可由磁場感生或改變磁化強度的物質。按照磁性的強弱,物質可以分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性等幾類。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質,其餘為弱磁性物質。現代工程上實用的磁性材料多屬強磁性物質,通常所說的磁性材料即指強磁性材料。

  磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特性和特殊效應製成元件或器件;用於存儲、傳輸和轉換電磁能量與資訊,或在特定空間產生一定強度和分佈的磁場;有時也以材料的自然形態而直接利用(如磁性液液體)。磁性材料在電子技術領域和其他科學技術領域中都有重要的作用。

  簡史 中國是世界上最先發現物質磁性現象和應用磁性材料的國傢。早在戰國時期就有關於天然磁性材料(如磁鐵礦)的記載。11世紀就發明瞭制造人工永磁材料的方法。1086年《夢溪筆談》記載瞭指南針的制作和使用。1099~1102年有指南針用於航海的記述,同時還發現瞭地磁偏角的現象。

  近代,電力工業的發展促進瞭金屬磁性材料──矽鋼片(Si-Fe合金)的研制。永磁金屬從19世紀的碳鋼發展到後來的稀土永磁合金,性能提高二百多倍。隨著通信技術的發展,軟磁金屬材料從片狀改為絲狀再改為粉狀,仍滿足不瞭頻率擴展的要求。20世紀40年代,荷蘭J.L.斯諾伊克發明電阻率高、高頻特性好的鐵氧體軟磁材料,接著又出現瞭價格低廉的永磁鐵氧體。50年代初,隨著電子計算機的發展,美籍華人王安首先使用矩磁合金元件作為計算機的內存儲器,不久被矩磁鐵氧體記憶磁芯取代,後者在60~70年代曾對計算機的發展起過重要的作用。50年代初人們發現鐵氧體具有獨特的微波特性,制成一系列微波鐵氧體器件。壓磁材料在第一次世界大戰時即已用於聲納技術,但由於壓電陶瓷的出現,使用有所減少。後來又出現瞭強壓磁性的稀土合金。非晶態(無定形)磁性材料是近代磁學研究的成果,在發明快速淬火技術後,1967年解決瞭制帶工藝,正向實用化過渡。

  分類 磁性材料按磁性功能分,有永磁、軟磁,矩磁、旋磁和壓磁材料;按化學成分分,有金屬磁和鐵氧體;按結構分,有單晶、多晶和非晶磁體;按形態分,有磁性薄膜、塑性磁體、磁性液體和磁性塊體。磁性材料通常是按功能分類的。

  永磁材料 一經外磁場磁化以後,即使在相當大的反向磁場作用下,仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩餘磁感應強度Br高,矯頑力BHC(即抗退磁能力)強,磁能積(BH)

(即給空間提供的磁場能量)大。相對於軟磁材料而言,它亦稱為硬磁材料。

  永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。①合金類:包括鑄造、燒結和可加工合金。鑄造合金的主要品種有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W);燒結合金有:Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等;可加工合金有:FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等,後兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類:主要成分為MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復合組分。③金屬間化合物類:主要以MnBi為代表。

  永磁材料有多種用途。①基於電磁力作用原理的應用主要有:揚聲器、話筒、電表、按鍵、電機、繼電器、傳感器、開關等。②基於磁電作用原理的應用主要有:磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基於磁力作用原理的應用主要有:磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、復印機、控溫計等。其他方面的應用還有:磁療、磁化水、磁麻醉等。

  根據使用的需要,永磁材料可有不同的結構和形態。有些材料還有各向同性和各向異性之別。

  軟磁材料 它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此,對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度,同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反,其Br和BHC越小越好,但飽和磁感應強度Bs則越大越好。

  軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片:FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態合金薄帶:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當的Si、B、P和其他摻雜元素,又稱磁性玻璃。③磁介質(鐵粉芯):FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料,經電絕緣介質包覆和粘合後按要求壓制成形。④鐵氧體:包括尖晶石型──M++ O·Fe2O3 (M++ 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其復合組分)。

  軟磁材料的應用甚廣,主要用於磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。

  矩磁材料和磁記錄材料 主要用作信息記錄、無接點開關、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點是磁滯回線呈矩形。

  旋磁材料 具有獨特的微波磁性,如導磁率的張量特性、法拉第旋轉、共振吸收、場移、相移、雙折射和自旋波等效應。據此設計的器件主要用作微波能量的傳輸和轉換,常用的有隔離器、環行器、濾波器(固定式或電調式)、衰減器、相移器、調制器、開關、限幅器及延遲線等,還有尚在發展中的磁表面波和靜磁波器件(見微波鐵氧體器件)。常用的材料已形成系列,有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料;並可按器件的需要制成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結構和形態。

  壓磁材料 這類材料的特點是在外加磁場作用下會發生機械形變,故又稱磁致伸縮材料,它的功能是作磁聲或磁力能量的轉換。常用於超聲波發生器的振動頭、通信機的機械濾波器和電脈沖信號延遲線等,與微波技術結合則可制作微聲(或旋聲)器件。由於合金材料的機械強度高,抗振而不炸裂,故振動頭多用Ni系和NiCo系合金;在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態合金中新出現的有較強壓磁性的品種,適宜於制作延遲線。壓磁材料的生產和應用遠不及前面四種材料。

矩磁材料和磁記錄材料的分類及用途

  展望 磁電共存這一基本規律導致瞭磁性材料必然與電子技術相互促進而發展,例如光電子技術促進瞭光磁材料和磁光材料的研制。磁性半導體材料和磁敏材料和器件可以應用於遙感、遙則技術和機器人。人們正在研究新的非晶態和稀土磁性材料(如FeNa合金)。磁性液體已進入實用階段。某些新的物理和化學效應的發現(如拓撲效應)也給新材料的研制和應用(如磁聲和磁熱效應的應用)提供瞭條件。

  

參考書目

 戴禮智編著:《金屬磁性材料》,上海人民出版社,上海,1973。

 周志剛等編著:《鐵氧體磁性材料》,科學出版社,北京,1981。

 李蔭遠、李國棟編著:《鐵氧體物理學》第二版,科學出版社,北京,1983。