磁性材料
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magnetic material
可由磁场感生或改变磁化强度的物质。按照磁性的强弱，物质可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性等几类。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，其余为弱磁性物质。现代工程上实用的磁性材料多属强磁性物质，通常所说的磁性材料即指强磁性材料。
磁性材料的用途广泛。主要是利用其各种磁特性和特殊效应制成元件或器件；用于存储、传输和转换电磁能量与信息，或在特定空间产生一定强度和分布的磁场；有时也以材料的自然形态而直接利用(如磁性液体)。磁性材料在电子技术领域和其他科学技术领域中都有重要的作用。
简史 中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。11世纪就发明了制造人工永磁材料的方 法。1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。1099～1102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。 近代，电力工业的发展促进了金属磁性材料──硅钢片（Si-Fe合金）的研制。永磁金属从 19世纪的碳钢发展到后来的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。随着通信技术的发展，软磁金属材料从片状改为丝状再改为粉状，仍满足不了频率扩展的要求。 20世纪40年代，荷兰J.L.斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料，接着又出现了价格低廉的永磁铁氧体。50年代初，随着电子计算机的发 展，美籍华人王安首先使用矩磁合金元件作为计算机的内存储器，不久被矩磁铁氧体记忆磁芯取代，后者在60～70年代曾对计算机的发展起过重要的作用。50 年代初人们发现铁氧体具有独特的微波特性，制成一系列微波铁氧体器件。压磁材料在第一次世界大战时即已用于声纳技术，但由于压电陶瓷的出现，使用有所减少。后来又出现了强压磁性的稀土
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合金。非晶态（无定形）磁性材料是近代磁学研究的成果，在发明快速淬火技术后，1967年解决了制带工艺，正向实用化过渡。
分类 磁性材料按磁性功能分，有永磁、软磁，矩磁、旋磁和压磁材料；按化学成分分，有金属磁和铁氧体；按结构分,有单晶、多晶和非晶磁体；按形态分,有磁性薄膜、塑性磁体、磁性液体和磁性块体。磁性材料通常是按功能分类的。
永磁材料 一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)max (即给空间提供的磁场能量)大。相对于软磁材料而言,它亦称为硬磁材料。
永磁材料有合金、铁氧体和金属间化合物三类。①合金类:包括铸造、烧结和可加工合金。铸造合金的主要品种有:AlNi(Co)、 FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)；烧结合金有：Re－Co（Re代表稀土元素）、Re－Fe以及AlNi（Co）、 FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。②铁氧体类： 主要成分为MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等复合组分。③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。
永磁材料有多种用途。①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。
根据使用的需要，永磁材料可有不同的结构和形态。有些材料还有各向同性和各向异性之别。
软磁材料 它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好,但饱和磁感应强度Bs则越大越好。 软磁材料大体上可分为四类。①合金薄带或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶态合金薄带:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以适当的Si、B、P和其他掺杂元素,又称磁性玻璃。③磁介质（铁粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基铁和铁氧体等粉料，经电绝缘介质包覆和粘合后按要求压制成形。④铁氧
体：包括尖晶石型──M++ O·Fe (M++
2O3 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁铅石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其复合组分)。
软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。
矩磁材料和磁记录材料 主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。
旋磁材料 具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常 用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧 体器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体材料；并可按器件的需要制成单晶、多晶、非晶或薄膜等不同的 结构和形态。
压磁材料 这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变,故又称磁致伸缩材料,它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械 滤波器和电脉冲信号延迟线等，与微波技术结合则可制作微声（或旋声）器件。由于合金材料的机械强度高，抗振而不炸裂，故振动头多用Ni系和NiCo系合 金；在小信号下使用则多用Ni系和NiCo系铁
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氧体。非晶态合金中新出现的有较强压磁性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材 料。 展望 磁电共存这一基本规律导致了磁性材料必然与电子技术相互促进而发展，例如光电子技术促进了光磁材料和磁光材料的研制。磁性半导体材料和磁敏材料和器件可 以应用于遥感、遥则技术和机器人。人们正在研究新的非晶态和稀土磁性材料（如FeNa合金）。磁性液体已进入实用阶段。某些新的物理和化学效应的发现（如 拓扑效应）也给新材料的研制和应用（如磁声和磁热效应的应用）提供了条件。 参考书目
戴礼智编著：《金属磁性材料》,上海人民出版社,上海， 1973。 周志刚等编著：《铁氧体磁性材料》,科学出版社,北京，1981。
李荫远、李国栋编著：《铁氧体物理学》第二版，科学出版社，北京，1983。
具有铁磁性能的材料。电工技术中常用的磁性材料可分为高磁导率、低矫顽力、低剩磁的软磁材料和高矫顽力、高剩磁的永磁材料两大类。永磁材料又称硬磁材料。
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，其他均为弱磁性物质。磁性材料有各向同性和各向异
性之分。各向异性材料的磁性能依方向不同而异。因此，在使用各向异性材料时， 必须注意其磁性能的方向。电工领域中常用的磁性材料都属于强磁性物质。反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。 磁化曲线和磁滞回线 反映磁性材料磁化特性的曲线。可以用于确定磁性材料的一些基本特性参量如磁导率μ、饱和磁通密度Bs、剩余磁场强度即矫顽力Hc、剩余磁通密度即剩磁Br，以及磁滞损耗P等。 基本磁化曲线是铁磁物质以磁中性状态为出发点，在反复磁化过程中B 随H 变化规律的曲线,简称磁化曲线（图1）。它是确定软磁材料工作点的依据。B 和H 的关系如下： B＝μ0（H＋M ）
式中μ0为真空磁导率(又称磁常数)，在国际单位制(SI)中，其值为
μ=4π×10-7
0亨／米；H为磁场强度，单位为安／米(A/m);M 为磁化强度,单位为安／米(A/m)。图中磁化到饱和时的B值称为饱和磁通密度Bs，相应的磁场强度为 Hs。通常，要求磁性材料有高的Bs值。
磁化曲线上任一点的B 与H 之比就是磁导率μ，即对于各向同性的导磁
物质μ＝B/H， 常用的是相对磁导率μr
=μ/μ0，它是无量纲的纯数，用以表
示物质的磁化能力。因此,按μr的大小，把各类物质划分为：μr
<1的抗磁性
物质,μr>1的顺磁性物质,μr
?1的强磁性物质。根据B-H 曲线可以描绘出μ-H
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曲线,图中μm和μi分别称为最大磁导率和初始磁导率。μi是在低磁场下使用软磁材料的一个重要参量。
图2表示外磁场H 变化一周时B 随H变化而形成的闭合曲线。
由于B 的变化滞后于H,这个现象称为磁滞。闭合曲线称为磁滞回线。图中可见，当Hs降为零时,B 并不回到零，而仅到b点，此值(Br)称为剩余磁通密度，简称剩磁。若要使Br降到零，需加一反磁场，这个反磁场强度的绝对值称为
磁感应矫顽力，简称矫顽力Hrr
c。B与Bs之比称为剩磁比或称开关矩形比(B/Bs),它表征矩磁材料磁滞回线接近矩形的程度。磁滞回线的形状和面积直接表征磁性材料的主要磁特性。
软磁材料的磁滞回线窄，故矫顽力低，磁滞损耗也低(图3a)，常用于电机、变压器、继电器的铁心磁路。若磁滞回线窄而接近于矩形(称为矩磁材
料)(图3c)，则这种软磁材料不仅矫顽力低而且Br
/Bs值也高,适宜作记忆元件
和开关元件。永磁材料其磁滞回线面积宽大（图3b），Br
和Hc都大，经饱和磁化后，储存的磁场能量大。常用作发电机、电动机的永磁磁极和测量仪表、扬声器中的永磁体等。
磁损耗 单位重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铁损耗P。 它主要由磁滞损耗和涡流损耗引起。其中由磁滞现象引起的能量损耗称为磁滞损耗，它与磁滞回线所包围的面积成正比。磁滞损耗功率Ph可由下式计算 Ph=кh?BmnV
式中?为频率(Hz)；Bm为最大磁通密度(T)；指数 n为经验参数,和Bm大小有关；V为磁性材料的体积；кh为与铁磁物质性质有关的系数。在交变磁场中导电物质（包括铁磁物质）将感应出涡流，由涡流产生的电阻损耗称为涡流损耗。涡流损耗的功率Pe可由下式计算 P2
e=кe?BmnV
式中кe为与材料的电阻率、截面大小、形状有关的系数。Ph和Pe是衡量电工设备、仪表产品质量好坏的重要参数。
具有强磁性的材料。这类材料微观特征是相邻原子或离子磁矩呈有序排列，从而显示出铁磁性或亚铁磁性。宏观特征是在外磁场作用下具有明显的磁化强度。 4 / 17
按化学成分分类 基本上可分为金属磁性材料与铁氧体两大类。 ①金属磁性材料。主要是铁、镍、钴元素及其合金，如铁硅合金、铁镍合金、铁钴合金、钐钴合金、铂钴合金、锰铝合金等等。它们具有金属的导电性能，通常呈现铁磁性，具有较高的饱和磁化强度，较高的居里温度，较低的温度系数，在交变电磁场中具有较大的涡流损耗与趋肤效应， 因此金属软磁材料通常适用于低频、大功率的电力、电子工业。例如硅钢片的饱和磁感应强度约为2T（特斯拉），比一般铁氧体大5倍,广泛用作电力变压器。金 属永磁材料目前磁能积很高，用它可以制成体积小，重量轻的永磁器件，尤宜用于宇航等空间科技领域，其缺点是镍、钴以及稀土金属价格贵，材料来源少。 ②铁氧体。是指以氧化铁为主要成分的磁性氧化物，早期曾译名为“铁淦氧磁物“，简称“铁淦氧”，因其制备工艺沿袭了陶瓷和粉末冶金的工艺，有时也称为磁性瓷。大多数为亚铁磁性，从而饱和磁化强度较低，其电阻率却比
金属磁性材料高106
倍以上,在交变电磁场中损耗较低，在高频、微波、光频段应用时更显出其独特的优点，从晶体结构考虑，铁氧体主要分为：尖晶石型(与天然MgAl2O4尖晶石同晶型),例如锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等；石榴石型〔与天然的(Fe,Mn)3Al2(SiO4)3石榴石同晶型〕,例如钇铁石榴石型铁氧体(Y3Fe5O12))等；六角晶系铁氧体,例如与天然Pb(Fe7.5)Mn3.5Al0.5Ti0.5)O19磁铅石同晶型的钡
铁氧体(BaFe)O2+
1219),易磁化轴处于六角平面内的Y型铁氧体(Ba2MeFe12)O22)等。 按应用情况分类 大体上可分为 6类（由于磁性材料的种类繁多，应用广泛,实际上决非此6类所能完全概括）。
①永磁材料又名硬磁材料。具有高矫顽力与剩磁值。通常以最大磁能积(BH)m衡量永磁材料的优值。例如:铝镍钴系合金、钐钴系合金、锰铝系合金、铁铬钴系合金以及钡铁氧体、锶铁氧体等。
②软磁材料。具有较低的矫顽力，较窄的磁滞回线。通常以初始磁导率，
饱和磁感应强度以及交流损耗等值的大小标志其主要性能。材料主要有 纯铁、铁硅合金系、铁镍合金系、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等。软磁材料是磁性材料中种类最多、应用最广泛的一类，在电力工业中主要是用作变压器、电动机与
发 电机的磁性材料，在电子工业中制成各种磁性元件，广泛地应用于电视、广播、通信等领域。
③矩磁材料。磁滞回线呈矩形，而矫顽力较小的一种软磁材料，通常以剩磁Br与最大磁感应强度Bm之比的矩形比Br/Bm值标志其静态特性。材料主要有锂锰铁氧体，锰镁铁氧体等。用在电子计算机，自动控制等技术中常作为记忆元件、开关和逻辑元件等的材料。
④旋磁材料。利用旋磁效应的磁性材料，通常用于微波频段，以复张量磁导率、饱和磁化强度等标志其主要性能。常用的材料为石榴石型铁氧 体、锂铁氧体等。可制作各种类型的微波器件，如隔离器、环流器、相移器等。自1952年以来，铁氧体在微波领域的应用，促使微波技术发生革命性的变革。利 用铁氧体的张量磁导率的特性才能制造出一系列非互易性微波器件；利用铁氧体的非线性效应，可设计出一系列有源器件，如倍频器、振荡器等。 ⑤压磁材料。利用磁致伸缩效应的磁性材料，以磁致伸缩系数标志其主要性能，通常用于机械能与电能的相互转换。例如可制成各种超声器件、滤波器、磁扭线存储器、振动测量器等。常用的材料为镍片、镍铁氧体等。目前正在深入研究磁声耦合效应，以期开拓新的应用领域。
⑥磁记录材料。主要包括磁头材料与磁记录介质两类，前者属于软磁材料，后者属于永磁材料，由于其应用的重要性与性能上的特殊要求而另列 一类。磁头材料除了应具有软磁材料的一般特性外，常要求高记录密度，低磨损。常用的有热压多晶铁氧体、单晶铁氧体、铝硅铁合金、硬叵姆合金等。磁记录介质 要求有较大的剩磁值，适当高的矫顽力值
,以便将电的信息通过磁头而在
磁带上以一定的剩磁迹记录下来。常用的材料为γ－三氧化二铁。高记录密度的材料有二氧化铬金属薄膜等。目前磁记录已普遍应用于各个领域，例如录音、录码、录像等，因此，近年来磁记录材料的产量急剧增长。从广义来说，磁泡材料也属于这一类。
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磁性材料正在不断发展。例如非晶态磁性材料，磁性半导体等，都是当前极为活跃的研究领域。磁性材料的用途亦越趋广泛。
参考书目
李荫远、李国栋编：《铁氧体物理学》，修订版，科学出版社，北京，1978。 郭贻诚著:《铁磁学》,高等教育出版社，北京，1965。 R.S.特贝尔、D.J.克雷克著,北京冶金研究所译:《磁性材料》，科学出版社，北京,1979。(R.S.Tebble and D.J.Craik, magnetic materials, Wiley Inters cience,London,1969.)
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。
磁性材料名词解释
