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软磁材料的环境敏感性

2020/01/07 10:32
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【摘要】:
使用环境会对软磁材料的性能产生影响,但也可以利用这种影响来开发软磁合金的新功能。一些研究人员据此正致力于研究软磁材料和周围环境之间的影响关系研究。对于软磁合金而言,即便在较弱磁场中也能感应出一条较窄的磁滞回线,这使得该类合金可能应用到一些新的领域,如高频感应。
  使用环境会对软磁材料的性能产生影响,但也可以利用这种影响来开发软磁合金的新功能。一些研究人员据此正致力于研究软磁材料和周围环境之间的影响关系研究。
  对于软磁合金而言,即便在较弱磁场中也能感应出一条较窄的磁滞回线,这使得该类合金可能应用到一些新的领域,如高频感应。目前,已有学者在这个领域开展了大量研究,即利用软磁材料配对微电子传感器来提高其性能,缩小传感器元件的尺寸并充分利用软磁材料的高磁导率特性。
  软磁材料对磁场非常敏感,对其它环境因素如温度、应力也非常敏感。因此,为了能够准确预测使用软磁材料制成的相关设备的性能水平,必须对软磁材料的环境敏感性特征进行分析了解。
磁场的影响
  磁性材料的一个基本特征是,将其置于磁场中使其内部磁矩相互作用,最终方向和所施加的外磁场方向一致,这也就是常说的“磁化”。磁化分为自发磁化和非自发磁化。如果材料内部磁矩完全反向排列,则材料的磁化为0:如果磁矩沿某一方向有规律的排列,则材料的磁化不为0。
  当磁性材料受外部磁场作用时,其磁矩方向将沿着外磁场方向转动。这意味着材料产生了各向异性,并沿着所施加的外磁场的方向增强。关于这类材料的高频性能,可用其在某一磁场下的本征性能进行表征。
  一方面,这种环境敏感性可以用于对磁性材料进行改性。如果原始材料在低频时具有良好性能,则施加某一方向合适的磁场叮以改善其高频特性。另一方面,由于磁性夹杂物的存在,手机滤波器的性能会受到地磁场的影响,且这种影响是有害的。
  CEA LeRipault中心军事应用司的材料科学部门正致力于研究磁性材料高频性能工程应用方面的研究,该研宄使得设计一种利用外加磁场使获得良好高频磁性能甚至电性能的装置变得可能。例如,可利用低频磁场网络控制高频电场。
温度的影响
  如果一个磁体被加热到某一温度,它将不会对铁具有吸引作用,这个使磁体失去磁性的温度叫居里温度。但磁性消失并不会突然发生,磁性材料的饱和磁感随温度的升高逐渐降低,吸力也会逐渐降低。
  饱和磁感是一个静态磁特性参数,它由磁性材料的成分和组织结构共同决定。磁性材料的饱和磁感对其频率响应特性有直接影响,同时对其磁导率频率特性的形式和程度也有影响。
  CEA 开发了一套能够表征磁性材料在180℃~300℃温度范围内的磁导率频率特性( 图1) 的设备。所获取的数据直接输入到计算工具中来计算配对有磁性材料的元件的磁导率频率特性。该设备还能可用求够评估高温的影响,但离实用还需一段较长的时间。这让人们想到了磁退。磁退火目的旨在通过采用最优的热循环处理来优化磁性材料的性能,退火温度远远低于材料的成犁温度。这一现象有点类似丁材料内部局部重组,重组程度可以通过退火过程巾施加强磁场来调节。
图1 某种磁性薄膜材料一180~300。C温度范围内磁导率频率特性图
  当退火温度接近材料成型温度时,材料的微观组织结构宵可能被改变。非晶材料变成纳水晶材料即是例证。最近 LeRipault的研究结果表明这种处理方式能够增强磁性材料的温度稳定性,这极大地拓宽了磁性材料的应用范围。
机械应力的影响
  磁致伸缩效应涉及材料磁性能和机械性能耦合影响的所有方面。当磁性能材料被磁化时,体积会发生变化。例如当温度逐渐下降居里温度以下,或对磁性材料施加外加磁场作用时,都将引起磁性材料的变形。
  相反地,可以通过施加机械应力引起材料变形的方式来改变磁性材料的磁性能。在施加机械应力时,材料磁化趋向于朝向或远离施加应力的方向。 
  图2给出了应力对磁性晶胞自由能的影响,该应力的矢量分布将决定材料内的磁化方向。由应力导致的磁化方向的取向由磁性材料的磁致伸缩系数的符号 (“+”或 “-”)决定。简单地说,该系数表征材料的磁性能对应力的敏感程度。
图2 磁性材料晶胞在应力作用下的自由能表面变形 (左图未施加应力,右图施加沿x轴方向的应力)。蓝色部分对应于易磁化方向。当施加应力时,易磁化方向将倾向于与x方向平行。
  目前研究的重点是将磁性材料与压电材料结合。压电材料在受到电场作用时会变形,这种变形传递到磁性材料后会改变其性能。来自西布列塔尼大学(Universit6deBretagneoccidentale)的电子和电信系统实验室 (UMR 6l65)团队与 CEA/DAM材料科学部联合开展的最新研究结果清晰地表明了这种结合使用巨大潜力。在应用方面,其目的是产生“频率捷变”部件,即该部件的性能是“可控制”的,以便使它们适应如电话信号接收频率。对于磁性材料,这种控制一般使用磁场操作的。而使用压电材料的电场效应可以减少电力消耗,同时消除当使用线圈时产生磁场所需的覆盖区域。
高频磁性表现出很大潜力
  尽管磁性材料周围的环境会强烈地破坏它们的磁性,但也可以用于开发材料的新应用。因此,当前的研究致力于掌握磁性材料的环境敏感性特性,同时,利用其与环境的相互作用来开发具有新功能的用途。磁场不再是控制这些性能的唯一方式。目前的工作主要是形成、整合这些理念,使材料的高频磁性作为一种高新技术产业成为现实。
不同类型的磁性
  正如量子物理学所讲,磁性起源于电子。电子的磁性部分来自其量子力学自旋状态(自旋磁矩),部分来自围绕原子核的电子轨道运动 (轨道磁矩)和原子核本身 (原子磁矩)。利用这一原理,在医疗领域形成了核磁共振成像技术,磁性是由运动的电荷产生的。作用在这些电荷上使其运动的力称为洛伦兹力,表明存在外加磁场。
  电子具有固有磁偶极矩 (磁性量子态是玻尔磁子),其形成可由围绕其自身向上或向下自旋运动来解释,如图 3所示。自旋量子数等于 1/2(+1/2或一1/2)。如果一对电子具有相反的磁偶极矩,则它们只能占据相同的轨道。
图3 (a)铁磁性材料,磁偶极矩平行排列: (b)反铁磁性材料.磁偶极矩反平行排列且磁矩大小相等:(c)亚铁磁性材料,其磁偶极矩反平行排列但磁矩大小不等
  每个原子像一个携带固有磁偶极子的微小磁铁。如果原子核原子质量数为奇数,则其具有半整数自旋 (中子和质子单独具有半整数 自旋):如果原子质量数和电荷是偶数,则为零自旋;如果原子质量数为偶数而电荷为奇数,则为整数自旋。
  在更大的尺度上,多个磁矩可以形成磁畴,磁畴中的所有磁矩沿相同方向平行排列。不同磁畴区域被畴壁分开。当将不同的磁畴组合在一起时,可形成宏观尺度的磁体 (图 3)。
  磁性材料的类型可按照磁矩的不同排列取向进行分类,通常将磁性材料分为三类:铁磁性,顺磁性和抗磁性。根据定义,除抗磁性材料以外的其他任何材料的磁化率均为正值。由于铁磁性材料具有特别高的磁化率,因此将其单独归为一类。
l 铁磁性
  铁磁性材料由内部非常微小的磁畴组成,磁畴内部的原子磁矩像磁偶极子一样平行同向排列,易于向外磁场方向转动。事实上,即使没有外部磁场,每个原子的磁矩在这些畴内也是自发平行排列的。当外部磁场激发畴壁移动时,等效于增大了外加磁场。如果该磁场强度超过一定值,则方向与外加磁场方向接近的磁畴将吞并其它磁畴而长大,并最终占据该材料的整个体积。如果外加磁场减小,畴壁将移动但与长大过程并不是完全对称相反的,因为畴壁不能完全反向回到原始位置。这导致剩余磁化的产生,这是自然存在的磁铁矿或磁铁的重要特征。
  整个过程形成完整的B—H磁滞回线,其面积代表不可逆转变的能量损失 (图4)。为了抵消感应出的磁感,必须施加反向磁场,也称为矫顽力场。目前用于制造永磁体的材料一般都具有很高矫顽力。
图 4 磁性材料的磁感应强度 B与激励磁场 H不成正比。尽管初始磁化曲线形成了 OsS曲线 (如图中蓝色曲线所示),但当达到饱和点 S时,若激励场减小至 0,则磁性材料将保留部分磁感。这种磁感只能通过施加反向磁场来抵消。该磁化曲线和退磁曲线所包围的面积代表磁畴之间摩擦所引起的磁损耗。
 
  由于磁畴的磁矩通常沿不同方向分布,通常铁磁性材料的总磁矩为零。材料的铁磁性在一定温度以上消失,这一温度被称为居里温度或居里点。材料的原子广泛分布在其晶体结构中,倾向于通过耦合效应更好地使磁畴对齐排列。这类具有非常高的正磁化率的材料类别包括铁,钴和镍及其合金,特别是钢,以及它们的一些化合物,还有一些具有大晶格常数的稀土金属及其合金。在铁磁性材料中,有一类材料的磁畴反平行排列,即使在没有外部场的情况下有净磁矩,如磁铁矿、钛铁矿和铁氧化物。反铁磁性特性发生是材料的平行和反平行的总和力矩为零 (例如铬或赤铁矿)。
2 顺磁性
  顺磁材料在磁场中的行为类似于铁磁材料,但由于磁化率远低于铁磁性材料 (磁化率为正,但仅为l0级别 ),对磁场的感应程度也相差很大。顺磁材料中的每个原子具有净磁矩。通常外部磁场和温度变化会影响材料的准确性。在存在外部磁场的情况下,磁矩同向平行排列,增强了外加磁场。然而,当温度升高这种增强效应会减小,因为热搅动扰乱了磁矩的平行排列。当外加磁场撤销时,顺磁材料会立即失去它们的磁化特性。大多数金属以及含有铁磁性元素的合金都是顺磁性的,如某些矿物例如伟晶岩等。
3 抗磁性
  抗磁性材料的磁化率为负值,且其级别在10水平。当施加外部磁场时,抗磁性材料沿与外加磁场相反的方向磁化,磁矩倾向于向磁力线分布更弱的地方运动。理论上讲,顺磁材料会对外磁场产生最大的抵抗力,并表现出零磁导率。金属材料等如银、金、铜、汞或铅,还有石英、石、稀有气体和大多数有机化合物都是抗磁性材料。
  事实上,由于围绕原子核作轨道运动的电子会受到外部磁场的影响。而一旦移除外部场,该影响就会立即消失,所有材料都或多或少地表现出抗磁性。正如法拉第很久以前就指出,只要被放置于在足够强的磁场中,所有物质都可以被“磁化”到更大或更小的程度。
电磁学
  丹麦物理学家、哥本哈根大学教授奥斯特,于1820年首次发现通电导线和磁场之间的关系。奥斯特发现当电流通过导线时,指南针指针会发生偏转。由此总结出后来被称作 “法拉第定律”的物理规律:通电导线产生的磁场与电流强度成比例。静磁学是研究静态磁场的学科,即磁场不随时间而变化。
  磁场和电场是电磁场的两个组成部分。电磁波在空间中可自由传播,也可以在几乎每个频段 (无线电波,微波,红外,可见光,紫外光,X射线和 射线)穿过大多数材料。因此包含有电力场和磁力场的电磁可以是自然的(如地磁场)或人造的(低频如电力传输线路和电缆,或更高频率,例如无线电波。
  数学上,电磁学的基本定律可通过四个麦克斯韦方程来描述,这些方程可以解释所有与电磁现象有关的问题,如静电学、静磁学以及电磁波传播。麦克斯韦在1873年阐述了这些定律,比爱因斯坦在“特殊相对论”中讨论电磁学早三十二年,这解释了电磁理论与经典物理学定律不兼容。
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