CMF實驗室 | 磁性材料
2020-07-09 51DESIGN我要設計
在產品設計中，有這樣一種特殊材料，既讓人愛，又讓人恨，那就是磁性材料。不少設計師的黑科技設計都採用了這樣一種材料，比如我們接觸普遍的磁懸浮產品設計創意，無疑就是採用了這樣的材料設計。那麼對於磁性材料，你了解多少？
01
什麼是磁性材料
物質大都是由分子組成的，分子是由原子組成的,原子又是由原子核和電子組成的。在原子內部,電子不停地自轉，並繞原子核旋轉，電子的這兩種運動都會產生磁性。但是在大多數物質中，電子運動的方向各不相同、雜亂無章，磁效應相互抵消。因此，大多數物質在正常情況下，並不呈現磁性。
鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質有所不同，它內部的電子自旋可以在小範圍內自發地排列起來，形成一個自發磁化區，這種自發磁化區就叫磁疇。鐵磁類物質磁化後，內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來,使磁性加強，就構成磁鐵了。磁鐵的吸鐵過程就是對鐵塊的磁化過程，磁化了的鐵塊和磁鐵不同極性間產生吸引力，鐵塊就牢牢地與磁鐵「粘」在一起了。
02
磁性能參數
飽和磁感應強度Bs：其大小取決於材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化矢量整齊排列。
剩餘磁感應強度Br：是磁滯回線上的特徵參數，H回到0時的B值。
矩形比：Br∕Bs
矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決於材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。
磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。
居裡溫度Tc：鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發磁化消失，轉變為順磁性，該臨界溫度為居裡溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。
損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關係為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）
03
磁性材料的分類及應用
磁性材料是應用廣泛、品種繁多的重要功能材料，按應用類型可以分為軟磁、永磁等材料。
永磁材料，是具有寬磁滯回線、高矯頑力、高剩磁，一經磁化即能保持恆定磁性的材料。又稱硬磁材料。實用中，永磁材料工作於深度磁飽和及充磁後磁滯回線的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和複合永磁材料。
軟磁材料，具有低矯頑力和高磁導率的磁性材料。軟磁材料易於磁化，也易於退磁，廣泛用於電工設備和電子設備中。應用最多的軟磁材料是鐵矽合金(矽鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等 。
永磁材料的應用：
①基於電磁力作用原理的應用主要有：揚聲器、話筒、電錶、按鍵、電機、繼電器、傳感器、開關等。
②基於磁電作用原理的應用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。
③基於磁力作用原理的應用主要有：磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、複印機、控溫計等。其他方面的應用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。
軟磁材料的應用：
主要用於磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。
04
不同磁性材料的特點及加工工藝
幾種常用磁鐵的磁力從大到小排列為：釹鐵硼磁鐵、釤鈷磁鐵、鋁鎳鈷磁鐵、鐵氧體磁鐵。
釹鐵硼永磁材料
釹鐵硼（NdFeB）永磁材料是1983年問世的高性能永磁材料。
優點：1. 磁性能高於稀土鈷永磁，剩餘磁感應強度，磁感應矯頑力，最大磁能積都很高，是目前磁性能最好的永磁體；2. 性價比高，由於釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，鐵與硼的價格也很便宜，同時又不含戰略物資鈷。這也是為什麼釹鐵硼迅速得到廣泛運用推廣的原因。
缺點：1. 居裡溫度低，溫度係數高，因而在高溫下使用時磁損失較大且磁性能熱穩定性較差；2. 由於含有大量的鐵和釹，容易鏽蝕。
釤鈷磁鐵
釤鈷磁鐵又稱釤鈷磁鋼、釤鈷永磁體、釤鈷永久磁鐵、釤鈷強磁鐵、稀土鈷永磁等。是由釤、鈷和其它金屬稀土材料經配比，溶煉成合金，經粉碎、壓型、燒結後製成的一種磁性材料。具有高磁能積、極低的溫度係數。最高工作溫度可達350℃，負溫不限，在工作溫度180℃以上時，其最大磁能積及溫度穩定性和化學穩定性均超過釹鐵硼永磁材料。具有很強的抗腐蝕和抗氧化性；所以被廣泛應用在航空航天、國防軍工、微波器件、通訊、醫療設備、儀器、儀表、各種磁性傳動裝置、傳感器、磁處理器、電機、磁力起重機等。
釤鈷磁鐵生產流程：配料 → 熔煉製錠→ 制粉 → 壓型 → 燒結回火 → 磁性檢測 → 磨加工 →切銷加工 → 成品。
釤鈷磁鐵形狀：圓片、圓環、方片、方條、瓦形、特殊形狀可根據要求加工。
鋁鎳鈷磁鐵
鋁鎳鈷磁鐵特點：是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構成的一種合金。鑄造工藝可以加工生產成不同的尺寸和形狀，可加工性好。鑄造鋁鎳鈷永磁有著最低可逆溫度係數，工作溫度可高達600℃以上。鋁鎳鈷永磁產品廣泛應用於各種儀器儀表和其他應用領域。
鋁鎳鈷磁鐵分類：可分為鑄造鋁鎳鈷和燒結鋁鎳鈷兩大類。
鋁鎳鈷應用場所：鑄造鋁鎳鈷產品主要應用於汽車零件、儀器儀表、電聲、電機、教學以及航天航空軍用等領域，具有溫度係數低、耐高溫、耐潮溼、不易氧化以及工作穩定性好等優點。燒結鋁鎳鈷採用粉末冶金的方法生產而成，適合於生產形狀複雜、輕、薄、小的產品，廣泛應用於儀器儀表、通訊、磁電開關及各種傳感器。
鋁鎳鈷磁鐵形狀：可生產圓柱形、圓環形、長方體形、扁形、瓦形、馬蹄形。
鐵氧體磁鐵
特點：它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通過陶瓷工藝法製造而成，質地比較硬，屬脆性材料，由於鐵氧體磁鐵有很好的耐溫性、價格低廉、性能適中，已成為應用最為廣泛的永磁體。
特性：具有較高的磁性能，較好的時間穩定性和較低的溫度係數。
鐵氧體磁鐵應用場所：廣泛應用於電錶、儀表、電機、自動控制、微波器件、雷達和醫療器械等。
鐵氧體磁鐵充磁方向：可軸向、徑向或按要求充磁。
鐵氧體磁鐵形狀：可生產圓柱形、圓環形、長方體形、扁形、瓦形，斧狀。
本篇文章部分圖片素材來源自網絡
-END-
近期CMF實驗室閱讀精選
想要了解更多材料方面的知識嗎？
- 關注我們，並私信「材料」，即可獲得關於材料/工藝/CMF的滿滿乾貨哦！
更多51design的信息請點擊「了解更多」
相關焦點
-
磁性材料
根據物質在外磁場中表現出的特性，物質可分為順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞鐵磁性物質和反鐵磁性物質五類。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。通常所說的磁性材料一般是指強磁性物質，是在外磁場中有較明顯的磁化反應的材料。 -
CMF實驗室 | 20大最具應用前景的新材料
，新材料是材料工業發展的先導。新材料技術與納米技術、生物技術、信息技術相互融合，結構功能一體化、功能材料智能化趨勢明顯，材料的低碳、綠色、可再生循環等環境友好特性倍受關注。2.發展趨勢：在生物醫學、增強劑、造紙工業、淨化、傳導與無機物複合食品、工業磁性複合物方面前景巨大。3.主要研究機構（公司）：Cellu Force公司（加拿大）、US Forest Service（美國林務局）、Innventia公司（瑞典）等。 -
磁性材料的居裡溫度與工作溫度
在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩，原子的磁矩主要來源於電子磁矩，這是一切物質磁性的來源。過高的溫度會改變原子的磁疇結構，從而導致物質磁性的消失。因此，各類磁性材料都有一個自己的最高工作溫度。了解磁材的最高工作溫度有利於在使用中避免因高溫而導致的磁體失磁。說到溫度與磁性關係的問題，我們首先要了解一個概念—「居裡溫度」。 -
磁性材料科技創新發展大會舉行
11月20日，中國(綿陽)科技城磁材標準創新中心「磁性材料科技創新」發展大會舉行。會上，四川省磁性材料產品質量監督檢驗中心與電子科技大學籤訂了磁性材料及其器件研究測試聯合實驗室合作協議，規定雙方基於各自優勢與需求，願意在互信平等和互利的原則上加強在磁性材料及其器件的檢驗檢測、標準研究、科研項目、人才培養等方面開展合作。 -
CMF實驗室 | 矽膠材料及其應用
並進行了材料改性製成特種矽膠以適應不同產品的功能需求，例如夜光，負離子，變色等特性。然後閉模加壓,使其成型並固化或硫化，再經脫模得矽膠製品，這種工藝適合於熱固性材料加工。因此在健康用品、汽車、嬰兒用品、醫療用品、潛水用品、廚房用具以及密封件等的生產設計中成為不可替代的材料。 -
第12屆全國磁學和磁性材料會議召開
由中國電子學會、中國物理學會、中國金屬學會、中國稀土學會、中國計量學會、中國儀器儀表學會聯合主辦、中科院物理研究所磁學國家重點實驗室、中國電子學會應用磁學分會承辦的 「第12屆全國磁學和磁性材料會議」於11月16日至21日在福建武夷山市舉行。共330餘人參加了會議。 -
蘭州大學教育部磁學與磁性材料重點實驗室、甘肅省材料物理與化學...
蘭州大學教育部磁學與磁性材料重點實驗室、蘭州大學教育部特殊功能材料與結構設計重點實驗室學術帶頭人。蘭州大學物理科學與技術學院 功能與環境材料研究所所長。甘肅歐美同學會、甘肅省歸國留學人員聯誼會副會長。中國物理學會發光分會第十屆委員會委員、中國物理學會發光分會《發光學報》第8、9屆編輯委員會委員。甘肅省青年聯合會第八屆委員會委員。2008年獲得教育部寶剛優秀教師獎。 -
新型低維磁性材料研究獲進展
由於自旋量子效應的存在，低維磁性材料會出現與三維磁性材料不一樣的磁性基態。 -
CMF實驗室 | 液態金屬
液態金屬擁有獨特的原子結構，其原子排列完全無序，而傳統金屬材料原子結構則排列有序。它是金屬卻有了流動的形態；它極輕卻又極強、極硬，是超越鋁、鎂、鈦等傳統輕合金的顛覆性材料；它可一次性成型，無需機加工的繁複程序；它是輕合金材料的顛覆者，可應用於3C、汽車、醫療等多個領域，正在逐步佔領市場。 -
每周一磁:磁性材料
根據物質在外磁場中表現出的特性，物質可分為順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞鐵磁性物質和反鐵磁性物質五類。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。通常所說的磁性材料一般是指強磁性物質，是在外磁場中有較明顯的磁化反應的材料。 -
科學家首次讓非磁性材料擁有了磁性
研究團隊首次成功利用電力，讓常規狀態下沒有磁性的材料有了磁性。這項發現，讓普通材料製造電子元件成為可能。簡單來說，當材料中原子的大多數電子向同一方向旋轉時，就會產生鐵磁性（ferromagnetism）。但對於非磁性材料，電子通常是成對的，因此它們的相反自旋抵消了磁場。 -
每周一磁 · 磁性材料的居裡溫度與工作溫度
在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩，原子的磁矩主要來源於電子磁矩，這是一切物質磁性的來源。過高的溫度會改變原子的磁疇結構，從而導致物質磁性的消失。因此，各類磁性材料都有一個自己的最高工作溫度。了解磁材的最高工作溫度有利於在使用中避免因高溫而導致的磁體失磁。 -
勞倫斯伯克利國家實驗室創造出第一種永久磁性液體
我們所知的磁鐵多數都是固體的，不過也已經出現一種稱為鐵磁流體的磁性液體材料。其由懸浮在液體中的氧化鐵顆粒組成，然而只有當外加磁場作用時，這種材料才暫時表現出磁性。但現在， 勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員已設法製造出第一批永久磁性液體，這可為電子設備和機器人開闢新的途徑。 -
進展| 第一性原理計算篩選本徵二維磁性材料
在二維層狀材料中實現磁性是研究人員的重要目標，因為二維磁性材料既是構造自旋電子學器件的基礎，又是研究新奇物理現象的平臺。通常，人們通過摻雜磁性原子或利用界面近鄰效應在非磁性材料中引入磁性，但是這些非本徵的磁性易受到載流子濃度、雜質類型、界面原子結構等因素的影響。 -
創源論壇:分子磁體——新一代的磁性材料
11月3日晚，西安交通大學前沿科學技術研究院應用化學研究中心分子磁性實驗室主任鄭彥臻在主樓B-204圍繞分子磁體的最新研究動態和自己研究中的一些心得，與大家探討分子磁體的奧秘。單分子磁體由於具有大的自旋基態和單軸各項異性的特點，會產生慢弛豫現象。為加深同學們的理解，鄭主任以最早發現的單分子磁體——十二核醋酸錳為例，解釋產生弛豫現象的機理及表現。 -
中國科大半金屬磁性材料的理論設計取得新進展
近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院教授楊金龍研究組在尋找具有室溫半金屬磁性材料方面取得重要理論進展，使得製備可在常溫環境下工作的自旋電子器件成為可能。此成果發表在《美國化學會志》上。 -
陳根：科學家首次利用電力，讓非磁性材料擁有磁性
文/陳根磁性材料是古老而用途廣泛的功能材料。近日，在一項突破性的新研究中，明尼蘇達大學的科學家和工程師們將豐富而廉價的非磁性材料硫化鐵（又稱「傻瓜金」或黃鐵礦）電轉化為磁性材料。一般來說，當材料中原子的大多數電子向同一方向旋轉時，就會產生鐵磁性（ferromagnetism）。但對於非磁性材料，電子通常是成對的，因此它們的相反自旋抵消了磁場。這是科學家首次將完全非磁性材料轉化為磁性材料，這也將是為更節能的計算機存儲設備創造有價值的新型磁性材料的第一步。 -
2020年中國磁性材料行業發展現狀分析 各種門類磁性材料產量均居...
2020年中國磁性材料行業發展現狀分析 各種門類磁性材料產量均居世界首位 2020-08-31 15:31:40 -
磁學研究所:磁性材料已成為關鍵功能材料
工業體系離不開磁性材料，磁性材料被稱為國家工業基礎。這體現在，磁性材料應用的覆蓋範圍極廣，涵蓋家電、汽車、計算機、通訊、醫療、航天、軍事等領域，是電子行業重要的關鍵功能材料。近年來，汽車產業逐步擴張，成為磁性材料產業的主要拉動力量；此外，工業進入4.0時代，新的產業革命隨之展開，將磁性材料帶入更廣闊的發展空間。 磁性材料目前的市場規模、產能有多大？ -
磁性氧化鐵納米材料在癌症診療中的應用
基於MIONs在癌症納米醫學中的最新進展，南京工業大學董曉臣教授團隊與香港城市大學楊夢甦教授團隊結合實驗室在納米藥物製備和癌症診療領域的探索經驗，對近年來磁性氧化鐵納米藥物的可控制備及生物醫學應用進行了總結和討論