磁性材料知識問答（定義類8-14）

8. 什么是磁能積 BH？

代表了磁鐵在氣隙空間（磁鐵兩磁極空間）所建立的磁能量密度，即氣隙單位體積的靜磁能量。由于這項能量等于磁鐵的 Bm 和 Hm 的乘積，因此稱為磁能積。

磁能積(BH)max：單位為焦/立方米（J/m3）或  高?奧（GOe）1 MGOe≈7. 96kJ/m3，退磁曲線上任何一點(diǎn)的 B 和 H 的乘積既 BH 我們稱為磁能積,而 B×H 的最大值稱之為最大磁 能積(BH)max。磁能積是恒量磁體所儲存能量大小的重要參數(shù)之一 ，(BH)max 越大說明磁 體蘊(yùn)含的磁能量越大。設(shè)計磁路時要盡可能使磁體的工作點(diǎn)處在最大磁能積所對應(yīng)的 B 和 H 附近。

9. 什么是退磁曲線方形圖？

退磁曲線方形圖是永磁體的一個重要的磁特性指標(biāo)。當(dāng)磁體處在動態(tài)工作條件下時，外部反向磁場 H 或磁體內(nèi)部的退磁場 Hd 呈周期性變化，對于 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體，B 退磁曲線越接近直線，磁體在動態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性就越好。

值得注意的是，若磁體的 B 退磁曲線不是直線，則磁體的回復(fù)導(dǎo)磁率 μrec.在不同工作點(diǎn)就 有不同的值，此時如何把磁體設(shè)計在最穩(wěn)定的工作狀態(tài)，就顯得非常重要。

定義磁體的退磁曲線上，反向磁場大小為 Hk ， Hk/jHc 可以直觀地表示磁體的退磁曲線方形度。對于具有高 jHc 的 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體，jHc 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 bHc。Hk/jHc 也是永磁體的一個重要的磁特性指標(biāo)之一 ，也表征了磁體在動態(tài)工作條件下的穩(wěn)定性。

10. 什么是釹鐵硼永磁材料的矯頑力理論？

1、成核理論

Kronmuller 等人提出了在晶粒邊界軟磁性缺陷區(qū)域反磁化成核的理論。他們采用的數(shù)學(xué) 模型表達(dá)式為：

K1(Z ) = K1 -△K/ch2（Z/r0）

式中，K1(Z)和 K1 分別表示缺陷區(qū)及晶粒內(nèi)部的各向異性常數(shù)，△K 表示缺陷區(qū)各向異性常 數(shù)的減小，r0 為缺陷區(qū)的厚度，Ζ 表示表面層的深度。

該公式確定的是單變量連續(xù)變化的缺陷模型，根據(jù)該式，應(yīng)用總自由能最小原理確定成核場，并指出成核場決定矯頑力：

Hc = Hn =2K1(Z)/Js－2πMs +2K1δB/Msπr0

式中，δB 為晶粒內(nèi)疇壁厚度，Js 和 Ms 分別表示磁極化強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度。

該理論認(rèn)為，釹鐵硼磁體的矯頑力是由晶粒邊界軟磁性缺陷區(qū)域反磁化成核場來決定的。成核場高，則磁體的矯頑力就高，反之，磁體的矯頑力會較低。

2、熱激活理論

Givord 等人提出了反磁化的熱激活理論，主張晶粒邊界激活體積處反磁化核的形成和擴(kuò)張控制矯頑力。與成核理論的不同之處在于，激活體積處的各向異性常數(shù)并不明顯地小于硬磁性晶粒內(nèi)部的相應(yīng)值，反磁化核的形成是由于熱起伏的影響產(chǎn)生的。形成反磁化場的能量 E0 可以表示為：

E0 = μ0VMSHC +μ0VNeffMS2 +25KT

式中，V 表示激活體積，Neff 為有效退磁因子，K 為各向異性常數(shù)，T 為溫度。第一項為外磁場能，第二項為偶極相互作用能，第三項為熱起伏的能量勢壘。E0 還應(yīng)等于反磁化核與晶粒其他部分的相互作用能：

E0 = αγV2/3

式中 γ 為晶粒疇壁能密度，α 為比例系數(shù)，對比上兩式，得矯頑力為：

HC = Hn =αγ/NeffMSV1/3－NeffMs－25KT/μ0MSV

Givord 指出，熱起伏的影響導(dǎo)致反磁化核的形成，矯頑力是由晶粒邊界激活體積處反磁化核的形成和擴(kuò)張來控制的。

3、釘扎理論

根據(jù)對磁疇結(jié)構(gòu)的觀察及宏觀磁性的測量，Li D 等人提出了控制釹鐵硼磁體矯頑力的釘扎理論，認(rèn)為晶粒的邊界對疇壁有強(qiáng)烈的釘扎作用。Hadjipanayis 提出，晶粒邊界處的富 Nd 相薄層具有吸引疇壁的作用，從而成為疇壁運(yùn)動的釘扎部位。周壽增等經(jīng)過系統(tǒng)的研 究，認(rèn)為晶界、空位、位錯等金屬的缺陷是疇壁很強(qiáng)的釘扎中心，它們的存在將限制疇壁的 位移，從而提高磁體的矯頑力。

4、發(fā)動場理論

高汝偉等人經(jīng)過系統(tǒng)的研究，結(jié)合實(shí)驗事實(shí)提出了釹鐵硼磁體的發(fā)動場理論。該理論認(rèn)為，反磁化核的體積很小，僅具有疇壁的數(shù)量級，需要長大成疇并從晶粒表面到內(nèi)部不可逆 疇壁位移才能將整個晶粒反磁化。在反磁化核的長大過程中，需要克服因疇壁能密度的變化造成的阻力，同時還要提供核的體積和表面積的增加所需要的能量，對應(yīng)的臨界場 H0 和擴(kuò)張場 Hε 為：

H 0 =γ/2Jsr0, Hε=πγ/4J S r0

式中，γ 為晶粒內(nèi)部疇壁能密度。反磁化核的長大（擴(kuò)張）所需要的發(fā)動場 Hs 應(yīng)等于 H0 和 Hε 之和，再考慮到有效退磁場的作用，發(fā)動場可表示為：

Hs =γ/2Js r0（1＋2/π)- Neff MS

使晶粒完全反磁化需要的矯頑力應(yīng)該由成核場和發(fā)動場中較大的一個決定。經(jīng)過對比，發(fā)動場大于成核場，因而磁體的矯頑力應(yīng)該由發(fā)動場來決定。

11. 什么叫 Nd-Fe-B永磁體，它分幾大類？

Nd-Fe-B 永磁體是 1982 年發(fā)現(xiàn)的迄今為止磁性能最強(qiáng)的永磁材料。其主要化學(xué)成分為 Nd （釹）、 Fe（鐵）、 B（硼），其主相晶胞在晶體學(xué)上為四方結(jié)構(gòu)，分子式為 Nd2Fe14B（簡 稱 2:14:1 相）。除主相 Nd2Fe14B 外，Nd-Fe-B 永磁體中還含有少量的富 Nd 相、富 B 相等其它相。其中主相和富 Nd 相是決定 Nd-Fe-B 磁體永磁特性的最重要的二個相。今天， Nd-Fe-B 永磁體已廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、醫(yī)療器械、通訊器件、電子器件、磁力機(jī)械等領(lǐng)域。Nd-Fe-B 磁體分為燒結(jié)和粘結(jié)二大類。通常的 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體是用粉末冶金方法制造的各向異性致密磁體；而通常的 Nd-Fe-B 粘結(jié)磁體是用激冷的方法獲得微晶粉末，每個粉末 內(nèi)含有多個 Nd-Fe-B 微晶晶粒，再用聚合物或其它粘結(jié)劑將粉末粘結(jié)成大塊磁體，因而通常的 Nd-Fe-B 粘結(jié)磁體是非致密的各向同性磁體。因此，通常的 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體的磁 性能遠(yuǎn)高于 Nd-Fe-B 粘結(jié)磁體，但 Nd-Fe-B 粘結(jié)磁體有著許多 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體不可替 代的優(yōu)點(diǎn)：可以用壓結(jié)、注射等成型方法制作尺寸小、形狀復(fù)雜、幾何精度高的永磁體，并 容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自動化生產(chǎn)；另外，Nd-Fe-B 粘結(jié)磁體還便于任意方向充磁，能方便制作 多極乃至無數(shù)極的整體磁體，而這對于 Nd-Fe-B 燒結(jié)磁體來說通常很難實(shí)現(xiàn)；由于 Nd-Fe- B 粘結(jié)磁體中主相 Nd2Fe14B 呈微晶狀態(tài)，因此它還具有比燒結(jié)磁體耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。

12. 什么是單面磁鐵？

磁鐵都有兩極，但在某些工作位置需要單面極的磁鐵，所以需要用鐵片把一面磁鐵包 住，使鐵片包住的那一面磁性被屏蔽，通過鐵片的折射到另外一面的磁鐵，使另外一面的 磁鐵磁力增強(qiáng)，這樣的磁鐵被統(tǒng)稱為單面磁或者單面磁鐵。不存在真正的單面磁鐵。

單面磁鐵所用的材料一般為弧形鐵片和釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵，單面磁鐵所用的釹鐵硼強(qiáng)力磁 鐵的形狀一般為圓片形狀居多。

13. 什么是稀土磁光材料？

在磁場或磁矩作用下，物質(zhì)的電磁特性(如磁導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁化強(qiáng)度、磁疇結(jié)構(gòu)、磁 化方向等)會發(fā)生變化。因而使通向該物質(zhì)的光的傳輸特性也隨之發(fā)生變化。光通向磁場或 磁矩作用下的物質(zhì)時，其傳輸特性的變化稱為磁光效應(yīng)。

磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。利用這類材料的磁光特性以及光、電、磁的相互作用和轉(zhuǎn)換，可制成具有各種功能的光學(xué)器件，如調(diào)制器、隔 離器、環(huán)行器、開關(guān)、偏轉(zhuǎn)器、光信息處理機(jī)、顯示器、存貯器、激光陀螺偏頻磁鏡、磁強(qiáng)計、磁光傳感器、印刷機(jī)等。

稀土元素由于 4f 電子層未填滿，因而產(chǎn)生：未抵消的磁矩，這是強(qiáng)磁性的來源，由于 4f 電子的躍遷，這是光激發(fā)的起因，從而導(dǎo)致強(qiáng)的磁光效應(yīng)。單純的稀土金屬并不顯現(xiàn)磁光效應(yīng)，這是由于稀土金屬至今尚未制備成光學(xué)材料。只有當(dāng)稀土元素?fù)饺牍鈱W(xué)玻璃、化合物晶體、合金薄膜等光學(xué)材料之中，才會顯現(xiàn)稀土元素的強(qiáng)磁光效應(yīng)。

磁光器件是指用具有磁光效應(yīng)的材料制作的各類光信息功能器件。雖然 1845 年法拉弟就發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，但在其后一百多年中，并未獲得應(yīng)用。直到本世紀(jì) 60 年代初，由于激光和光電子技術(shù)的開發(fā)，才使得磁光效應(yīng)的研究向應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，出現(xiàn)了新型的光信號功能器件—磁光器件。在激光應(yīng)用中，除探索各種新型的激光器和接收器外，激光束的參數(shù)，例如強(qiáng)度、方向、偏轉(zhuǎn)、頻率、偏振狀態(tài)等的快速控制也是很重要的問題，磁光器件，就是利用磁光效應(yīng)構(gòu)成的各種控制激光束的器件，類似微波鐵氧體器件的發(fā)展和分類那樣，因光通訊的需要，1966 年發(fā)展了磁光調(diào)制器、磁光開關(guān)、磁光隔離器、磁光環(huán)行器、磁光旋轉(zhuǎn)器、磁光相移器等磁光器件。由于光纖技術(shù)和集成光學(xué)的發(fā)展，1972 年起又誕生了波導(dǎo)型的集成磁光器件。在 60 年代后期，因計算機(jī)存貯技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了磁光存貯技術(shù)。后來由于全息磁泡和光盤技術(shù)的日趨完善和商品化，從而出現(xiàn)了磁光印刷和磁光光盤系統(tǒng)。利用磁光效應(yīng)研究圓柱狀磁疇(磁泡)而發(fā)展了磁泡技術(shù)。因信息技術(shù)的需要，在 70 年代中后期，在磁泡技術(shù)的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了磁光信息處理機(jī)及磁泡顯示器。激光陀螺的發(fā)展中遇到了“閉鎖”問題，一度受挫，后來利用磁光效應(yīng)，巧妙地克服了“閉鎖”，從而發(fā)展了一個全固態(tài)(無機(jī)械部件)的磁光偏頻激光陀螺。因此，每一種新型的磁光器件，都是在研究磁光效應(yīng)的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的。

14. 什么是稀土巨磁電阻？

20 世紀(jì) 80 年代末，在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)（GMR），引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，因為它可以引起磁記錄領(lǐng)域及微電子領(lǐng)域的新的革命。這時，在另一類與高溫超  導(dǎo)體 Y-Ba-Cu-O 具有類似結(jié)構(gòu)的 La-Ca-Mn-O 鈣鈦礦型錳基氧化物中，發(fā)現(xiàn)了大得多的 磁電阻效應(yīng)，稱為巨磁電阻效應(yīng)（CMR）。這些都促進(jìn)了一門新興學(xué)科-自旋電子學(xué)的誕生。  目前， 自旋電子學(xué)已經(jīng)在磁電阻隨機(jī)存儲器、磁電阻薄膜讀出磁頭、自旋極化金屬二極管、 三極管等各類電子器件上顯示出其優(yōu)越性。我國的許多研究所和高等院校都與世界同步地開  展著這方面的工作。國家也將此課題列入"973"重點(diǎn)發(fā)展項目。