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磁学台州同城游知识 中科三环

  1 什么是永磁材料的磁性能,它包括哪些指标?

  永磁材料的主要磁性能指标是:剩磁(Jr, Br)、矫顽力(HcB)、内禀矫顽力(HcJ)、最大磁能积(BH)x。我们通常所说的永磁材料的磁性能,指的就是这四项。永磁材料的其它磁性能指标还有:居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁温度系数(α(Br))、内禀矫顽力的温度系数(β(HcJ))、回复导磁率(μrec)、退磁曲线方形度(Hk/HcJ)等。

  除磁性能外,永磁材料的物能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等;机械性能则包括维氏硬度、台州同城游杨氏模量、抗压强度、抗拉强度、冲击韧性等。此外,永磁材料的性能指标中还有重要的一项,就是表面状态及其耐腐蚀性能。

  1820年,丹麦科学家奥斯特(H. C. Oersted)发现通有电流的导线可以使其附近的磁针发生偏转,从而了电与磁的基本关系,诞生了电磁学。实践表明:通有电流的无限长直导线在其周围所产生的强弱与电流的大小成正比,与离线的距离成反比。强度通常用H表示。在国际单位制(SI)中强度的单位为A/m (安培/米),1A/m为载有1安培电流的无限长直导线π)米远处的强度;在CGS单位制(厘米-克-秒)中强度的单位为Oe (奥斯特),以纪念奥斯特对电磁学的贡献,载有1安培电流的无限长直导线A/m。

  

  pm,每单位材料体积内磁偶极矩的矢量和为该材料的磁极化强度J,其SI单位为T(特斯拉),在CGS单位制中,J的单位为Gs(高斯),1T=104Gs。

  0m,μ0空磁导率,因此M与J的关系为J=μ0M,在SI单位制中,μ0=4π×10-7H/m(亨/米);在CGS单位制中,μ0=1,故磁极化强度与磁化强度的数值相等。

  理论与实践均表明,对任何介质一H时(该可由外部电流或外部永磁体提供,亦可由永磁体对永磁介质自身提供,由永磁体对永磁介质自身提供的又称退---参看“什么是退?”),介质内部的强度并不等于H,而是表现为H与介质的磁极化强度J之和。由于介质内部的强度是由H通过介质的而表现出来的,为与H区别,称之为介质的磁强度,记为B:

  对于铁磁性材料而言,磁强度B对强度H的响应通常是滞后的。当外场H在任意两个数值之间来回变化时,B与H的对应关系在H-B直角坐标系内是由两条曲线构成的一个闭合的回线,被称为磁滞回线,而非一条往复曲线。选择不同的外场强度,同一种永磁材料可画出无限多的磁滞回线。通常,我们将可能的最大场强(正反向)得到的磁滞回线指定为永磁材料的主磁滞回线,其它的叫次磁滞回线。如果最大场强能将磁体饱和磁化,就将主磁滞回线a显示了烧结Nd-Fe-B永磁体的典型主磁滞回线,其中B-H的关系称为标准曲线,J-H的关系称为内禀曲线。两条曲线)相关联,从一个曲线推导出另一个曲线。

  d,Bd)定义的一个点,例如图1c中的D点。给定永磁磁的负载线是穿过原点和D的直线c),其斜率为Pc= Bd/Hd,也称为磁体或磁的磁导系数,因此负载线也称为磁导系数线。

  r,Br),为什么在永磁材料的退磁曲线上任意测量点的磁极化强度J值和磁强度B值必然小于剩磁Jr和Br值?

  r和剩余磁强度Br。根据关系式(1)可知,当H为0时,Jr= Br,Jr和Br的数值和单位都相同,因此统称为剩磁。

  r减小的变化规律,因此J≤Jr。对于现代常用的铁氧体和稀土永磁材料而言,J退磁曲线在H绝对值较低的区域内可以保持为相对平直的直线,且斜率为正。相应地,B从最大值Br= Jr变化到0,然后变为负值,也不会超过Br;如果B = 0对应的H仍处于J-H曲线的直线区域,则B退磁曲线非常接近于一条直线,但其斜率 k μ0。

  cB时,磁体的磁强度B=0,称该反向H的绝对值为该材料的矫顽力HcB;在反向H=-HcB时,磁体对外不显示磁通,因此矫顽力HcB表征永磁材料抵抗外部反向或其它退磁效应的能力。矫顽力HcB是磁设计中的一个重要参量。

  cB总是小于剩磁Br/μ0。因为从(1)式可以看到,在H= -HcB处,B=0,则μ0HcB=J,问题6已经说明,在J退磁曲线上任意点的磁极化强度值总是小于剩磁Jr,故Hcr/μ0= Br/μ0。在CGS单位制中,数值上Hcr= Br。例如:Br=12.3kGs的磁体,其HcB不可能大于12.3kOe,换句话说,在数值上剩磁Jr是矫顽力HcB的理论极限。

  cB时,虽然B = 0,磁体对外不显示磁通,但磁体的磁极化强度J在原磁化方向往往仍保持一个较大的值,也即磁体内部微观磁偶极矩的矢量和并不为0。因此,H =-HcB并不对应磁体内部宏观磁化消失的状况;只有当反向H的绝对值进一步增大到某一值HcJ时,磁体的磁极化强度J = 0,或内部微观磁偶极矩的矢量和为0,称该反向H的绝对值为该材料的内禀矫顽力HcJ。

  cJ远大于HcB的磁体,当反向H的绝对值大于HcB但小于HcJ时,虽然磁体已被退磁到磁强度B反向的程度,但其磁极化强度J仍保持原方向,在反向H撤消后,磁体的B仍能因J的保持而回到原来的方向。也就是说,只要反向H的绝对值还未达到HcJ,永磁材料便尚未被完全退磁。因此,内禀矫顽力HcJ是表征永磁材料抵抗外部反向或其它退磁效应以保持其原始磁化状态能力的一个主要指标。

  cB和内禀矫顽力HcJ的单位与强度单位相同。

  m和Hm(纵坐标和横坐标的绝对值)分别代表磁体在该状态下,磁体内部的磁强度和的大小(方向与磁方向相反),Bm和Hm的乘积(BmHm)代表磁体在该状态下对外的能力,等同于单位体积磁体所贮存的磁能量,称为磁能积。在B退磁曲线上的Br点和HcB点,磁体的(BmHm)=0,表示此时磁体对外的能力为0,即磁能积为0;磁体在某一状态下(BmHm)的值最大,表示此时磁体对外的能力最大,称为该磁体的最大磁能积,或简称磁能积,记为(BH)x或(BH)m。因此,人们通常都希望磁中的磁体能在其最大磁能积状态下工作。由于Br ≥μ0HcB,最大磁能积(BH)x≤Br2/4μ0。

  c),什么叫磁体的可工作温度Tw,二者有何关系?

  c。居里温度Tc只与磁性材料的成分有关,与材料的显微组织形貌及其分布无关。

  w。磁性能指标的约定降低幅度需要视应用条件及要求而定;即使约定幅度相同,同一种永磁材料也会因单个磁体的几何特征差异或磁结构的差异体现出不同的Tw,因此Tw不是永磁体固有的材料参数。

  c代表着该材料的理论工作温度极限。事实上,永磁材料的实际可工作Tw远低于Tc。例如,纯三元的Nd-Fe-B磁体的Tc为312℃,而其实际可工作Tw通常不到100℃。通过在Nd-Fe-B合金中添加重稀土金属以及Co、Ga等元素,可显著提高Nd-Fe-B磁体的Tc和可工作Tw。值得注意的是,任何永磁体的可工作Tw不仅与磁体的Tc有关,还与磁体的HcJ等磁性能指标、以及磁体在磁中的工作状态有关。粘结磁体作为磁粉和粘结剂组成的一个复合体系,粘结剂的耐温特性也可能成为Tw的制约因素。

  当永磁体向提供磁强度B的时候,它也给自身了一个与磁化强度M相反的Hd,被称为自退,简称为退。在完全闭合的磁中,永磁体不会向外部提供,磁体中也没有退。当外为零时,退便是永磁体内存在的唯一,它与磁体的磁化强度M相互作用达到一个平衡状态,关联Hd和M的是退磁因子N:

  d在磁体内各处甚至不一定与M反平行,即使形状简单如立方体和圆柱体也是如此,从数学的一般意义上说退磁因子N应该是一个33的矩阵,很难用简单的公式来计算,须通过将磁体的几何形状划分为许多物质均匀的简单区域,利用有限元方法借助于计算机进行数值计算而得到。唯一的例外是沿长轴或短轴磁化的椭球形磁体(当然,是椭的特殊情况),M是均匀的,N只是一个参数,且可以用解析公式计算出来。另外,值得庆幸的是,对于形状的磁体而言,假设M均匀且N是一个与几何特征相关的参数,在合理的误差范围内也是恰当的,这种处理尤其在有限元数值计算普及之前发挥了重要作用。由于圆柱体是最实用的磁体形状之一,人们通过实验测量得到了它的退磁因子N与磁体长径比L/D的关系(如图2)。

  

  c的OP直线即负载线,而OP与B-H曲线的交点D即工作点(参见图1c)。例如,一个直径为12.5毫米的圆柱形烧结Nd-Fe-B磁体,假设没有磁轭铁,它的长度是多少,才能使其在最大磁能积附近工作?在图1c中,假设磁体的HcB和Br的绝对值相等,则当负载线度角时(BdHd)的乘积是最大的,因此Pc= -1.0,根据公式(3)可算出N = 0.5,再从图2可得到磁体的长径比L/D = 0.47,磁体的长度为5.88毫米。

  rec),什么叫J退磁曲线方形度(Hk/HcJ),它们有何意义?

  d呈周期性变化,此时如图1c所示的工作点D亦呈周期性往复变化,B-H曲线就是一个小回线——动态回复曲线,连接小回线两个端点的直线的斜率即为回复导磁率μrec。显然,回复导磁率μrec表征了磁体在动态工作条件下的稳定性,它也是永磁体的B退磁曲线方形度,因此它是永磁体的一个重要的磁特性指标之一。对于烧结Nd-Fe-B磁体,B退磁曲线为直线且HcB约等于Br,其动态回复曲线就是B退磁曲线的一段,回复导磁率μrec等于B退磁曲线的斜率,且μrec=1.01~1.10;粘结Nd-Fe-B磁体方形度较差,μrec= 1.15~1.20。μrec越小,磁体在动态工作条件下的稳定性就越好。值得注意的是,若磁体的B退磁曲线不是直线,则磁体的μrec在不同工作点就有不同的值,此时如何把磁体设计在最稳定的工作状态,就显得非常重要。

  r时的反向大小为Hk,Hk/HcJ可以直观地表示磁体的J退磁曲线方形度。对于具有高HcJ的烧结Nd-Fe-B磁体,HcJ远远大于HcB,当反向大于HcB但小于HcJ时,相应的B退磁曲线)式可知,此时若磁体的J退磁曲线仍为直线,则相应第三象限的B退磁曲线亦保持直线,磁体的μrec仍保持较小值,在反向外撤消后,磁体的工作点仍能恢复到原来的。因此,Hk/HcJ也是永磁体的一个重要的磁特性指标之一,它和μrec一样,表征了磁体在动态工作条件下的稳定性。

  磁性材料分为永磁材料、软磁材料二大类。通常将内禀矫顽力大于0.8kA/m的材料称为永磁材料,将内禀矫顽力小于0.8kA/m的材料称为软磁材料。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料;应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

  2Fe14B(简称2:14:1相)。除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B永磁体中还含有少量的富Nd相、富B相等其它相。其中主相和富Nd相是决定Nd-Fe-B磁体永磁特性的最重要的两个相。今天,Nd-Fe-B永磁体已广泛应用于计算机、医疗器械、通讯器件、电子器件、磁力机械等领域。

  Nd-Fe-B磁体分为烧结、粘结和热压/热变形三大类。通常的烧结Nd-Fe-B磁体是用粉末冶金方法制造的各向异性致密磁体;而通常的粘结Nd-Fe-B磁体是用快淬的方法获得微晶粉末,每个粉末颗粒内含有多个Nd-Fe-B微晶晶粒,再用聚合物或其它粘结剂将粉末颗粒粘结成大块磁体,因而通常的粘结Nd-Fe-B磁体致密的各向同性磁体;热压Nd-Fe-B磁体是将快淬微晶粉末热压后制备的各向同性致密磁体,再经热变形制得各向异性致密磁体。通常的烧结Nd-Fe-B磁体的磁性能远高于粘结Nd-Fe-B磁体,但粘结Nd-Fe-B磁体有着许多烧结Nd-Fe-B磁体不可替代的优点:可以用压缩、注射等成形方法制作尺寸小、形状复杂、几何精度高的永磁体,并容易实现大规模自动化生产;另外,粘结Nd-Fe-B磁体还便于任意方向充磁,能方便制作多极磁体,而这对于烧结Nd-Fe-B磁体来说通常很难实现;由于粘结Nd-Fe-B磁体中主相Nd

  2Fe14B呈微晶状态,因此它还具有比烧结磁体耐蚀性好等优点。热压/热变形磁体取向度不及烧结磁体,因此磁性能低于后者,但更细小的晶粒使其具有更高的HcJ和更佳的耐腐蚀性。

  也有部分网友在进行的,表示支持这个观点,主要是因为现在网瘾对于青少年的确实是十分严重的,不仅仅是在游戏方面,还有各种,人手一部手机,从不离身的。

  

  2Fe14B是Nd-Fe-B永磁体中唯一具有单轴各向异性的硬磁性相,其体积分数占磁体中各相的90%以上,因而称为主相。其晶体结构如图3所示:晶格a= 0.882nm,c = 1.224nm,c轴为易磁化轴,每个单胞含有4个式的68个原子。Nd2Fe14B相的内禀磁性是:居里温度Tc=585K,室温磁晶各向异性K1= 4.2MJ/m3,台州同城游K2= 0.7MJ/m3,磁晶各向异性场μ0Ha= 7.3T,室温饱和磁极化强度Js= 1.61T。Nd2Fe14B的基本磁畴结构参数为:畴壁能密度γ=30MJ/m2,台州同城游畴壁厚度δ=5.2nm,单畴粒子临界尺寸Dc=0.26μm。

  除主相Nd2Fe14B外,Nd-Fe-B磁体中的另一个重要的相就是富Nd相。富Nd相的成分和结构都非常复杂:Nd含量可以从55%到95%以上,其晶体结构可以是fcc(面心立方)、dhcp(双六方)或非晶态,其结构和成分随磁体合金的成分、工艺而变化。例如,铸锭中的富Nd相的成分、结构与烧结态磁体是不同的;而烧结态磁体中的富Nd相的成分、结构与回火态磁体又不相同。富Nd相的存在是大块Nd-Fe-B磁体具有高矫顽力的重要原因,永磁材料工作者的重要任务之一就是认识、了解和控制富Nd相。

  2Fe14B,则磁体在磁化或反磁化过程中,内部的畴壁很容易,在宏观上表现为磁体很容易被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁体的矫顽力就很低;若主相Nd2Fe14B晶粒周围被非磁性的富Nd相包围,则磁体在磁化或反磁化过程中,磁体内部畴壁的便只限于一个晶粒内进行,在宏观上表现为磁体较难被磁化或反磁化,Nd-Fe-B磁体的矫顽力就较高。

  2Fe14B晶粒的隔离作用,因此氧对Nd-Fe-B磁体的矫顽力的影响很大。此外,氧对富Nd相在烧结后冷却时的共晶行为以及富Nd相与主相之间的边界特征产生重要影响。

  

  在烧结磁体工艺中,晶界扩散技术一般是指在烧结/回火磁体表面引入重稀土元素Dy或Tb,再经热处理使重稀土沿着晶界的液相扩散至磁体内部,从而提升磁体的内禀矫顽力。与传统合金方式添加重稀土的方法相比,晶界扩散方法中的重稀土被更优化地配置到主相晶粒近表面形成高磁晶各向异性层,是一种能提高磁体矫顽力,且对剩磁和磁能积没有太大影响,并能节省大量重稀土的有效方法。

  

  倒角是电镀前的预处理工序,为减缓在电镀过程中磁体棱边因电流密度相对集中而造成的镀层厚度不均匀。由于通常的烧结Nd-Fe-B成品磁体尺寸小、形状不一,因此采用振动式滚磨光整工艺最为适合该产品的大批量倒角加工。振动式滚磨光整生产效率高、倒角速度快,已广泛为烧结Nd-Fe-B磁体深加工厂家所采用;

  烧结Nd-Fe-B磁体的表面层除电镀外,还有物理气相沉积(PVD)法,分蒸发镀、溅射镀、离子镀三类,可形成Al、Zn、Cr等镀层;化学气相沉积(CVD)则可形成Ti、Cr等的氮化物、碳化物镀层。此外,烧结Nd-Fe-B磁体还可以用表面化学钝化、化学镀、热浸渍、热喷涂、电泳等方法获得各种不同的表面层。

  粘结Nd-Fe-B永磁体是由磁粉与粘结剂(橡胶、塑料和树脂)和添加剂按一定比例均匀混合制得,根据快淬Nd-Fe-B磁体技术发展过程中磁体的出现顺序又称为“MQ-I磁体”。粘结Nd-Fe-B磁体有四种成形技术,包括压缩成形、注射成形、挤出成形和压延成形,其中压缩成形和注射成形是目前最常用的两种成形方法。

  

  3。压缩成形磁体的生产效率高,但是沿方向密度一致性差。粘结钕铁硼磁体在潮湿的很容易氧化,因此压缩成形磁体必须进行表面涂装才能使用。薄壁、环形的压缩成形磁体尤其适用于各种主轴和步进电机中。

  铁基非晶软磁薄带是利用熔体急冷法(冷却速率10

  )在Fe-Si-B合金基体中加入少量Cu和Nb制备出的非晶态合金。非晶合金具有无序的原子结构。而纳米晶软磁材料则是将这些软磁薄带经适当温度退火后部分晶化,形成超细晶粒(晶粒尺寸约为10 nm),相对非晶材料而言具有更优异的软磁特性。非晶、纳米晶软磁材料具有高磁导率、高饱和磁强度、低损耗、良好温度特性和温度稳定性等优点,被誉为二十一世纪新型绿色节能材料,广泛应用于信息通讯和电力电子行业,推动并实现了电子产品高频化、小型化和环保节能。

  由于磁力线具有这样的基本特性,因此介质的磁化状态取决于介质的磁学特性和几何形状。在通常情况下,介质都处于非均匀磁化状态,也就是说通常介质内部的磁力线不是平行直线,而是呈曲线状态且分布不均匀;另外,在自然界中电的绝缘体比较常见,但不存在磁的绝缘体,即不同材料的磁导率差异小于材料的电导率差异,使得通常的磁都存在漏磁。介质处于非均匀磁化状态和磁存在漏磁这两个特征,就决定了磁的准确计算非常复杂。

  磁是指由一个或多个永磁体、载流导线、软磁体按一定形状和尺寸组合,以形成具有特定工作气隙的构件。软磁体可以是纯铁、低碳钢、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Ni-Co合金等具有高磁导率的材料。软磁体又称为轭铁,它在磁中起着控制磁通流向、增加局部磁强度、防止或减少漏磁、以及提高整个构件的机械强度的作用。

  

  从人类发现天然磁石能吸引铁、到作成指南针用于航海,到1820年奥斯特发现电和磁之间的关系,期间经过了2000多年的漫长历史。1825年前后,安培和欧姆分别提出了他们划时代的定律。同年,William Sturgeon制成了人类历史上第一个电磁铁。1830年,法拉第(Michael Faraday)和亨利(Joseph Henry)分别发现了电磁现象。1832年,William Sturgeon发明了转动式电磁发动机。1856年,的西门子(Werner Siemens)发明了划时代的电动机。1873年,伦敦皇家科学院的麦克斯韦(J. C. Maxwell)用系统而精确的数学形式表达了有关电和磁的全部定律——麦克斯韦方程组,至此,电磁学理论基本成熟。麦克斯韦方程组凝聚了从1820年到1860年间,许多值得人类永远纪念的杰出科学家的贡献。他们是:库仑、安培、法拉第、高斯、韦伯、赫姆霍兹、亨利、焦耳、楞茨、泊松、麦克斯韦、洛仑兹、毕奥等。

  g/Dm 0.15,Lg为气隙间距,Dm为磁体直径或短边长度),选择高Bs的软磁材料,如Fe-Co合金或低碳钢放在磁体前面,可改善气隙;在中等气隙时(0.15 Lg/Dm 0.5),选择高Br磁体;在大气隙时(Lg/Dm 0.5),选择高HcJ磁体。

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