四川大学材料学院 陈宝军、何知宇 磁性材料 期末复习题

磁性材料期末复习

一、名词解释

1、磁矩：反映磁偶极子的磁性大小及方向的物理量，定义为磁偶极子等效的平面回路内的电流和回路面积的乘积μ=i.s

2、磁化强度M：定义为单位体积内磁偶极子具有的磁矩矢量和，是描述宏观磁体磁性强弱的物理量。

3、退磁场： 有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场 Hd，有时也称作反磁场。

4、自发磁化：磁有序物质在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其

他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈现有序排列而达到的磁化，称为自发磁化

5、技术磁化： 技术磁化阐述的是关于铁磁质在整个磁化过程中磁化行为的机理，即阐明

了在外磁场作用下，磁畴是通过何种机制逐渐趋向外磁场方向的。

6、涡流损耗：。当对导电性磁性材料施加交流磁场时，对应磁通量变化，材料中会产生感

应涡流，由涡流产生的并以焦耳热的形式损耗的该部分能量即为We。

7、坡莫合金： 该名称的意思为具有高导磁率的合金，是指成分为Fe(35％～80％)-Ni的

合金，具有面心立方点阵。

8、铁氧体：以Fe2O3为主要成分的氧化物磁性材料。

9、硬磁铁氧体：一般可表示为MO·xFe2O3，（其中M为Ba、Sr等）。不含Ni、Co等贵金属元素；晶体对称性低，磁各向异性大，化学稳定性好，尽管从产值上已被稀土永磁体超过，但仍然占有很大的市场份额。

10、居里温度： 磁矩的有序排列由于热扰动被完全破坏时的温度。（磁滞回线对温度是很敏感的，特别是铁磁体，由于其自发磁化对温度的相关性，造成磁滞回线相对于温度变化的一系列特征。）铁磁性材料的自发磁化Ms在居里点Tc发生磁性转变，Tc以下为铁磁性，Tc以上铁磁性消失。

11、最大磁能积：当Hd＝0时，BdHd＝0；同样，在曲线与μ0H轴的交点，Bd＝0，也有BdHd＝0。在这两点之间BdHd存在最大值，称为最大磁能积(BH)max。

12、金属间化合物： 由两种以上的金属元素构成。其晶体结构一般不同于构成金属的晶体结构；组成比为简单常数；成分变化时其物理性质及化学性质发生不连续变化；每种构成原子占据晶格中的固定位置。

13、粘结磁体： 晶粒一般为各向同性的，磁矩混乱分布，尺寸一般为10～500nm，小晶粒为单畴粒子，大晶粒可能为多畴结构。形状随工艺变化，非椭球粒子，可能有突出的棱和尖角。硬磁性晶粒之间部分被非磁性层间隔，有的晶粒界面直接耦合。

14、磁光效应： 磁光效应是基于光与物质的磁化(或磁场)相互作用，而使光学参数发生变化的现象。

15、法拉第效应： 法拉第效应是光与原子磁矩相互作用而产生(在其偏振面上旋转一定角度射出)的现象。当YIG（Y3Fe5O12）等一些透明物质透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度射出，称此现象为法拉第效应。

16、克尔效应： 当光波入射到被磁化的物质或外磁场作用下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象称为克尔效应。

17、磁泡： 在消磁状态下，若外加向上的磁场，随着磁场强度增加，向下的磁畴逐渐减小，从达到某一磁场强度开始出现圆柱状磁畴，由于其形状有如泡状，故称其为磁泡。

18、磁性液体： 就是把用表面活性剂处理过的超细磁性微粒高度分散在基液(载液)中形成的一种磁性胶体溶液。

19、磁致伸缩效应：消磁状态的铁磁体磁化，一般情况下其尺寸、形状会发生变化。这种现象称为磁致伸缩效应

20、磁致电阻效应：施加磁场使物质电阻发生变化的现象，称为磁致电阻效应

21、巨磁电阻效应：在由Fe，Cr交替沉积而形成的多层膜(Fe／Cr)N(N为周期数)中，发现了MR比超过50％的现象，由于这个结果远远超过了多层膜中Fe层MR比的总和，所以称这种现象为巨磁电阻效应。

22、磁热效应： 绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。

23、磁相变： 二、填空

1、磁学的两个基本命题是 磁及磁现象的根源是电流 和_所有物质都是磁性体。

2、SI制中H的单位是 __安培/米_，CGS 单位制中是___奥斯特____。

3、原子磁矩来源于三个方面____电子磁矩____、____非磁性原子___和__磁性原子____。

4、特斯拉是__磁感应强度和磁极化强度____的单位，1特斯拉等于 _10000__高斯。

5、Fe、Co、Ni原子的电子壳层排列依次为1s22s22p63s23p6 3d6 4s2、_1s22s22p63s23p6 3d7 4s2__________、__1s22s22p63s23p6 3d8 4s2________。

6、3d过渡金属Fe、Co、Ni及其合金的磁性来源于_ 超交换相互___________

7、由海森堡交换作用模型可以得出物质具有铁磁性的必要条件是__材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩___，充要条件是_交换能积分常数A>0____。

8、磁化曲线随晶轴方向的不同而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性，这种现象称为_磁晶各向异性__，它存在于所有铁磁性晶体中，在_非晶磁性材料__中不存在。

9、一般来讲，技术磁化过程存在两种磁化机制，分别为 ___磁畴壁的位移运动

_____ 和 ___磁畴转动_____ 。

10、根据畴壁中磁矩的过渡方式，可以将畴壁分为__Bloch 畴壁__、_Néel 畴壁 和__枕木状畴壁___。

11、软磁材料在交流应用中的损耗有：___磁滞损耗__、__涡流损耗__和__残留损耗___。

12、品质因数是反映软磁材料在交变磁化时能量的__贮能__和__损耗_的性能。

13、铁氧体按其晶体结构铁氧体材料可分为____尖晶石型、 石榴石型 和 磁铅石型 。

14、设尖晶石铁氧体的分子式为AxnABynBCznCO4其中A、B、C、为金属元素，x、y、z为相应的金属离子数，nA 、nB、nC为相应的金属离子化学价。则该多元铁氧体的离子数总合与化学价总合应满足：_x+y+z ＝3 、 x×nA+y×nB+z×nC＝8 。

15、 尖晶石铁氧体在单位晶胞中，A位置共有___64__个，B位置共有_32___个，但实际占有金离子的A位置只有__8__个，B位置只有_16__个，其余空着，这些空位对配方不准造成的成分偏离正分并对_掺杂_有利。

16绝大多数铁氧体其导电特性属于__半导体类型__，其电阻率随温度的升高按指数规律__下降_。

17、一般来讲，铁氧体材料其磁饱和磁化强度远 低 于金属软磁材料，其应用频率远_高_ 于金属软磁材料；金属软磁材料低电阻率的特性导致__趋肤 效应，__涡流 损耗限制了其在高频段的应用。

18、永磁体的工作点位于磁滞回线的__第二象限___位置。其的一个重要的性能指标为 _最大磁能积__，其单位为MGOe。

19、根据形成高矫顽力的机理，可将金属永磁材料分为以下几类：淬火硬化型磁钢、 析出硬化型磁钢、 时效硬化型永磁 和 有序硬化型永磁 。

20、永磁材料主要分为___金属永磁材料__、__铁氧永磁材料___和__稀土系永磁材料__三大类。

21、稀土永磁材料是_稀土元素__和_过渡金属_所形成的一类高性能永磁材料。通常把__(BH)max≈160kJ/m3的1-5型SmCo5磁体_称为第一代稀土磁体，把__ (BH)max≈200～240kJ/m3的2-17型Sm2TM17磁体_称为第二代稀土磁体，把_ 通常把(BH)max≈240～460kJ/m3的Nd–Fe-B磁体_称为第三代稀土磁体，其主要成分是硬磁性的__Nd2Fe14B__相。

22、Nd-Fe-B永磁体按制造方法不同可以分为两类：__烧结永磁体_和_超急冷永磁体_。

23、磁记录是在记录介质表面形成__微小永磁体_。

24、磁记录的基本构成要素是：__磁头_和__磁记录介质__。

25、根据记录信息的形态，磁记录可以分为_模拟式磁记录_和__数字式磁记录__。

26、磁头大体上可以分为：__________、_________和___________三类。对电磁感应型磁头磁芯应使用软磁材料，记录时为了能使记录介质全厚度达到完全的饱和磁化，要求使用_高饱和磁通密度_的材料，再生时为了能高灵敏度地检出记录介质较弱的磁场，要求使用__高磁导率_材料。

27、磁记录介质可以分为_涂布型介质_、__薄膜型 和 垂直记录型_三类。

28、光盘的种类___只读式___、___可录式__和__可擦重复写入式___。

29、磁光记录（写入）分_居里点写入 和 补偿点写入__两种方式。

30、超导体的特征有：_完全导电性__、__约瑟夫森效应__和__完全反磁性_。 三、简答

1、物质的磁性有哪几种？它们磁矩各有什么特性？ 反磁性，铁磁性，反铁磁性，顺磁性，亚铁磁性

反磁性：在外磁场作用下，原子系统获得与外磁场方向反向磁矩的现象

铁磁性:是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。

反铁磁性：在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的磁性材料中，如果相邻原子自旋间是受负的交换作用，自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态（称为序磁性），但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。

顺磁性：某些物质在受外磁场作用后，感生出与外磁场同向的磁化强度，其磁化率大于零但数值很小，这种磁性称为顺磁性

亚铁磁性：亚铁磁性宏观与铁磁性基本相同，只是磁化率相比更低，只有1-1000数量级。

2、画出铁磁性物质的初始磁化曲线与磁滞回线并阐述其主要过程，在图中标出其五个重要磁学参量，并说明个参量物理意义的。

铁磁体在消磁状态，由于其中的小磁体随机取向，其磁化彼此相抵消，总体 磁化为零。如果在图中所示方向施加弱磁场，磁化方向与该磁场方向接近的磁畴壁相应移动，畴壁中原子磁矩逐渐向外磁场方向转化。将铁磁体从磁中性磁化到饱和，需经过可逆的畴壁移动，非可逆畴壁移动，可逆的磁畴旋转以及达到饱和四个过程。

1.可逆磁化区(a)

如图中a区域所示，当磁场很弱时，随磁场强度增加，磁化强度变大；反之，磁化强度减小；H＝0时，M＝0。在该范围内，二者的关系是可逆的。此时，磁畴也能恢复到原来状态。磁感应强度与磁场强度H间也有相同的关系。在此范围内， ?B/?H= μi 称为初始磁导率，它是表征软磁性的重要特征参数之一。

2.不可逆磁化区（b）

在区域b，随磁场强度增加，磁畴④的畴壁移动，磁畴增大，即使磁场强度减小，M-H也不会沿原曲线路径返回，而是按环形移动，这说明M-H，B-H曲线是不可逆的。此时，?B/?H存在最大值，称为最大磁导率μmax，它是和μi同样重要的软磁特性表征参数之一。

在该区域，M相对于H是不连续的，磁畴壁会受障碍物(钉扎点等)的阻止作用。一旦畴壁脱离阻止，磁化强度随即增加。所以，磁畴壁完全消失的状态对应着行程的终点，此时磁畴④完全并吞其它磁畴，但磁化方向与外磁场方向并不完全一致。

3.旋转磁化区（c）

随着磁场进一步增强，磁化过程进c区域，此时自发磁化将向着外加磁场方向旋转，磁畴的移动是突然和不连续的，磁化也是不连续的，当自发磁化旋转到与外加磁场方向完全一致时，达到饱和磁化强度Ms。

4.饱和点（d）与饱和磁化强度Ms

随磁场强度进一步增加时：如图所示，磁化强度由b到达c区域，并在d点达到饱和，此时的磁化强度为饱和磁化强度Ms，它是铁磁体极为重要的特性之一。磁化达到饱和后，磁感应强度B=μ0H+M只随 μ0H 项的变化而变化，因此，对应的常用饱和磁感应强度Bs或最大磁感应强度Bm。

3、什么是磁畴？什么是磁畴壁？为什么会形成磁畴？磁畴的数目由什么条件决定？

铁磁体由于交换相互作用(铁磁性)、超交换相互作用(亚铁磁性)，致使原子磁矩呈平行或反平行排列，这样就可能残留称为自发磁化强度的有效磁化成分(磁畴

的成因)，其三维区域称为磁畴，实际的磁畴都具有一定的几何尺寸大小，彼此为自发磁化强度大小和方向各异的区域，磁畴之间的边界称为磁畴壁。

铁磁体产生磁畴，实质是自发磁化平衡分布要满足能量最小原理的必然结果，而退磁场能最小要求是磁畴形成的根本原因

4、什么是软磁材料？软磁材料的基本要求是什么？

磁性材料中矫顽力很低，因而既容易受外加磁场磁化，又容易退磁的材料称为软磁材料。

(1) 初始磁导率(μi)、最大磁导率μmax 等都要高，目的在于提高功能效率；

(2) 剩余磁通密度(Br)要低，饱和磁感应强度(Bs)要高，目的在于节省资源，便于轻薄短小，可迅速响应外磁场极性(N-S极)的反转；

(3) 矫顽力(Hc)要小，目的在于提高高频性能。

5、在软磁材料制造过程中应注意的原则有哪些？

从结构的角度看，软磁材料应满足： (1)晶粒要尽可能大。

纯铁及铁合金矫顽力Hc与平均晶粒直径d的倒数(1/d)呈直线关系，晶粒越大矫顽力越小,有以下经验公式： Hc=Hco+ α/d

其中，α为由物质及结晶组织决定的常数。晶界为原子严重错排区，对畴壁移动产生阻碍作用。因此，晶粒尽可能大，以减少晶界。但这仅是针对块状晶体材料的一般原则，对于高新技术材料之一的薄膜磁性材料来说，采用超微细晶粒可以提高其软磁特性。

(2)杂质要尽可能少

铁中含有碳时，最大磁导率与矫顽力HC随碳的质量分数成反比例关系。一般说来，杂质的存在会阻碍晶核生长、晶粒长大，而且会析出杂相物，阻碍磁畴壁的移动。

(3)内应力要尽可能低

这里所说的内应力是指存在于晶胞范围内或晶粒范围内的微观内应力。广义地讲，晶体缺陷(包括点缺陷、位错、层错、析出物等)周围都会或多或少地存在

内应力。当材料在外力作用下发生塑性变形时，由于上述应力场的存在，还会使内应力增加，影响磁性。

6、提高软磁材料起始磁导率的途径有哪些？

提高Ms并降低K1，λs的值是提高起始磁导率的必要条件：降低杂质浓度，提高密度，增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响，是提高起始磁导率的充分条件。这些都与配方的选择和工艺条件密切相关。

1.提高饱和磁化强度Ms，μi∝ Ms2，即材料的起始磁导率μi与Ms的平方成正比。因此，提高Ms的大小有利于获得高的μi值。

2.降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs； 3.改善材料的微观结构 4.降低内应力

7、什么是硅钢？添加Si的作用？硅钢的应用？

硅钢通常也称为硅钢片或电工钢片，是指碳的质量分数We在0.02%以下，硅的质量分数为1.5%~4.5%的Fe合金。

硅钢的饱和磁化强度Bs和居里温度Tc均随着硅含量的增加而降低，只是添加硅的不足之处。但是，添加硅的益处大得多，首先，添加硅可以降低硅钢的磁晶各向异性常数K1，同时随着硅含量的增加，饱和磁致伸缩系数降低。这些对于提高磁导率和降低矫顽力是有利的，因此硅钢是非常优秀的软磁材料。其次，添加硅可以显著的提高合金的电阻率，降低铁损，因此硅钢也是交流电器用的比较理想的材料。

电工用硅钢唱轧制成标准尺寸的大张板材或带材使用，俗称硅钢片，广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。

8、什么是永磁体？对永磁体的基本要求是什么？衡量永磁体的主要性能指标有哪些？

被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留较强磁性的一类材料称为永磁材料。

基本要求

（1）剩余磁感应强度Br要高

（2）矫顽力Hc要高

（3）最大磁能积(BH)max要高

（4）从实用角度考虑，材料稳定性要高

永磁体的最基本要求: 一旦被磁化，其磁化应该具有难以失去或消除的特性。

剩磁Br：磁性材料被磁化到饱和以后，当外磁场降为零时所剩的磁感应强度

矫顽力Hc：两种定义：BHc：磁感矫顽力，使B=0所需的磁场值，MHc：内禀矫顽力，使M=0所需的磁场值

最大磁能积(BH)max：当Hd＝0时，BdHd＝0；同样，在曲线与μ0H轴的交点，Bd＝0，也有BdHd＝0。在这两点之间BdHd存在最大值，称为最大磁能积(BH)max

稳定性：永磁体的有关磁性能在长时间使用过程中或受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。

9、如何提高永磁体的性能？

作为永磁体强度的最大磁能积(BH)max是表征永磁体性能的最主要指标 ,为使最大磁能积(BH)max尽可能大，需要几个条件:

首先，残留磁通密度Br(是由物质本身决定的固有值)要高；

其次，因反磁场造成的残留磁通密度的减少要尽量小，也就是说，由磁滞回线矩形比表示的左肩要尽量宽(左肩Br／Bs接近1的部分要尽量宽)；

最后，具有绝对值大于反磁场的矫顽力。当然,本征矫顽力HcJ也是重要的指标。 10、请问下列材料中，哪些是硬磁材料，哪些是软磁材料。区分它们的主要磁性能参数是什么？

(1) SrFe12O19； (2) Supermalloy; (3) Sm2Co17； (4) Fe-Si； (5) FINEMENT; (6) NiZn尖晶石铁氧体； (7) AlNiCo；(8) ?-Fe；(9) NdFeB； (10) 非晶FeSiB合金； 硬磁材料：1、3、7、8、9 软磁材料：2、4、5、6、10

11、什么是矩形比？对矩形磁滞回线材料的基本要求是什么？

矩形比表示磁记录材料磁滞回线矩形程度的重要参数，符号Rs。它是材料最大剩余磁通密度Br与最大磁通密度Bm之比，即Rs=Br/Bm。对于磁记录材料

而言，矩形比愈大愈好，一般Rs值应为0.90～0.97左右。矩形比也称矩形系数。

12、简述磁记录的基本原理与过程。

磁记录是指在磁性介质的表面，按记录信号的要求形成微小永磁体。 基本原理：

当单磁畴微粒子处于消磁状态，其取向是随机分布的，磁化的总和为零或非常弱 ，表面上不会产生磁极。当施加外部磁场H，并慢慢使H升高时，单磁畴微粒子的磁化方向容易发生转动，并逐渐转向与外加磁场方向一致的方向，逐渐出现N极和S极。这样，单磁畴微粒子的磁化方向分布的变化，转化为一个个微小永磁体相应的磁极的方向及强度，这便是磁记录的基本原理。 过程：

13、磁头和磁记录介质在磁记录过程中各起什么作用？两者的材料各应具备什么样的条件？

电磁感应型磁头磁芯应使用软磁材料。

1.磁头材料的基本要求：

记录时为了能使记录介质全厚度达到完全的饱和磁化，要求使用高饱和磁通密度的材料；再生时为了能高灵敏度地检出记录介质较弱的磁场，要求使用高磁导率材料。

2.一般选作磁芯材料的具体标准：

① 容易磁化，且具有高饱和磁通密度、高磁导率； ② 对磁场变化反应灵敏，能量损耗低； ③ 小型且量轻，不易磨损； ④ 耐环境性好。

14、简述磁光记录的记录与读出原理。 记录原理：

记录介质采用矫顽力大的垂直磁化膜。记录之前，其磁化方向垂直于膜面，记录时，用聚焦激光局部照射希望记录的部位。与此同时，在该处施加使磁化发生反向的磁场，使该部位的磁化发生反转，从而实现单位(bit)记录。 读出原理：

记录的信息通过激光，利用磁克尔效应或法拉第效应进行读出(再生)。读出时激光不能使记录介质过热，其加热功率要比记录时的功率低。

（光从磁性体表面反射时，反射直线光的偏振面发生旋转的现象称为磁克尔效应；而光透过磁性体时，其偏振面发生旋转的现象称为法拉第效应。 ）

15、不同类型的石榴石铁氧体的居里温度十分接近（约550K），是什么原因造成的？

16、磁性材料分为哪几类？简要谈谈各类磁性材料在高技术中的应用。 各类磁性材料与器件：

① 软磁材料（磁芯材料） 应用举例：

电磁感应：在电机、变压器、扼流圈等应用中，软磁材料被做成铁芯，外面绕以绕组。 磁屏蔽：在各种电子仪器中，为了谋求测量仪表的精密化，常常需要对由变压器、磁头、电子显微镜等元件或装置所产生的杂散磁场加以屏。 磁性力：起重电磁铁、电铃、电话听筒、电报装置等。

矩形磁滞回线：磁放大器、无触点磁性继电器、脉冲变压器、磁调制器和直流变换器等。

② 硬磁材料（永磁材料） 应用举例：

磁电式仪表、扬声器、永磁电机、磁力的应用（在工业技术领域里，利用永磁体的磁性吸力或斥力可以做成许多有用的机械和工具）、电子束控制器件。 ③ 信息记录材料（磁记录材料、光磁记录材料） 应用：

在应用方面，分MIG（合金膜复合）磁头和积层型磁头两大类。其中MIG磁头已用于8mm VTR用磁头、硬盘用磁头等。为了适应高矫顽力磁介质的要求，除合金晶态材料之外，现在正在继续开发非晶态、微晶薄膜、多层膜等高饱和磁通密度的磁芯材料。 ④ 特磁材料

包括磁致电阻材料、磁致伸缩材料、超导磁性材料、磁性液体等。 应用：

磁致电阻材料：磁电阻磁头、磁电阻随机存储器、磁电阻传感器。

磁致伸缩材料：磁致伸缩效应可以使磁能(电能)转换为机械能，逆效应可使机械能转变为磁能(电能)。这种能量转换器件用处很多，电气音响转换器件(磁致伸缩振子)就是很早就应用的实例之一。

超导磁性材料： 磁屏蔽、超导量子干涉计 、超导磁能存储 磁性液体：磁液密封、磁液阻尼、磁液泵、磁液悬浮、磁液器件

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