任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同。根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质,亚铁磁性物质,反磁性物质。把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,把铁磁、亚铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料是多指强磁性物质。
在外场作用或自发条件下表现出磁性,具有大的磁化强度或磁导率的材料。
任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同。根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可分为五类:顺磁性物质,抗磁性物质,铁磁性物质,亚铁磁性物质,反磁性物质。把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,把铁磁、亚铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料是多指强磁性物质。
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。11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086年《梦溪笔谈》记载了指南针的制作和使用。1099~1102年有了指南针用于航海的记录,同时还发现了地磁偏角的现象。世界上多种磁性材料的研究和应用是从19世纪末到20世纪初发展起来的。在软磁材料方面,1900年W.F.巴雷特等最早研究了铁硅(FeSi)合金的磁性,并于1903年开始工厂生产。1934年N.P.戈斯研制成功立方织构硅钢片,使其获得广泛的应用。1889年J.霍普金森最早研究铁镍(FeNi)合金磁性;1913年G.W.埃尔门发现提高其磁导率的特殊热处理工艺(称为坡莫合金处理),后来他又研制成功加钴的坡明瓦合金(1928)和钼坡莫合金(1930)。1960年P.杜威用快速冷凝技术获得原子结构无序的非晶态金属。1970年非晶态软磁合金得到快速发展并工业生产。20世纪80年代日本日立金属公司在非晶态软磁合金的基础上开发出纳米晶FeCuNbSiB合金,具有极好的软磁性。在硬磁材料方面,19世纪中后期研制成功钨磁钢(1855年)和铬磁钢(1870年),20世纪初研制成功相应的钴钨磁钢(1917年)和钴铬磁钢(1921年),但其最大磁能积均小于10千焦/米3。20世纪30年代研制成铝镍钴(Al-Ni-Co)系永磁合金(1931~1940年)和铂钴(Pt-Co)合金(1936年)。20世纪50年代初研制成钡铁氧体系列永磁材料,20世纪60~80年代稀土永磁SmCo5、Sm2Co17和Nd2Fe14B三代材料相继出现,使最大磁能积提高到200千焦/米3以上。
磁性材料随外磁场而磁化。磁化强度M随外磁场H的变化关系为回线,称为磁滞回线,即从外场为零的初始点,磁化强度M随H增大而增大,直至饱和值Ms,当外场返回减小时,M不经原轨迹减小,H回到零点时,M仍保留一个“剩磁”值Mr等,要想使M回到零值,必须反向加磁场直至“矫顽力”Hc。反向磁化情形类似。正反向反复磁化就构成了M-H曲线的“磁滞回线”,见图。
磁性材料根据应用领域的不同,可按磁性、效应、结构、形态等多种方法进行分类。
磁性材料按性质分为金属和非金属两类,前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料。按磁性可分为5类:①硬磁材料,磁滞回线面积大,即磁化后剩磁Ms大、矫项力Hc大,能对其周围特定空间提供稳定的磁场的材料。又称永磁材料。②软磁材料,磁滞回线面积小,细长形,即很容易饱和到Ms,但剩磁Mr不大,Hc也很小,而导磁率μ——磁化强度M与外磁场H之比很大的材料。③矩磁材料,磁滞回线呈矩形,具有能与二进制数码对应的两个稳定的磁化状态的材料。又称磁记录材料。④压磁材料,样品尺寸、体积和力学性能随磁化状态而明显变化的材料。又称磁致伸缩材料。主要有镍(Ni)金属、铽镝铁(Tb-Dy-Fe)合金等。⑤旋磁材料,电磁波的偏振面会因材料的磁化状态而产生偏转的材料。多用于微波器件,故又称微波磁性材料,如钇铁石榴石(YIG)。
按学科交叉的磁效应可分为4类:①磁光材料,对光(含红外)频段的旋磁效应和旋电效应高,且光损耗低的材料。多用于磁光存储和光纤通信中的磁光器件。②磁电阻材料,外加磁场能引起材料电阻率明显变化的材料。早期多用铁镍合金的正磁电阻效应,磁电阻变化率在3%以下。1980年后相继发现磁性多层膜钴铜(Co/Cu)的巨磁电阻效应(GMR)和钙钛矿型锰基氧化物镧钙锰氧(LaCa)MnO3系列的庞磁电阻效应(CMR)等,并由此而衍生出新兴学科——自旋电子学。③磁致冷材料,磁场引起材料熵的变化,而可通过绝热去磁用于降低温度的材料。可以用顺磁盐获得毫开(10−3开)以上的低温,用核磁矩获得毫开以下的极低温。室温附近的磁致冷材料研究取得很大进展,有金属钆(Gd),GDSiAl合金,Mn-(As,Sb)合金,MnFe(P-As)合金,NiMnGa合金,(La,Na)MnO3化学物等。④生物磁性材料,人工制造的在生物体内不具有排异反应的磁性材料,或生物体内通过生物矿化过程而产生的磁性材料,如可用于磁性药物的磁性微球等。这方面的研究尚很初步。
按材料的形态或维度可分为4类:①三维块状材料,是最常用的形态。②(准)二维磁性薄膜材料,有单层膜、多层膜、超薄膜之分。多用于磁记录的磁传感器。21世纪初发展出的自旋电子学就是基于磁性薄膜材料。③(准)一维丝状材料,多用于磁记录和磁传感器,为针状γ-Fe2O3、发展中的量子磁存储纳米磁性丝等。④(准)零维超细纳米磁性粒子,处于单磁畴状态的超顺磁性材料。重要的应用有磁性液体和医用磁性微球等。
磁性材料按结构类型还可分为单晶、多晶、纳米晶、非晶态磁性材料等。
磁性材料在电工、电子学、无线电技术和信息技术等各领域有着广泛和重要的应用。例如,电力技术中的各种电机和功率变压器;电子技术中的各类磁性元件、电感脉冲变压器、微波电子管;通信技术中的磁性天线、传感器、滤波器;国防技术中的磁性水雷、地雷和隐身材料;仪表工业中的磁电式或电磁式仪表;家用电器中的各类音响和磁带;医学中的脑磁、心磁图设备,载磁药物和各类磁疗器;科学研究中的加速器磁体、粒子磁谱仪;地矿技术中的磁法勘探和海洋磁测;信息技术中的各种硬盘、软盘和磁光盘;空间技术中的磁姿态控制和磁测;能源技术中的磁流体发电和磁约束热核聚变;生物技术中的磁致遗传变化、核磁共振成像等。随着电子技术和信息技术的发展,磁记录材料也在其中起着重要的推动作用。从钢丝录音到铁氧体磁芯存储,从薄磁膜计算机内存到磁光存储盘,各种录音带、录像带、软盘、硬盘、磁光盘都是磁记录材料发展的见证。随后发展起来的自旋电子学相应的各类磁性多层膜材料和器件,对21世纪的人类进步带来重大影响。