《功能材料》课件：第二章-磁性材料二.ppt

1、北京航空航天大学北京航空航天大学功能材料李李 岩岩北京航空航天大学材料科学与工程学院北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期年春季学期北京航空航天大学北京航空航天大学第二章第二章 磁性材料磁性材料（二）永磁材料（二）永磁材料北京航空航天大学北京航空航天大学主要内容主要内容一、概述一、概述二、几种典型永磁合金二、几种典型永磁合金 （一）铝镍钴系永磁合金（一）铝镍钴系永磁合金 （二）铁铬钴永磁合金（二）铁铬钴永磁合金 （三）稀土永磁合金（三）稀土永磁合金 （四）铁氧体永磁材料（四）铁氧体永磁材料三、永磁材料制备三、永磁材料制备四、去磁方法四、去磁方法北京航空航天大学北京航空航天大学一、

2、概述一、概述北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料的发展一、概述永磁材料的发展n 永磁材料永磁材料 公元前公元前4世纪，我国发现天然磁石（世纪，我国发现天然磁石（Fe3O4） 公元前公元前3世纪，指南针（司南）世纪，指南针（司南） 永磁材料永磁材料( (硬磁材料、高矫顽力材料硬磁材料、高矫顽力材料) )：矫顽力在：矫顽力在20kA/m20kA/m以上以上的材料。的材料。用途：产生磁场。用途：产生磁场。吕氏春秋吕氏春秋九卷精通篇就有：九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。慈招铁，或引之也。” 北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述一、概述永磁材料特征参数(1)(1)剩余磁感应强度剩余磁

3、感应强度B Br r 当磁性材料磁化到饱和以当磁性材料磁化到饱和以后，再将磁化场下降到零，此后，再将磁化场下降到零，此时磁体中保留的磁感应值称为时磁体中保留的磁感应值称为剩余磁感应强度剩余磁感应强度B Br r，如右图所，如右图所示。其单位为示。其单位为T T。Br =0Mr，Mr为剩余磁化强度为剩余磁化强度（单位（单位A/m）。）。北京航空航天大学北京航空航天大学(2)矫顽力矫顽力 矫顽力矫顽力Hc是指在是指在B-H饱和饱和磁滞回线上，使磁滞回线上，使Br变为零所变为零所需之反磁化场需之反磁化场 ,单位为单位为A/m 。 由由M-H回线确定的矫顽力回线确定的矫顽力称为内禀矫顽力，以称为内禀矫

4、顽力，以MHc表表示。示。一、概述一、概述永磁材料特征参数北京航空航天大学北京航空航天大学u 永磁材料在被外磁场磁化后，去掉外磁场，仍保持很强的磁性。永磁材料在被外磁场磁化后，去掉外磁场，仍保持很强的磁性。永磁材料都是在开路状态下使用，利用永磁体气隙产生磁场，作永磁材料都是在开路状态下使用，利用永磁体气隙产生磁场，作为磁场源。开口环形永磁铁产生的磁场为磁场源。开口环形永磁铁产生的磁场Hg。一、概述永磁材料特征参数一、概述永磁材料特征参数2110gmmmgHB H VV 具有空气隙的环形磁铁具有空气隙的环形磁铁Bm：磁铁内磁感应强度：磁铁内磁感应强度Hm：磁场强度：磁场强度Bg：空气隙磁感应强度

5、：空气隙磁感应强度Hg：空气隙磁场强度：空气隙磁场强度Vg：空气隙体积：空气隙体积北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料特征参数一、概述永磁材料特征参数（3）最大磁能积：最大磁能积： 在在B-H退磁曲线上任退磁曲线上任何一点的何一点的B和和H的乘积的乘积成为磁能积，代表永成为磁能积，代表永磁体能量密度，其最磁体能量密度，其最大值称为最大磁能积，大值称为最大磁能积，用（用（ BH ）max表示，表示，单位单位J/m3。理想退磁曲线和最大磁能积理想退磁曲线和最大磁能积2max0()(/2) (/2)/4SSSBHMMM北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料特征参数一、概述永磁材

6、料特征参数（4）隆起度隆起度W 最大磁能积最大磁能积( BH )max除除了与了与Br和和Hc 有关，还有关，还与退磁曲线的形状有关。与退磁曲线的形状有关。定义：定义：理想退磁曲线和最大磁能积理想退磁曲线和最大磁能积11max()WrcBHB H北京航空航天大学北京航空航天大学n永磁材料主要用途：提供永磁场永磁材料主要用途：提供永磁场 永磁体的永磁体的“三要素三要素”：剩余磁感应强度剩余磁感应强度Br高高矫顽力矫顽力Hc高高最大磁能积最大磁能积( BH )max大大另外：另外：高居里点高居里点高稳定性高稳定性隆起度等隆起度等一、概述永磁材料特征参数一、概述永磁材料特征参数北京航空航天大学北京航

7、空航天大学一、概述永磁材料的发展一、概述永磁材料的发展19世纪末期，高碳钢；后来世纪末期，高碳钢；后来钨钢、铬钢、钴钢，磁能积钨钢、铬钢、钴钢，磁能积8KJ/m3。1931年，年，FeNiAl合金，合金，15KJ/m3；1932年，年，FeCoW（Mo）合金，）合金，12KJ/m3， BaO6Fe2O3铁氧体，铁氧体， 32KJ/m3；1960年代前，年代前， FeNiAlCo合金，合金，80KJ/m3；1960年代后，年代后，SmCo5（1:5）合金，第一代稀土永磁合金，）合金，第一代稀土永磁合金，190KJ/m3； Sm2Co17（2:17）合金，第二代稀土永磁合金，）合金，第二代稀土永磁

8、合金，240KJ/m3；1970年，年，FeCrCo，可加工，可加工，60KJ/m31983年，年，Nd-Fe-B第三代稀土永磁合金，第三代稀土永磁合金， 423KJ/m3以磁能积提高为标志的永磁材料发展概况以磁能积提高为标志的永磁材料发展概况北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料的发展一、概述永磁材料的发展永磁材料发展年谱永磁材料发展年谱北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料分类一、概述永磁材料分类1、按材料属性来源：金属永磁和铁氧体永磁、按材料属性来源：金属永磁和铁氧体永磁2、按工艺、按工艺可加工可加工铸造铸造烧结烧结粘结粘结4、按化学成分：高碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、按

9、化学成分：高碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、FeNiAl、FeCoW(Mo）、）、BaO6Fe2O3铁氧体、铁氧体、 FeNiAlCo、FeCrCo、RCo5、MnAl、Nb-Fe-B3、按磁硬化机理、按磁硬化机理析出硬化型析出硬化型淬火硬化型淬火硬化型单畴微粉型单畴微粉型有序硬化型有序硬化型北京航空航天大学北京航空航天大学一、概述永磁材料分类一、概述永磁材料分类北京航空航天大学北京航空航天大学二、几种典型永磁合金二、几种典型永磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学二、几种典型永磁合金二、几种典型永磁合金几种典型永磁合金几种典型永磁合金1. 铝镍钴系永磁合金铝镍钴系永磁合金2. 铁铬钴永磁合金铁铬钴永

10、磁合金3. 稀土永磁合金稀土永磁合金4. 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料北京航空航天大学北京航空航天大学n铝镍钴（铝镍钴（AlNiCo）系合金成分：）系合金成分：Co、Ni、Al等元素为等元素为主要成分，并加入主要成分，并加入Ti和和 Cu等元素进一步提高合金性能。等元素进一步提高合金性能。典型合金：典型合金：AlNiCo5，成分，成分Co=24%、Ni=14%、Al=8%、Cu=3%、Fe余量。余量。是由是由FeNiAl永磁合金发展而来。永磁合金发展而来。性能特点：具有高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低性能特点：具有高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。于稀土永磁。 Tc：757907

11、、 (BH)max：1672 kJ/m3, Br：0.781.30T1、铝镍钴（、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金）系永磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学1、铝镍钴（、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金）系永磁合金Fe-Ni-Al-Co四元系四元系Co=24%和和Al=8%纵断面纵断面AiNiCo合金的相组成合金的相组成n1：富：富Fe和和Co的强磁相的强磁相n2：富：富Ni和和Al的弱磁相的弱磁相1 弥散分布在弥散分布在2 上上调幅（调幅（spinodal）分解）分解12磁硬化机理磁硬化机理北京航空航天大学北京航空航天大学1、铝镍钴（、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金）系永磁合金形成单一固

12、溶体，快速冷却，形成单一固溶体，快速冷却，避免避免相析出相析出在在Tc温度以下降温同时施加磁场，发生调幅分解，温度以下降温同时施加磁场，发生调幅分解，控制析出相形状控制析出相形状成分扩散，加大两相磁性差，提高性能成分扩散，加大两相磁性差，提高性能北京航空航天大学北京航空航天大学n成分特点：成分特点：以铁、铬（以铁、铬（23.527.5%）、钴（）、钴（11.521.0%）为主；加入适量硅、钼、钛。通过成分调节将）为主；加入适量硅、钼、钛。通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。2、铁铬钴（、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金）系永

13、磁合金（FeCrCo）系永磁合金）系永磁合金可加工永磁合金可加工永磁合金n制备方法：制备方法：定向凝固定向凝固+ +磁场处理磁场处理( (结晶与磁双重织构结晶与磁双重织构) )，以及塑性变形与适当热处理的方法以及塑性变形与适当热处理的方法( (形变时效形变时效) )显著提高显著提高合金性能。合金性能。北京航空航天大学北京航空航天大学2、铁铬钴（、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金）系永磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学2、铁铬钴（、铁铬钴（FeCrCo）系合金）系合金铁铬钴合金磁硬化机理：铁铬钴合金磁硬化机理： 定向凝固定向凝固+磁场处理：结晶与磁双重织构磁场处理：结晶与磁双重织构 形变时效

14、态：加工织构形变时效态：加工织构/畴壁钉扎畴壁钉扎 铸造态：铸造态：Spinodal分解分解1强磁相强磁相2弱磁相弱磁相北京航空航天大学北京航空航天大学稀土永磁合金稀土永磁合金3、稀土永磁材料、稀土永磁材料Re-Co永磁永磁铁基稀土铁基稀土永磁永磁1: 5型型Re-Co磁体磁体SmCo5单相与多相合金单相与多相合金第一代稀土永磁，第一代稀土永磁，二十世纪六十年代二十世纪六十年代2:17型型Re-Co磁体磁体Sm2Co17基合金基合金第二代稀土永磁，第二代稀土永磁，二十世纪七十年代二十世纪七十年代第三代稀土永磁，第三代稀土永磁，二十世纪八十年代二十世纪八十年代Nd2Fe14B合金为代表的合金为代

15、表的Re-Fe-B系永磁材料系永磁材料北京航空航天大学北京航空航天大学（1）稀土钴永磁材料（）稀土钴永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料、稀土永磁材料n稀土钴永磁材料是稀土金属和稀土钴永磁材料是稀土金属和3d过过渡族金属钴按一定比例组成的金属渡族金属钴按一定比例组成的金属间化合物：间化合物： ReCo5(CuCa5结构结构)和和Re2Co17(Th2Zn17结构结构)。ReCo5Re2Co17北京航空航天大学北京航空航天大学 Re2Co17 的饱和磁化强度的饱和磁化强度高于高于ReCo5； 轻稀土钴化物（轻稀土钴化物（原子序数原子序数小于小于Gd）的饱和磁化强度）的饱和磁化强度比重稀土钴化物

16、高。比重稀土钴化物高。3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（）稀土钴永磁材料（Re-Co）北京航空航天大学北京航空航天大学3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（）稀土钴永磁材料（Re-Co）北京航空航天大学北京航空航天大学（1）稀土钴永磁材料（）稀土钴永磁材料（Sm-Co）3、稀土永磁材料、稀土永磁材料SmCo5和和Sm2Co17北京航空航天大学北京航空航天大学SmCoSmCo5 5：理论磁能积：理论磁能积199kJ/m199kJ/m3 3。采用强磁场取向等静压和。采用强磁场取向等静压和低氧工艺，低氧工艺，SmCoSmCo5 5的的 (BH)(BH)maxmax达达

17、196kJ/m196kJ/m3 3； 居里温度为居里温度为724724，可在，可在-50-50150150的温度范围的温度范围内工作。内工作。缺点：含有较多的战略金属钴缺点：含有较多的战略金属钴( (w(Co)66%)w(Co)66%)和蕴藏量稀和蕴藏量稀少的稀土金属元素少的稀土金属元素SmSm，原材料昂贵。，原材料昂贵。3、稀土永磁材料、稀土永磁材料Sm2Co17 ：理论磁能积理论磁能积286kJ/m3，优于优于SmCo5； Tc为为930，可在，可在-60350范围工作，磁感温度系范围工作，磁感温度系数也优于数也优于SmCo5。北京航空航天大学北京航空航天大学随着随着FeFe含量的增多，内

18、禀饱和磁化含量的增多，内禀饱和磁化强度迅速提高强度迅速提高 Sm-Co-CuSm-Co-Cu系系Sm-Co-Cu-FeSm-Co-Cu-Fe系系Sm-Co-Cu-Fe-MSm-Co-Cu-Fe-M系系(M=Zr,Ti,Hf,Ni)(M=Zr,Ti,Hf,Ni)加入加入CuCu提高合金矫顽力，提高合金矫顽力，但饱和磁化强度偏低，居里温度也但饱和磁化强度偏低，居里温度也显著降低，不能实用。显著降低，不能实用。加入少量的加入少量的Zr,Ti,Hf,NiZr,Ti,Hf,Ni等元素，等元素，进一步提高磁性能进一步提高磁性能 商业化材料商业化材料3、稀土永磁材料、稀土永磁材料用用PrPr、CeCe或或M

19、m(Mm(混合稀土混合稀土) )取代部分取代部分SmSm，可适当降低成本。，可适当降低成本。北京航空航天大学北京航空航天大学n Nd-Fe-B和和Pr-Fe-B系；系；3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型型北京航空航天大学北京航空航天大学3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型型Nb2Fe14B晶体结构Nd-Fe-B系合金是以系合金是以Nd2Fe14B化合物化合物为基的一种不含为基的一种不含Co的高性能永磁材料。的高性能永磁材料。1983年日本住友公司发明。年日本住友公司发明。Nd2Fe14

20、B晶体结构（右图）：晶体结构（右图）：一个单胞由一个单胞由4个个Nd2Fe14B化合物分子化合物分子组成，空间群组成，空间群P42/mnm，共有，共有68个原个原子，其中子，其中8个个Nb原子、原子、56个个Fe原子和原子和4个个B原子。原子。北京航空航天大学北京航空航天大学Nd2Fe14B优点优点1. 最大磁能积超过最大磁能积超过400kJ/m3，矫顽力，矫顽力2244.7kA/m。是目前磁性能最高的实用化。是目前磁性能最高的实用化永磁材料，被誉为永磁材料，被誉为“磁王磁王”。2. 原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴（钐钴（SmCo）合金的）合金的5

21、0%左右。左右。 3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型型北京航空航天大学北京航空航天大学1. 双相纳米复合磁体：把纳米级的软磁和硬磁颗粒复双相纳米复合磁体：把纳米级的软磁和硬磁颗粒复合，将综合软磁合，将综合软磁Ms高，硬磁高，硬磁Hc高的优点，获得磁能高的优点，获得磁能积比现有最好的积比现有最好的NdFeB高一倍的新型纳米永磁材料。高一倍的新型纳米永磁材料。如：如： -Fe / NdFeB、Fe3B/SmFeN/磁体。磁体。 纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最大

22、磁能积明显增大。的交换耦合作用，使剩磁和最大磁能积明显增大。2. ThMn12型化合物型化合物3. Sm-Fe-C和和Sm-Fe-N 3、稀土永磁材料、稀土永磁材料（3）其他稀土永磁合金）其他稀土永磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学4、 永磁铁氧体永磁铁氧体性能特点及应用：性能特点及应用：Tc：450460，具有高矫顽，具有高矫顽力和低剩磁，但最大磁能积偏低力和低剩磁，但最大磁能积偏低, 不适于制作要不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动

23、机械等方面得到普遍应用。件和转动机械等方面得到普遍应用。主要种类：主要种类：钡铁氧体钡铁氧体(BaO(BaO6Fe6Fe2 2O O3 3) )锶铁氧体锶铁氧体(SrO(SrO6Fe6Fe2 2O O3 3) )晶体结构均属六角晶系。晶体结构均属六角晶系。北京航空航天大学北京航空航天大学三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学永磁体的制备方法主要包括永磁体的制备方法主要包括1. 铸造法、铸造法、2. 烧结法（粉末冶金法）烧结法（粉末冶金法）3. 粘结法粘结法。 u铸造法：铝镍钴和铁铬钴合金铸造法：铝镍钴和铁铬钴合金u烧结法和粘结法：稀土永磁材料和永磁铁氧体烧结

24、法和粘结法：稀土永磁材料和永磁铁氧体三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。 真空真空熔炼熔炼制粉制粉 铸锭破碎磨粉铸锭破碎磨粉 粉末磁场取粉末磁场取向与成型向与成型平行取向平行取向垂直取向垂直取向烧结烧结（磁场下）（磁场下）热处理、热处理、磁体加工磁体加工烧结磁烧结磁体元件体元件烧烧 结结 法：法：三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术根据成型过程中加磁场与否，根据成型过程中加磁场与否，烧结铁

25、氧体材料可制成烧结铁氧体材料可制成各向同各向同性磁体性磁体和和各向异性磁体各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。各向异性常数。北京航空航天大学北京航空航天大学烧结烧结SmCo永磁体永磁体烧结烧结NbFeB永磁体永磁体六、永磁材料制备技术六、永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学粘粘 结结 法：法：磁粉与树脂、磁粉与树脂、

26、塑料或低熔点塑料或低熔点合金等粘结剂合金等粘结剂混合混合压制、挤出压制、挤出或注射成型，或注射成型，固化固化粘结磁体粘结磁体性能特点：性能特点： 尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产易于调整磁性能、易于批量生产施加取施加取向磁场向磁场各向异性各向异性粘结磁体粘结磁体粘结磁体的磁性能：粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对取决于磁粉的性能和磁体的相对 密度。密度。粘结磁体的力学性能：粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工取决于粘结剂的性质与粘结工 艺。艺。三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术 北京航空航天大学

27、北京航空航天大学三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术北京航空航天大学北京航空航天大学三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术北京航空航天大学北京航空航天大学粘结粘结NbFeB磁体磁体三、三、 永磁材料制备技术永磁材料制备技术 北京航空航天大学北京航空航天大学四、去磁方法四、去磁方法北京航空航天大学北京航空航天大学 永磁材料去磁方法永磁材料去磁方法1.1.加热法加热法2.2.敲击法敲击法3.3.加反向磁场加反向磁场4.4.加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场四、四、 去磁方法去磁方法 北京航空航天大学北京航空航天大学1.

28、.加热法加热法当铁磁质的温度升高到居里温度当铁磁质的温度升高到居里温度T Tc c以上时，磁性消失，由以上时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质。当温度低于铁磁质变为顺磁质。当温度低于Tc时，又由顺磁质转变为时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁磁质。铁的居里温度铁的居里温度 T Tc c = 770= 770C C 利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。元件，如电饭锅自动控温。原因：原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，使由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，使铁磁质失去磁性。铁磁质失去磁性。四、四、 去磁方法去磁方法

29、 北京航空航天大学北京航空航天大学2.2.敲击法敲击法通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。3.3.加反向磁场加反向磁场加反向磁场，提供一个矫顽力加反向磁场，提供一个矫顽力H Hc c 使铁磁质退磁。使铁磁质退磁。四、四、 去磁方法去磁方法 北京航空航天大学北京航空航天大学4.4.加交变衰减的磁场加交变衰减的磁场使介质中的磁场逐渐衰减为使介质中的磁场逐渐衰减为 0 BHoctHo四、四、 去磁方法去磁方法 应用在录音机中的交流抹音磁头中。应用在录音机中的交流抹音磁头中。北京航空航天大学北京航空航天大学思考题：思考题：1、概念：剩余磁感应强度，矫顽力、概念：剩余磁感应强度，矫顽力，最大磁能积；最大磁能积；2、主要的永磁材料有哪几类，各自特点如何。、主要的永磁材料有哪几类，各自特点如何。3、掌握几种典型永磁合金的磁硬化机理。掌握几种典型永磁合金的磁硬化机理。4、永磁材料制备工艺特点。、永磁材料制备工艺特点。北京航空航天大学北京航空航天大学功能材料谢 谢！