磁性材料

磁性材料magnetic material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及反铁磁性物质。

磁性是物质的一种基本属性。

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、永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，反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。

磁石单位质量的磁性材料在交变磁场中磁化，从变化磁场中吸收并以热的形式耗散的功率称为磁损耗，或称铁损耗，它包括磁滞损耗和涡流损耗。

其中由磁滞现象引起的能量损耗为磁滞损耗，与磁滞回线所包围的面积成正比。

在交变磁场中导电物质将感应出涡流，由涡流产生的电阻损耗称涡流损耗。

磁性材料是生产、生活、国防科学技术中广泛使用的材料。

如制造电力技术中的各种电机、变压器，电子技术中的各种磁性元件和微波电子管，通信技术中的滤波器和增感器，国防技术中的磁性水雷、电磁炮，各种家用电器等。

此外，磁性材料在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。

软磁材料soft magnetic material具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。

应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

软磁材料种类繁多，通常按成分分为：①纯铁和低碳钢。

含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。

其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。

②铁硅系合金。

含硅量0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。

在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。

随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。

③铁铝系合金。

含铝6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。

④铁硅铝系合金。

在二元铁铝合金中加入硅获得。

其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。

缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。

主要用于音频和视频磁头。

⑤镍铁系合金。

镍含量30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。

其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。

⑥铁钴系合金。

钴含量27％～50％。

具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。

适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。

⑦软磁铁氧体。

非金属亚铁磁性软磁材料。

电阻率高（10-2～1010Ω·m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。

⑧非晶态软磁合金。

一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。

其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。

此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。

⑨超微晶软磁合金。

20世纪80年代发现的一种软磁材料。

由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。

现主要研究的是铁基超微晶合金。

永磁材料permanent magnetic material具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。

又称硬磁材料。

实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。

常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

①铝镍钴系永磁合金。

以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。

具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。

分铸造合金和粉末烧结合金两种。

20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。

②铁铬钴系永磁合金。

以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。

其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。

用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。

③永磁铁氧体。

主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。

永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。

但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。

④稀土永磁材料。

主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。

前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安／米。

主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。

钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。

但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。

⑤复合永磁材料由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。

由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。

除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃。

但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。

主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。

磁致伸缩材料magnetostrictive material具有显著磁致伸缩效应的磁性材料。

已实用的磁致伸缩材料分为3类：①金属磁致伸缩材料。

其饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。

常用的有铁基合金、镍基合金。

②铁氧体磁致伸缩材料。

其饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。

③巨磁致伸缩材料。

其磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。

磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和传感器件。

磁记录材料magnetic recording material利用磁特性和磁效应输入（写入）、记录、存储和输出（读出）声音、图像、数字等信息的磁性材料。

分为磁记录介质材料和磁头材料。

前者主要完成信息的记录和存储功能，后者主要完成信息的写入和读出功能。

磁记录材料的记录原理是：在记录信息过程中，输入信息先转变为相应的电信号输送到磁头线圈中，使记录磁头中产生与输入电信号相应的变化磁场；此时紧靠近气隙并以恒定速度移动的磁带上的磁记录介质受到变化磁场的作用，从原来的退磁状态转变为磁化状态，即将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布；磁带通过磁头后转变到相应的剩磁状态，从而记录下与气隙磁场、磁头电流和输入信号相应的信息。

当需要输出信息时，正好与上述记录过程相反。

磁记录材料按形态分为颗粒状和连续薄膜材料两类，按性质又分为金属材料和非金属材料。

广泛使用的磁记录介质是γ-Fe2O3系材料，此外还有CrO2系、Fe-Co系和Co-Cr系材系及Fe-Al-Si系合料等。

磁头材料主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系铁氧体、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb金材料等。

磁电阻材料magneto-resistance material具有显著磁电阻效应的磁性材料。

强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。

不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。

前者（平行）称为纵磁场效应，后者（垂直）称为横磁场效应。

一般强磁性材料的磁电阻率（磁场引起的电阻变化与未加磁场时电阻之比）在室温下小于8％，在低温下可增加到10％以上。

已实用的磁电阻材料主要有镍铁系和镍钴系磁性合金。

室温下镍铁系坡莫合金的磁电阻率约1％～3％，若合金中加入铜、铬或锰元素，可使电阻率增加；镍钴系合金的电阻率较高，可达6％。

与利用其他磁效应相比，利用磁电阻效应制成的换能器和传感器，其装置简单，对速度和频率不敏感。

磁电阻材料已用于制造磁记录磁头、磁泡检测器和磁膜存储器的读出器等。

磁泡材料magnetic bubble material在一定外磁场作用下，表面呈现磁泡阵列的磁性材料。

强磁性材料在一定的外加磁场作用下，其表面形成圆柱状反磁化畴。

因这种圆柱状磁畴从其柱轴方向看去好像浮在材料表面的圆泡，故称为磁泡畴，简称磁泡。

磁泡材料主要为薄膜型材料，其单轴各向异性强，畴壁矫顽力小，迁移率高，在机械应力、温度等影响下稳定性好，化学稳定性高。

磁泡材料薄膜的制备主要采用外延生长法，即将具有与待制磁泡材料相同或相近晶体构造和晶格常数的单晶基片，置于含有待制磁泡材料组分的熔体或溶液中，在一定条件下，磁泡材料沉积在基片上，形成具有一定晶面的磁泡材料薄膜。

已实用的磁泡材料主要是稀土石榴石型铁氧体，可用以制造存取速度快、结构简单、功耗低、存储密度高的信息存储、记录和逻辑元件。

永磁功能材料常称永磁材料，又称硬磁材料，而软磁功能材料常称软磁材料。

这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软，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(简称磁性)，其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。

矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。

而软磁材料则是加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。

退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后，再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。

永磁材料是发现和使用都最早的一类磁性材料。

我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。