体从正向至反向，再至正向反复磁化至技术饱和一周，所得到的B与H的闭合关系曲线称为磁滞回线。

剩磁Br、 UoMr或4πMr ：永磁体从磁化至技术饱和并去掉外磁场后，所保留的Mr、UoMr或4πMr或Br，分别称为剩余磁化强度，剩余内禀磁感应强度和剩余磁感应强度，它们统称为剩磁。

矫顽力Hcb、 Hcj ：使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力，同理，使内禀磁感强度UoM或Mr降低至零所需的反向磁场强度称为内禀矫顽力。

最大磁能积：(BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。

弯曲点Hk：通常将内禀退磁曲线上的点Bi=0.9Br相对应的磁场称为弯曲点磁场Hk，Hk越大意味着内禀退磁曲线的方形度越好。

剩磁温度系数（αBr）温度在某范围内变化时剩余磁感应强度可逆变化的百分数与温度变化度数的比值，称为剩余磁温度系数。

磁化强度矫顽力温度系数（βHcj）温度在某范围内变化时，磁化强度矫顽力可逆变化的百分数与温度变化度数的比值。

3）磁性基本现象自发磁化：原子的核外电子围绕核旋转会产生磁矩，磁矩不能抵消，从而产生剩余的磁矩。

但是，如果每个原子的磁矩仍然混乱排列，那么整个物体仍不能具有磁性。

只有所有原子的磁矩沿一个方向整齐地排列，就象很多小磁铁首尾相接，才能使物体对外显示磁性，成为磁性材料。

这种原子磁矩的整齐排列现象，就称为自发磁化。

既然磁性材料内部存在自发磁化，那么是不是物体中所有的原子都沿一个方向排列整齐了呢？当然不是，否则，凡是钢铁等就会永远带有磁性，成为一块大磁铁，永远能够相互吸引了（实际上，两块软铁不会自己相互吸引）。

事实上，磁性材料绝大多数都具有磁畴结构，使得它们没有磁化时不显示磁性。

磁畴：所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。

也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。

只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。

居里温度：对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。

一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。

在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性的。

利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。

例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。

在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。

当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。

当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。

锶铁氧体永磁材料的居里温度在450—460℃附近，我们常在小电炉将产品退磁、以及测试性能后的产品退磁、余磁产品退磁也正是基于此原理.什么是永磁材料的磁性能，它包括哪些指标永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。

我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。

永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数 , ?)、回复导磁率 rec.)、退磁曲线方形度 rec., Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。

除磁性能外，永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。

此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。

什么叫磁场强度(H)1820年，丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转，从而揭示了电与磁的基本关系，诞生了电磁学。

实践表明：通有电流的无限长导线在其周围所产生的磁场强弱与电流的大小成正比，与离开导线的距离成反比。

定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线1/(2?)米远处的磁场强度为1A/m(安/米，国际单位制SI)；在CGS单位制(厘米-克-秒)中，为纪念奥斯特对电磁学的贡献，定义载有1安培电流的无限长导线在距离导线0.2厘米远处的磁场强度为1Oe（奥斯特），1Oe=1/(4?)?103A/m。

磁场强度通常用H表示。

什么叫磁极化强度(J)，什么叫磁化强度(M)，二者有何区别现代磁学研究表明：一切磁现象都起源于电流。

磁性材料也不例外，其铁磁现象是起源于材料内部原子的核外电子运动形成的微电流，亦称分子电流。

这些微电流的集合效应使得材料对外呈现各种各样的宏观磁特性。

因为每一个微电流都产生磁效应，所以把一个单位微电流称为一个磁偶极子。

定义在真空中每单位外磁场对一个磁偶极子产生的最大力矩为磁偶极矩pm，每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为磁极化强度J，其单位为T（特斯拉，在CGS单位制中，J的单位为Gs，1T=104Gs）。

定义一个磁偶极子的磁矩为pm/?0，?0为真空磁导率，每单位材料体积内磁矩的矢量和为磁化强度M，其SI单位为A/m，CGS单位为Gs(高斯)。

M与J的关系为：J=?0M，在CGS单位制中，?0=1，故磁极化强度与磁化强度的值相等；在SI单位制中，?0=4??10-7H/m(亨/米)。

什么叫磁感应强度(B)，什么叫磁通密度(B)，B与H，J，M之间存在什么样的关系理论与实践均表明，对任何介质施加一磁场H时(该磁场可由外部电流或外部永磁体提供，亦可由永磁体对永磁介质本身提供，由永磁体对永磁介质本身提供的磁场又称退磁场---关于退磁场的概念，见9 Q)，介质内部的磁场强度并不等于H，而是表现为H与介质的磁极化强度J之和。

由于介质内部的磁场强度是由磁场H通过介质的感应而表现出来的，为与H区别，称之为介质的磁感应强度，记为B：B=?0H+J （SI单位制）（1-1）B=H+4?M （CGS单位制）磁感应强度B的单位为T，CGS单位为Gs（1T=104Gs）。

对于非铁磁性介质如空气、水、铜、铝等，其磁极化强度J、磁化强度M几乎等于0，故在这些介质中磁场强度H与磁感应强度B相等。

由于磁现象可以形象地用磁力线来表示，故磁感应强度B又可定义为磁力线通量的密度，磁感应强度B和磁通密度B在概念上可以通用。

什么叫剩磁(Jr，Br)，为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁感应强度B值必然小于剩磁Jr和Br值永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后，再撤消外磁场时，永磁材料的磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的值，该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br，统称剩磁。

剩磁Jr和Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同。

根据关系式(1-1)可知，在永磁材料的退磁曲线上，磁场H为0时，Jr=Br，磁场H为负值时，J与B不相等，便分成了J-H和B-H二条曲线。