《材料的磁学》课件

材料的磁学磁性材料是现代科技发展的重要基石，从古代指南针到现代硬盘存储，从电机变压器到磁共振成像设备，磁性材料无处不在地影响着我们的生活本课程将深入探讨材料磁学的基本原理、分类特性以及前沿应用，为理解现代磁性技术奠定坚实的理论基础磁性的历史与基础古代发现现代发展中国古代《管子》记载慈石召铁，最早发现天然磁石现象，指南针发明开启人类对磁性的认知13科学启蒙1600年吉尔伯特《论磁石》奠定磁学基础，1820年奥斯特发现电流磁效应，开启电磁学时代磁学研究的意义信息存储革命新能源技术支撑磁性材料是硬盘、磁带等高性能永磁材料在风力发存储设备的核心，推动了电机、电动汽车电机中发信息时代的数据存储密度挥关键作用，是实现碳中不断提升和成本持续下和目标的重要技术基础降国家战略布局磁性材料作为战略性新材料，在国防军工、航空航天等领域具有不可替代的地位，是国家科技竞争力的重要体现磁场与磁性基础量磁感应强度磁场强度B H描述磁场对运动电荷作用力的描述产生磁场源强度的物理物理量，单位为特斯拉量，单位为安培每米（），高斯（），（），在真空中与通过T1T=10⁴G A/m HB是磁场强弱的直接度量磁导率联系μ₀单位制转换制与高斯制的转换关系，⁻，工程应SI1T=10⁴G1A/m=4π×10³Oe用中需要熟练掌握单位换算磁介质中的关系B-H基本关系式典型材料举例在磁介质中，磁感应强度与磁场强度的关系为，其软磁材料如硅钢片可达以上，永磁材料如钕铁硼约B HB=μHμᵣ10⁴μᵣ中为介质的磁导率，反映了材料对磁场的响应能力，抗磁材料如铜略小于μ

1.05μᵣ1真空磁导率⁻是物理常数，相对磁导率不同材料的磁导率差异巨大，这种差异决定了它们在工程中μ₀=4π×10⁷H/mμᵣ=描述材料的磁性强弱的不同应用领域和性能特点μ/μ₀磁矩及其物理意义宏观磁矩轨道磁矩自旋磁矩载流线圈的磁矩电子绕原子核运动产电子固有自旋产生自μ=，其中为电流强生轨道磁矩，大小为旋磁矩I·A Iμ=-ₛ度，为线圈面积，方，其，其中为Aμ=-μB√ll+1gμBs g≈2ₗₛₛ向遵循右手定则，是中为玻尔磁子，为朗德因子，为自旋μB lg s磁性的宏观表现轨道量子数量子数，是磁性的根本来源磁化强度与磁化率磁化强度定义磁化强度定义为物质单位体积内的磁矩矢量和，反映材M料被磁化的程度磁化率概念磁化率，描述材料在外磁场作用下被磁化的能χ=M/H力，是材料的重要磁学参数磁化率正负意义表示顺磁性或铁磁性，磁化方向与外场一致；χ0χ0表示抗磁性，磁化方向与外场相反磁场与磁性关系宏观和微观宏观磁场表现微观自旋贡献宏观上磁场表现为磁感线的分布、磁微观上电子自旋是磁性的根本来源，1极的相互作用和磁力的方向性，是我未配对电子的自旋磁矩在外场作用下2们直观感受到的磁性现象取向排列产生宏观磁化集体行为涌现轨道角动量效应4大量原子磁矩的集体行为通过交换相电子轨道运动产生的轨道磁矩也对总3互作用产生宏观磁性，形成从微观到磁矩有贡献，与自旋磁矩共同决定原宏观的磁性表现统一子的总磁矩大小和方向材料磁性的分类总览铁磁性顺磁性磁矩平行排列，χ1，具反铁磁性有自发磁化，如铁、钴、存在未配对电子，χ0但相邻磁矩反平行排列，宏镍等过渡金属很小，磁矩随机取向，如观磁矩为零，如氧化锰铝、氧气等材料MnO等化合物抗磁性亚铁磁性所有电子配对，磁化率χ磁矩大小不等的反平行排0，对外磁场产生微弱排列，具有净磁矩，如磁铁3斥，如铜、金等材料矿Fe₃O₄等铁氧体2415抗磁性与典型材料抗磁性基本特征抗磁性材料的磁化率为负值，在外磁场中会产生与外场方向相反的感应磁场，表现出对磁场的排斥性质这种现象在所有材料中都存在，但通常被其他磁性掩盖典型抗磁材料石墨、铋、铜、金、银等材料具有明显的抗磁性其中铋的抗磁性最强，磁化率约为⁻，可以观察到明显的磁悬浮现-

1.7×10⁴象应用与意义抗磁性在超导磁悬浮、磁分离技术中有重要应用理解抗磁性有助于深入认识电子在磁场中的行为和量子力学效应抗磁性的理论机制量子力学描述1朗道抗磁理论基于量子力学轨道量子化效应2磁场中电子轨道能级分裂经典洛伦兹力3运动电荷在磁场中受力抗磁性的理论机制涉及电子在磁场中的量子力学行为当外磁场施加时，电子轨道运动发生改变，产生感应电流，根据楞次定律，这种感应电流产生的磁场总是反对外磁场的变化，从而表现为抗磁性朗道抗磁理论从量子力学角度精确描述了这一现象，解释了为什么所有物质都具有本征的抗磁性贡献顺磁性及典型材料顺磁性基本特征典型顺磁材料顺磁性材料具有未配对电子，在外磁场作用下磁矩倾向于与氧气是最常见的顺磁性物质，在液态时可被磁铁吸引铝、外场方向一致排列，磁化率为正值但通常很小，约为⁻铂、钛等金属也表现出顺磁性，许多过渡金属离子如10⁶到⁻量级⁺、⁺等具有较强的顺磁性10³Mn²Fe³顺磁性材料的磁化强度与外磁场强度成正比，但比例系数很稀土金属由于电子的未配对特性，通常具有很强的顺磁4f小，移除外磁场后磁化消失，不具有磁滞现象性，这为制备高性能永磁材料提供了基础顺磁性的微观起因未配对电子原子或分子中存在未配对电子是顺磁性的根本原因磁矩取向外磁场使随机取向的磁矩趋于有序排列热运动竞争温度升高时热运动破坏磁矩的有序排列顺磁性的微观机制遵循居里定律，其中为居里常数，为绝对温度这表明顺磁性与温度成反比，高温时热运动占主χ=C/T CT导，磁矩取向随机化；低温时外磁场的定向作用增强，磁化率增大库仑相互作用和自旋轨道耦合也会影响顺磁性的强弱和温度依赖性铁磁性材料简介770°C1115°C358°C铁的居里点钴的居里点镍的居里点铁在770°C以上失去铁磁性转变为顺磁性钴具有最高的居里温度，热稳定性最好镍的居里点相对较低，但加工性能优良铁磁性是最强的磁性形式，以铁、钴、镍三种元素最为典型这些材料具有自发磁化现象，即使在没有外磁场时也能保持磁性铁磁性材料的磁化率可达10³到10⁶，远超其他磁性材料它们在现代工业中应用极为广泛，从永磁材料到软磁材料，构成了电机、变压器、存储设备等的核心组件铁磁性理论基础分子场理论交换相互作用居里点理论魏斯提出分子场概念，解释铁磁性的自发磁量子力学交换能使相邻电子自旋平行排列温度达到居里点时热运动破坏磁序化现象铁磁性的理论基础建立在交换相互作用之上海森堡交换哈密顿量H=-2J∑Si·Sj描述了相邻自旋之间的相互作用，当交换积分J0时，相邻自旋趋向平行排列形成铁磁序魏斯分子场理论虽然是平均场近似，但成功预测了居里点的存在和自发磁化的温度依赖性，为理解铁磁性奠定了重要基础居里温度及实验意义1低温铁磁区时材料具有自发磁化，磁矩有序排列，表现出强烈的铁磁TTc性和磁滞行为2居里点转变时发生二级相变，自发磁化连续地降至零，比热容出现型T=Tcλ异常峰3高温顺磁区时转变为顺磁性，磁化率遵循居里魏斯定律TTc-χ=C/T-Tc居里温度是铁磁材料最重要的特征参数之一，它标志着磁有序无序转变的临-界点实验测定居里点对于材料的应用设计具有重要意义，比如永磁材料需要足够高的居里点保证高温稳定性，而某些传感器应用则利用居里点附近磁性能的急剧变化铁磁材料的磁滞回线磁滞回线的工程意义1软磁材料特征2硬磁材料特征矫顽力小（矫顽力大（Hc1000Hc100），磁导率高，磁滞损），剩磁高，磁能积A/m kA/m耗低，适用于变压器铁大，适用于永磁电机、扬芯、电机定转子等交流磁声器、磁选设备等需要提路应用供恒定磁场的场合3应用选择原则根据应用需求选择材料高频变压器需要低损耗软磁材料，永磁发电机需要高性能硬磁材料，磁记录需要特定矫顽力的材料铁磁畴结构磁畴是铁磁材料中磁矩指向相同的微观区域，典型尺寸为微米到毫米级磁畴之间由畴壁分隔，畴壁厚度约为几十到几百个原子层磁化过程主要通过畴壁移动和磁矩转动实现，理解磁畴结构对于优化磁性材料性能具有重要意义磁性材料中的磁各向异性磁晶各向异性晶体结构的对称性决定磁化易轴方向，如铁的100方向为易轴，111方向为难轴，各向异性能影响矫顽力大小形状各向异性材料的几何形状产生退磁场效应，长条形样品沿长轴方向磁化较容易，广泛应用于永磁材料设计中应力各向异性机械应力通过磁弹性耦合影响磁化方向，正应力可以增强或减弱磁各向异性，应用于磁致伸缩材料反铁磁性基本概念磁矩排列特征典型材料举例反铁磁性材料中相邻原子的磁氧化锰、氧化镍、氧MnO NiO矩呈反平行排列，子格磁矩大化铬等过渡金属氧化Cr₂O₃小相等方向相反，宏观净磁矩物，以及金属锰、铬等都是典为零，在外磁场中表现为弱顺型的反铁磁材料，在自旋电子磁性学中有重要应用磁学性质特点反铁磁材料的磁化率小且为正值，随温度变化在奈尔点处达到最大值，具有独特的温度依赖性和磁场响应特征反铁磁性的理论Neel奈尔温度定义奈尔温度是反铁磁材料发生磁有序无序转变的临界温TN-度，类似于铁磁材料的居里点，标志着反铁磁序的消失磁化率异常在奈尔点附近磁化率出现尖锐峰值，这是反铁磁相变的重要标志，可用于精确测定奈尔温度和研究相变机制微观机制时热运动破坏反铁磁序，材料转变为顺磁态；TTN T时交换相互作用占主导，形成稳定的反铁磁序TN亚铁磁性及其特点磁矩不等反排1两个子格磁矩大小不等净磁矩存在2宏观表现出磁性典型铁氧体结构3尖晶石结构Fe₃O₄亚铁磁性是介于铁磁性和反铁磁性之间的磁有序状态以磁铁矿为例，其尖晶石结构中⁺离子占据两种不同的晶体学位Fe₃O₄Fe³置，形成大小不等的磁矩反向排列这种磁结构使得亚铁磁材料既具有净磁矩，又比纯铁磁材料具有更好的高频特性，在微波器件和磁记录介质中应用广泛亚铁磁材料的居里温度通常较高，磁各向异性适中，是现代磁性材料的重要组成部分磁化曲线与测量方法测量原理超导量子干涉仪VSM SQUID振动样品磁强计通过样品在磁场中的振动产生感应电动势，具有极高的磁敏感度，可以检测到⁻的磁通变SQUID10¹⁸Wb精确测量样品的磁矩变化测量精度可达⁻，适用化，是目前最灵敏的磁强计特别适用于弱磁性材料和低温10⁶emu于各种磁性材料的表征磁性测量可以测量磁化曲线、磁滞回线、温度依赖性等多种磁学可以在宽温度范围内工作，从毫开尔文到室温以上，VSM SQUID参数，是材料磁学研究的标准设备为研究量子磁性现象提供了强有力的工具磁性材料选型标准软磁材料分类与应用硅钢片材料取向硅钢具有优异的磁性能，主要用于电力变压器和大型电机铁芯无取向硅钢适用于旋转电机，损耗低，加工性能好，是电力工业的核心材料铁镍合金系列坡莫合金具有极高的磁导率和低矫顽力，广泛用于精密变压器、磁屏蔽和传感器不同镍含量的合金具有不同的性能特点，满足各种应用需求现代软磁材料非晶合金和纳米晶合金具有优异的高频特性，适用于开关电源和高频变压器粉末冶金软磁材料在中频应用中表现突出，形状加工灵活永磁材料及其创新55MGOe钕铁硼磁能积目前商用永磁材料的最高磁能积记录310°C工作温度上限高温级钕铁硼的最高使用温度80%全球市场份额钕铁硼在永磁材料市场的占有率2030产业发展目标预计实现60MGOe磁能积的技术突破年份钕铁硼永磁材料自1980年代发明以来，已成为现代永磁技术的核心其优异的磁性能推动了电动汽车、风力发电、消费电子等产业的快速发展当前研究重点包括提高居里温度、降低稀土用量、改善耐腐蚀性等方向，以满足新能源和高端装备制造的需求磁性陶瓷与铁氧体尖晶石铁氧体石榴石铁氧体12结构，为二价金属离子，具有立MFe₂O₄M等稀土铁石榴石，在微波和光通Y₃Fe₅O₁₂方晶系，磁性能可通过离子替代调节信领域具有独特优势应用领域六角铁氧体从传统的变压器铁芯到现代的微波器件，等型铁氧体，具有高矫顽力，BaFe₁₂O₁₉M43铁氧体材料应用范围不断拓展是重要的永磁铁氧体材料磁记录与存储技术1纵向记录时代磁化方向平行于记录介质表面，存储密度受超顺磁极限制约，约为100Gbit/in²2垂直记录突破磁化方向垂直于介质表面，大幅提高存储密度，实现了1Tbit/in²的技术突破3热辅助记录激光加热降低矫顽力，使用高各向异性材料，推动存储密度向10Tbit/in²迈进4未来技术展望多层记录、全息存储等新技术有望实现100Tbit/in²的超高密度存储磁电子学与自旋电子学巨磁阻效应磁隧道结技术自旋注入与操控多层磁性薄膜中发现的巨磁阻效基于隧道磁阻效应的磁隧道结具电流的自旋极化和自旋转移力矩应革命性地提高了磁传感器灵敏有更高的电阻变化率，是效应为开发新型自旋器件提供了MRAM度，获得年诺贝尔物理学存储器和磁传感器的核心技术，可能，包括自旋晶体管、自旋逻2007奖，广泛应用于硬盘读取头推动了自旋电子学的发展辑器件等未来技术纳米磁性材料进展单畴纳米颗粒当铁磁颗粒尺寸小于临界尺寸时形成单畴结构，具有超高的矫顽力和独特的磁性能，在高密度存储中应用前景广阔磁流体技术纳米磁性颗粒分散在载液中形成磁流体，兼具液体流动性和磁响应性，广泛应用于密封、冷却、分离等工业领域自愈合复合材料磁性纳米颗粒作为驱动源，在外磁场作用下实现裂纹愈合，为开发智能材料和结构健康监测提供新途径超导体中的磁性现象迈斯纳效应磁通钉扎超导体排斥磁场的完全抗磁性现象，第二类超导体中磁通量子可以部分穿磁感线无法穿透超导体内部，是超导透，在缺陷处被钉扎，形成稳定的磁性的基本特征之一悬浮状态超导磁体磁悬浮应用超导线圈可产生强大稳定的磁场，在超导磁悬浮技术在交通运输、轴承、设备、粒子加速器、核聚变装置储能等领域展现巨大潜力，日本磁悬MRI中不可或缺浮列车已实现商业化运营磁性材料的温度特性磁弹性与磁致伸缩磁致伸缩效应合金声波换能器应用Terfenol-D磁性材料在磁化过程中发Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₂稀土铁化合磁致伸缩材料制成的超声生尺寸变化的现象，伸缩物具有巨磁致伸缩效应，换能器具有功率密度高、应变可达10⁻³量级，为应变达1500ppm，是目前频响宽的特点，在水声工开发磁驱动器件提供基性能最优的磁致伸缩材程和无损检测中广泛应础料用精密驱动技术基于磁致伸缩的微位移执行器具有响应快、精度高、无磨损的优点，在精密机械和机器人技术中发挥重要作用磁制冷原理及材料磁热效应原理磁性材料在绝热磁化时温度升高，绝热去磁时温度降低，这种磁热效应是磁制冷技术的物理基础磁制冷材料钆金属在室温附近具有最大的磁热效应，稀土合金如Gd₅Si₂Ge₂和锰氧化物也表现出优异的磁制冷性能环保制冷技术磁制冷技术不使用氟利昂等有害制冷剂，理论效率接近卡诺循环，是未来绿色制冷技术的重要发展方向磁制冷技术基于磁性材料的磁热效应，通过周期性加磁和去磁实现制冷循环虽然目前还处于发展阶段，但其环保无污染、效率高、噪音小的优点使其在家用制冷和特殊环境制冷中具有广阔的应用前景关键技术包括开发室温磁制冷材料和优化磁制冷循环系统磁性半导体及自旋器件稀磁半导体材料自旋场效应管在半导体中掺入磁性离子形成的稀磁半导体，如掺杂的自旋场效应管利用载流子自旋作为信息载体，通过自旋注Mn，兼具半导体的电学性质和磁性材料的磁学性质，是自入、传输和检测实现逻辑功能相比传统电子器件，自旋器GaAs旋电子学的重要材料基础件具有非易失性、低功耗的优势这类材料的载流子自旋可以通过电场或磁场调控，为开发新虽然面临自旋注入效率、自旋相干时间等技术挑战，但自旋型自旋器件提供了可能，在量子计算和信息处理领域具有潜场效应管代表了后摩尔时代电子器件的重要发展方向之一在应用价值高温超导磁材料钇钡铜氧系统铋锶钙铜氧系统₋是第一个液氮温等铋系超导体YBa₂Cu₃O₇ₓBi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀区的高温超导体，临界温度约具有更高的临界温度和较好的，大大降低了超导应用的机械加工性能，在超导电缆和93K成本，推动了超导技术的产业磁体制造中展现出优势化进程铁基超导材料铁砷化合物超导体的发现拓展了高温超导的材料体系，其独特的磁性和超导共存现象为理解超导机制提供了新视角稀土磁体与稀土利用战略资源地位1稀土是制备高性能永磁材料的关键元素永磁合金SmCo2钐钴磁体具有优异的温度稳定性主导市场NdFeB3钕铁硼磁体占据80%以上的永磁市场供应链安全4稀土资源分布不均带来的地缘政治风险稀土永磁材料在新能源汽车、风力发电、节能家电等战略性新兴产业中发挥关键作用然而，稀土资源的稀缺性和分布不均引发了供应链安全问题发展稀土回收利用技术、探索非稀土永磁材料、提高稀土使用效率成为当前研究热点中国作为稀土资源大国和永磁材料制造强国，在全球稀土产业链中占据重要地位。