磁性材料的磁性及工程应用.docx

1、磁性材料的磁性及工程应用磁性材料的磁性及工程应用磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：永久磁性材料、暂时磁性材料及半永久磁性材料三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。磁性材料（magnetic materials）系你我遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。在材料科学的领域，它回类在电子材料裏面（与导电材料、尽缘体、半

2、导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thin film）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。以物理学的观点来说，任材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场会抵消一小部分磁场强度，呈现反磁性（diamagnetism），如铜；有的在磁场有微小的正感应，呈现顺磁性（paramagnetism），如空气；有的在磁场会感应产生很强的磁性量称为磁化量（magnetization），呈现铁磁性（ferromagnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagn

3、etism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的磁性，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magnetic resonance imaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。磁性的由来直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受

4、过密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知磁的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为磁矩（magnetic moment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为磁化量。单位磁场所能引起的磁化量称为磁化率（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但以如此？仍然没有答

5、案。首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magnetic spin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？1907年，斯（Weiss）重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeui

6、m）的理论，假设磁性分子（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使分子之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性分子混乱，即为顺磁性。然则，以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。强磁性物质部自动分成很多小区域，称为磁区（magnetic d

7、omain）。在同一磁区磁化向是一致的，不同磁区间的磁化向不同且呈混乱化，故互相抵消，平常感觉不到它有磁性，只有在磁场加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后人的实验（1931年）印证此一预言（见图一），使斯名垂千古，其大胆假设、小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。1948年，斯的门生尼尔（Nel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结晶格子影响很大，且分子场的作用很强，为负的，导致相邻原子列之磁化向相反。若大小相等则完全抵消，呈现反强磁性（antiferromagnetism）。若大小不等，则呈现亚强磁性；至此，物质之磁现象原理已大致揭晓，尼尔因而在1970年荣获诺贝尔

8、物理奖。磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁（domain wall），其磁陀由一个向逐渐转至另一向，它很薄，只有数十至数百埃（）。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，该材料即是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。永久磁性材料及其应用磁性材料的优劣常以磁滞曲线（hysteresisloop，见图二），所呈现的数据表示

9、之。图上OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（initial permeability，o），割线斜率代表特定的BH（磁感应磁场强度）比值，最大者即为最大导磁率（m）。Bs点代表饱和磁感应（saturation induction）单位以千高斯（kG）表示；Br点为残留磁感应；Hc点称为保磁力或矫顽磁力coercive force，单位为Oe或kOe，1Oe相当於（10004）Am。在第二象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之BH值（对B、H投影线所围面积），其最大者称为最大磁能积maximum energy product，简写为（BH）m，单位G. Oe，以百万倍表之则为MGO

10、e。永久磁性材料讲究Hc、Br及（BH）m愈大愈好，尤其（BH）m，它代表该磁铁磁化后所贮存在部的能量，（BH）m值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭的电池一样，若Hc够大（数千Oe以上），居里温度够高，它便不易被消（退）磁。工程上Hc200Oe者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc即升高，愈硬者Hc愈高，故永久磁性又称硬磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或软磁性。淬火钢Hc只有5070Oe，（BH）m只有0.20.3MGOe。1916年，科学家在碳钢添加Cr、W、Co，使Hc增至145250Oe，（BH）m近於1MGOe，在当时是很大的

11、突破。1931年日人三岛发明Fe-Ni-Al三元合金磁铁，Hc高达500Oe（BH）m则达1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以Fe-Al-Ni为主，添加Co、Cu、Si、Ti等元素改进而成的Alnico合金，直到1970年以前一直是永久磁铁的主流。材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，使产生离相分解反应（spinodal decomposition）；并在磁场冷却，令分解所得之相沿磁场向生长而得异性很高的优秀磁铁，Hc达6002000Oe，（BH）m为312MGOe间，可藉合金组成分及热处理而调整磁性材料的特性。时至本日，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐取而代之，但它极为稳定的磁性

12、（可应用至500之高温，使它在某些特定的应用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之Fe-Cr-Co永磁合金即采用Alnico之原理设计出来，其磁性亦与Alnico合金相当，笔者曾作过多年研究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti合金的离相分解沿磁场向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300，均匀长度约1200，磁区壁在其之运动极其困难，故Hc值很高，成为永久磁铁。19321938年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物铁氧体（ferrites），为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3，属於六晶系；其Hc约1.8

13、3.2kOe，Br约2.24.3，（BH）m约1.04.0MGOe（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易，应用很广，目前月需2,000余吨，约34自制。1969年，材料科学家研制成功稀土-钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。自最早之SmCo5合金而Sm(Co,Fe,Cu,Zr )7.2-8.5（即Sm2CO17型）合金，到最近的Nd2Fe14B合金（1984年起），磁能积从破纪录的20MGOe（SmCo5 ）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGOe（Nd-Fe-B合金），呈现奔腾式的进展，这都是回功於材料科学的研究与发展。国目前在

14、这面的研究与开发工作已与国际同步，产业产制也展开，为很有潜力的高科技产业。图四为笔者所研究的Nd-Fe-B合金之高解像电子显微镜照片，显示两颗Nd2Fe14B晶粒间的粒界有一层体心立（bcc）相的构造，晶粒之平行线纹为c平面之格子像。其他的永磁材料还有很多，例如Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co合金等，还有不下十余种，限於篇幅无法逐一介绍。在永久磁性材料中，有一些是体积很小而功效很大的磁纪录材料（magnetic recordingmaterial）：粉末状的有-Fe2O3、CrO2、Fe4N，金属粉如Fe粉、Fe-Co合金粉等，大量用於录音带、录影带、磁碟等产业；另有制成薄

15、膜状的Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟，Co-Cr用於垂直纪录，Tb-Fe-Co及Gd-Co等用於可读写的磁光纪录等。永磁材料如前所述是一贮能装置，只要设计得当，它便能作功，上述之纪录即为一例。其他的应用场合包括：喇叭、马达、发电机、计器、吸著装置、磁选机等不胜枚举。暂时磁性材料及其应用暂时磁性材料系在受到磁化（例如绕在其外面的线圈通上电流时）后呈现很强的磁性，磁化场移除后，马上消磁的材料。因此，可以用在交流电机上，甚至於高频及超高频的应用场合。其应用上的要导磁率及Bs值愈高愈佳，Hc值愈低愈佳（因此BH值代表磁损，愈小）。以发展的历程来说，暂时磁性

16、材料（即软磁材料）比永磁材料更早，而且成果较丰富。例如纯铁本身即为甚佳之软磁材料，自十九世纪末即开始使用，目前的用量仍然很大。1910年代Fe-Ni合金即已由美国贝尔实验室发明出来，后来称为高导磁合金（permalloy）；到1950年代其0值（见图二）已可高达100,000，称为超导磁合金（supermalloy）。其磁性受镍含量、轧延及退火式等的影响甚大。矽钢片首创於1900年前后，至1930年制成向性矽钢片以来，它已成为电机用软磁合金的主流。这些软性合金因系导体，大多只适合於低频应用的场合。铁氧体软磁材料以尖晶晶系为主；一般式为MFe2O4，M为二价离子，如Mn+、Zn+、Ni+、Cu+

17、、Mg+、Co+，甚至於Fe+等，例如目前市面上最常见的(Mn,Zn)Fe2O4、(Ni,Zn).Fe2O4及(Mn,Mg)Fe2O4等。因铁氧体软磁材料系氧化物，电阻大，适用於高频（100MHz以下的场合。若是超高频，如100MHz500GHz（微波围）则需柘榴系铁氧磁体Y3Fe5O12及其衍生物。1958年，杜威齐（Duwez）发明非晶质合金（amorphous alloy）装置以来，非晶合金又称为金属玻璃（metallic glass）的磁性及机械性便非常受重视，并於19701980年间形成很大的一股研究高潮。美国Allied公司於1974年，开始推出商用的非晶薄带，其Bs高达16kG，

18、Hc极小（0.01Oe以下），电阻较矽钢片高，因此用它制成变压器，磁损远低於矽钢片者，为最被看好的下一世代软磁性材料。软磁性材料广泛应用於下列各面：一通讯面电感器、滤波器、天线棒等。二电力面变压器、马达、发电机、阻流器等。三消费性产品面电视机偏向轭及驰返变压器、阻流线圈等。四磁头面录音用磁头（高导磁合金）、录影用磁头（Fe-Si-Al合金）、电脑用磁头（Mn-Zn铁氧体）等。五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切换磁心及高级电磁铁等。磁性材料是一多样化的材料涵盖金属及非金属（瓷），薄膜、粉粒及块料；其应用围广及机械、电机、电子、资讯、交通、家用用具；其研究的基础又有赖於固态物理、材料科学及材料工程

19、。因此，磁性材料是一种吸力很强的材料，它在兼容并蓄中快速茁壮成长。我国的磁性材料产业已有近二十年的历史，磁性材料研究则仅有十余年历史，固然也小有成绩，但与产业先进比较，仍落后甚远，需要政府、企业界及学术界多面配合，投进人力、财力，以提升磁性材料的技术层次。由於它是多样化的技术，其提升也能带动其他相关技术的进步。我们邻国日本对磁性材料的重视、提倡与投资，堪为我们的借镜。参考资料1.B.D.Cullity, Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley Pub. Co., 1972.2.磁性材料产业技术研究院产业材料研究所技术资料 1987年

20、金重勋任教於清华大学材料科学工程系回答者：babi20boy - 见习魔法师 三级 3-2 19:25【摘要】磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：永久磁性材料、暂时磁性材料及半永久磁性材料三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。磁性材料（magnetic materials）系你我遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。

21、在材料科学的领域，它回类在电子材料裏面（与导电材料、尽缘体、半导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thin film）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。以物理学的观点来说，任材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场会抵消一小部分磁场强度，呈现反磁性（diamagnetism），如铜；有的在磁场有微小的正感应，呈现顺磁性（paramagnetism），如空气；有的在磁场会感应产生很强的磁性量称为磁化量（magnetization），呈现铁磁性（ferrom

22、agnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagnetism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的磁性，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magnetic resonance imaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。磁性的由来直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数

23、百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受过密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知磁的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为磁矩（magnetic moment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为磁化量。单位磁场所能引起的磁化量称为磁化率（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾

24、人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但以如此？仍然没有答案。首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magnetic spin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？1907年，斯（Weiss）

25、重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeuim）的理论，假设磁性分子（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使分子之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性分子混乱，即为顺磁性。然则，以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。

26、强磁性物质部自动分成很多小区域，称为磁区（magnetic domain）。在同一磁区磁化向是一致的，不同磁区间的磁化向不同且呈混乱化，故互相抵消，平常感觉不到它有磁性，只有在磁场加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后人的实验（1931年）印证此一预言（见图一），使斯名垂千古，其大胆假设、小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。1948年，斯的门生尼尔（Nel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结晶格子影响很大，且分子场的作用很强，为负的，导致相邻原子列之磁化向相反。若大小相等则完全抵消，呈现反强磁性（antiferromagnetism）。若大小不等，则呈现亚强磁性；至

27、此，物质之磁现象原理已大致揭晓，尼尔因而在1970年荣获诺贝尔物理奖。磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁（domain wall），其磁陀由一个向逐渐转至另一向，它很薄，只有数十至数百埃（）。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，该材料即是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。永久磁性材料及其应用磁性材料的优劣常以磁滞

28、曲线（hysteresisloop，见图二），所呈现的数据表示之。图上OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（initial permeability，o），割线斜率代表特定的BH（磁感应磁场强度）比值，最大者即为最大导磁率（m）。Bs点代表饱和磁感应（saturation induction）单位以千高斯（kG）表示；Br点为残留磁感应；Hc点称为保磁力或矫顽磁力coercive force，单位为Oe或kOe，1Oe相当於（10004）Am。在第二象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之BH值（对B、H投影线所围面积），其最大者称为最大磁能积maximum energy produ

29、ct，简写为（BH）m，单位G. Oe，以百万倍表之则为MGOe。永久磁性材料讲究Hc、Br及（BH）m愈大愈好，尤其（BH）m，它代表该磁铁磁化后所贮存在部的能量，（BH）m值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭的电池一样，若Hc够大（数千Oe以上），居里温度够高，它便不易被消（退）磁。工程上Hc200Oe者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc即升高，愈硬者Hc愈高，故永久磁性又称硬磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或软磁性。淬火钢Hc只有5070Oe，（BH）m只有0.20.3MGOe。1916年，科学家在碳钢添加Cr、W、Co，使Hc

30、增至145250Oe，（BH）m近於1MGOe，在当时是很大的突破。1931年日人三岛发明Fe-Ni-Al三元合金磁铁，Hc高达500Oe（BH）m则达1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以Fe-Al-Ni为主，添加Co、Cu、Si、Ti等元素改进而成的Alnico合金，直到1970年以前一直是永久磁铁的主流。材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，使产生离相分解反应（spinodal decomposition）；并在磁场冷却，令分解所得之相沿磁场向生长而得异性很高的优秀磁铁，Hc达6002000Oe，（BH）m为312MGOe间，可藉合金组成分及热处理而调整磁性材料的特性。时至本

31、日，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500之高温，使它在某些特定的应用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之Fe-Cr-Co永磁合金即采用Alnico之原理设计出来，其磁性亦与Alnico合金相当，笔者曾作过多年研究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti合金的离相分解沿磁场向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300，均匀长度约1200，磁区壁在其之运动极其困难，故Hc值很高，成为永久磁铁。19321938年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物铁氧体（ferrites），为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3，属於六晶系；其Hc约1.83.2kOe，Br约2.24.3，（BH）m约1.04.0MGOe（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易，应用很广，目前月需2,000余吨，约34自制。1969年，材料科学家研制成功稀土-钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。自最早之SmCo5合金而Sm(Co,Fe,Cu,Zr )7.2-8.5（即Sm2CO17型）合金，到最近的Nd2Fe14B合金（1984年起），磁能积从破纪录的20MGOe（SmCo5 ）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGO