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磁性材料的分类及用途
摘 要：介绍了磁性材料的简史，对磁性进行描述，并根据磁性材料的使用情况进行分类，分为永磁材料、软磁材料、信磁材料和特磁材料，简单介绍了各种材料的发展及应用情况。 关键词：磁性 金属 性能 磁场
1磁性材料的简史
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。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。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。
磁性材料，是古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等[1]。可以说，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。
2磁性的介绍
人类认识磁性是从铁磁性开始, 故此对磁性的描述, 以及理论的发展也是以铁磁性为基础的。磁及磁现象的根源是电流, 或者说磁及磁现象的微观机制是电荷的运动形成原子磁矩造成的, 而且, 所有的物质都是磁性体, 只是由于构成物质的原子结构不同, 而显示出的磁学性能不同。有铁磁性、亚铁磁性、反铁
磁性、顺磁性、抗磁性以及无磁性等[2]。
铁磁性是指在外磁场下表现出很强的磁化作用的性质。因而对其描述及应用来说, 铁磁材料的磁化强度与外场的关系即磁滞回线是非常重要的见图1，而磁性材料的技术性能指标及应用, 以及发现、发明新材料也极大地取决于这一外磁场响应性能。
影响材料性质的还有磁化强度随温度的变化。即在不同温度下, 磁化强度不同的性质。铁磁材料的自发磁化在居里温度Tc处发生相变, Tc以下为铁磁性, 而Tc以上铁磁性消失。同样亚铁磁性材料也具有类似的特性[3](见图2)。
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为改善材料的磁学性质, 以应用于各种不同目的, 人类发明了各种技术、方法、工艺来加工材料，利用和开发磁性材料就需要有分析技术和加工工艺两个方面的进展。从历史上而言, 按材料加工技术进展区分, 大体可有以下几个阶段:
( 1) 熔炼铸造技术, 获得铁及其合金等软磁和永磁材料。 ( 2) 粉末冶金, 开发绝缘性磁性材料、陶瓷材料和稀土永磁材料。 ( 3) 真空镀膜, 开发了镀膜磁性材料及非晶磁性材料, 制成磁纪录介质及微磁学器件。
( 4) 单原子层控制技术, 制备了定向晶体学取向型、巨磁电阻多层膜、人工超晶格等有特殊用途的磁性材料[4]。
而磁性材料的开发和利用, 也就是采取以上这几种技术工艺方法来加强所需要的性能, 抑制不利于所需性能的因素。
3磁性材料的分类
磁性材料广义上分为两大类: 软磁材料和硬磁材料。软磁材料能够用相对低的磁场强度磁化, 当外磁场移走后保持相对低的剩磁[5]。软磁材料的矫顽力为400-0116A/m-1, 主要应用于任何包括磁感应变化的场合。硬磁材料是在经受外磁场后能保持大量剩磁的磁性材料,这类磁性材料的典型矫顽力值， Hc为10-1000 kA/m-1, 具有高Hc值的硬磁材料称为永磁材料,主要用于提供磁场。磁性材料的应用形式多种多样。从晶体结构上看，磁性材料已从晶态到非晶态、准晶态到纳米晶态。从尺寸或形状上看，磁性材料有块体、薄带、微粉和薄膜等。磁性材料的技术性能主要有:饱和磁感应强度、剩磁矫顽力Hc、初始磁导率、损耗p等。材料成分不同决定它们的数值不同。
从实用的观点出发，磁性材料可以分为：永磁材料、软磁材料、信磁材料、特磁材料[6]。
3.1永磁材料
永磁材料又称硬磁材料，这类材料经过外加磁场磁化再去掉外磁场以后能长时期保留较高剩余磁性，并能经受不太强的外加磁场和其他环境因素的干扰。因这类材料能长期保留其剩磁，故称永磁材料；又因具有较高的矫顽力，能经受外加不太强的磁场的干扰，又称硬磁材料。近几年稀土过渡族金属永磁体, 不论是基于钕-铁-硼还是钐-钴合金, 一直是硬磁材料研究的焦点。
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90 年代全球永磁材料增长率为12% , 预计2000 年产值将达到65 亿美元, 占磁性材料总产值的70% . 永磁材料在电机领域的应用约占50% , 电声为20%, 测量与控制器件约占20%, 其余占10% . 永磁材料主要为AlNiCo、铁氧体、稀土永磁三大系列, 当前以铁氧体与NdFeB 稀土永磁为主. 随着稀土永磁材料的开发与生产, 永磁材料性能取得了突破性的进展, 从1910 年至1985 年, 标志永磁材料主要性能的最大磁能积的进展大致可用指数函数来描述:
永磁材料的进展见图1：
3.1.1永磁铁氧体
1995 年, 我国永磁铁氧体产量已达815万吨,跃居世界首位。1997年,全球产量约为3513万吨,我国约10万吨。预计2000年全球产量将达40万吨, 我国为15万吨[7]。回顾永磁铁氧体发展历程, 1952年,各向同性钡铁氧体问世, 1963 年锶铁氧体投入生产, 经过数十年不懈努力, 在合理的基本配方基础上, 通过掺杂与严格工艺有效地控制了显微结构, 使结晶细小、均匀、致密、高取向度, 性能达到很高的水平。
钡、锶铁氧体的性能已接近理论值, 永磁铁氧体进一步发展的方向如何? 人们曾探讨Ms 更高的W型铁氧体, 但因工艺复杂难以进入规模生产阶段。提高Ms 的另一途径是以Zn 离子取代M 型永磁铁氧体的Fe离子, Zn2+ 择优4f2 晶位, 有利于提高Ms,La3+ 作为电荷补偿, (La3+Zn2+)代换有利于提高Ms 值, 有可能增进(BH)m, 例如配方为[SrO0.143(Fe2O3) 0.957]98(La2O3)2 的永磁铁氧体的性能如
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