15个磁性材料相关知识

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1.磁性

实验表明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,反铁磁性物质。我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,把铁磁性物质、亚铁磁性物质称为强磁性物质。

2.磁性材料

  • 软磁材料:可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度,是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化,也易于退磁。例如:软磁铁氧体、非晶纳米晶合金。

  • 硬磁材料:又叫永磁材料,是指难以磁化并且一旦磁化之后又难以退磁的材料,其主要特点是具有高矫顽力,包括有稀土永磁材料、金属永磁材料及永磁铁氧体。

  • 功能磁性材料:主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料以及磁性薄膜材料等。

3.钕铁硼永磁材料

  • 烧结钕铁硼永磁材料采用的是粉末冶金工艺,熔炼后的合金制成粉末并在磁场中压制成压胚,压胚在惰性气体或真空中烧结达到致密化,为了提高磁体的矫顽力,通常需要进行时效热处理,再经后加工及表面处理后获得成品。

  • 粘结钕铁硼是由永磁体粉末与可绕性好的橡胶或质硬量轻的塑料、橡胶等粘结材料相混合,按照用户要求直接成型为各种形状的永磁部件。

  • 热压钕铁硼在不添加重稀土元素的情况下可实现与烧结钕铁硼相近的磁性能,具有致密度高、取向度高、耐蚀性好、矫顽力高和近终成型等优点,但机械性能不好且由于专利垄断,加工成本较高。

4.剩磁 Br

是指将一个磁铁在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后撤消外磁场,此时磁铁表现的磁感应强度。通俗的讲可以暂且理解为充磁后磁体的磁力。单位为特斯拉(T)和高斯(Gs),1Gs=0.0001T。

5.矫顽力 Hcb

磁体在反向充磁时,使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力。但此时磁体的磁化强度并不为零,只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消,此时若撤消外磁场,磁体仍具有一定的磁性能。单位是奥斯特(Oe)或安/米(A/m),1A/m=79.6Oe。

6.内禀矫顽力 Hcj

使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度,我们称之为内禀矫顽力。磁材牌号的分类就是按照其内禀矫顽力的大小划分。低矫顽力N、中等矫顽力M、高矫顽力H、特高矫顽力UH、极高矫顽力EH、至高矫顽力TH。

7.最大磁能积 (BH)max

代表了磁铁两磁极空间所建立的磁能量密度,即气隙单位体积的静磁能量,是Br与Hcj乘积的最大值,它的大小直接表明了磁体的性能高低。在同等的条件下,即相同尺寸、相同极数和相同的充磁电压,磁能积高的磁件所获得的表磁也高,但在相同的(BH)max值时,Br和Hcj的高低对充磁有以下影响: 

  • Br高,Hcj低:在同等充磁电压下,能得到较高的表磁;

  • Br低,Hcj高:要得到相同表磁,需用较高充磁电压。

8.SI制和CGS制

即国际单位制和高斯单位制,就好比是长度单位中“米”和“里”的差别。国际单位制和高斯单位制之间存在一定的复杂换算关系。

9.居里温度

是磁性材料在铁磁体和顺磁体之间改变的温度,低于居里温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

居里温度代表着磁性材料的理论工作温度极限,钕铁硼的居里温度约是320-380摄氏度,居里点的高低与磁铁烧结形成的晶体结构相关。如果温度达到居里温度,磁体内部分子剧烈运动并出现退磁的情况,并且是不可逆的;磁体退磁后可再次被充磁,但磁力会大幅下降,只能达到原来的50%左右。

10.工作温度

烧结钕铁硼的最高工作温度远低于其居里温度,在工作温度内温度升高磁力会下降,但是冷却后磁力大部分会恢复。

工作温度与居里温度的关系:居里温度约高,磁材的工作温度也相对越高,并且温度稳定性更好。烧结钕铁硼原料中加入钴、铽、镝等元素可提高其居里温度,因此高矫顽力产品中(H、SH、…)普遍含都有加镝。 

烧结钕铁硼的最高使用温度取决于其本身的磁性能和工作点的选取。对同一烧结钕铁硼磁铁而言,工作磁路越闭合,磁铁的最高使用温度就越高,磁铁的性能就越稳定。所以磁铁的最高使用温度并不是一个确定的值,而是随着磁路的闭合程度而变化。

11.磁场取向

磁性材料分为各向同性磁体和各向异性磁体两类。各向同性磁体任何方向的磁性能都相同,能任意吸在一起;各向异性磁体在不同方向上磁性能会有不同,它能获得最佳磁性能的方向称为磁体的取向方向。

一块方形的烧结钕铁硼磁铁,只有取向方向磁场强度最大,另外两个方向磁场强度要小很多。磁性材料在生产过程中有取向工艺的话就是各向异性磁体,烧结钕铁硼一般都用磁场取向成型压制,那么就是各向异性了,因而在生产前需要确定取向方向,即将来的充磁方向。粉末磁场取向是制造高性能钕铁硼的关键技术之一。(粘接钕铁硼有各向同性的也有各向异性的)

12.表磁

是指磁体表面某一点的磁感应强度(磁体中心和边缘的表磁不一样),是高斯计与磁体某一表面接触测得的数值,并非该磁体整体的磁性能。

13.磁通量

设在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面,磁感应强度B与面积S的乘积,叫做穿过这个平面的磁通量,简称磁通,符号“Φ”,单位是韦伯(Wb)。 磁通量是表示磁场分布情况的物理量,是一个标量,但有正负,正负仅代表其方向。Φ=B·S,当S与B的垂面存在夹角θ时,Φ=B·S·cosθ。

14.电镀

烧结钕铁硼永磁材料采用粉末冶金工艺生产,是一种化学活性非常强的粉末材料,内部存在微小孔隙与空洞,在空气中易被腐蚀和氧化,所以使用前必须进行严格的表面处理,电镀作为一种成熟的金属表面处理手段应用较为广泛。

钕铁硼强力磁铁的镀层最常用的分别为镀锌和镀镍这两种,他们在外观、耐腐蚀、使用寿命、价格等方面都有着很明显的区别:

  • 抛光性区别:镀镍在抛光上面是优越于镀锌的,外观上更为亮一些。对产品外观要求高的一般会选择镀镍,而一些磁铁不外露,对产品外观要求相对低一点的一般镀锌。

  • 耐腐蚀性区别:锌是活泼金属,能与酸反应,所以耐腐蚀性较差;镀镍表面处理过后,其耐腐蚀性更高。

  • 使用寿命区别由于耐腐蚀性不同,镀锌的使用寿命低于镀镍,主要表现在使用时间久了表面镀层容易脱落,导致磁体氧化,从而影响磁性能。

  • 硬度区别:镀镍比镀锌高的,在使用过程中,可以极大程度的避免碰撞等情况,使得钕铁硼强力磁铁出现掉角、碎裂等现象。

  • 价格区别:在这方面镀锌是极具优势的,价格从低到高排列为镀锌,镀镍,环氧树脂等。

15.单面磁铁

磁铁都有两极,但在某些工作位置需要单面极的磁铁,所以需要用铁片把一面磁铁包住,使铁片包住的那一面磁性被屏蔽,这样的磁铁被统称为单面磁或者单面磁铁。不存在真正的单面磁铁。

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