軟磁材料環(huán)境敏感性的特征

使用環(huán)境會(huì)對(duì)軟磁材料的性能產(chǎn)生影響，但也可以利用這種影響來(lái)開(kāi)發(fā)軟磁合金的新功能。一些研究人員據(jù)此正致力于研究軟磁材料和周圍環(huán)境之間的影響關(guān)系研究。

對(duì)于軟磁合金而言，即便在較弱磁場(chǎng)中也能感應(yīng)出一條較窄的磁滯回線，這使得該類合金可能應(yīng)用到一些新的領(lǐng)域，如高頻感應(yīng)。目前，已有學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，即利用軟磁材料配對(duì)微電子傳感器來(lái)提高其性能，縮小傳感器元件的尺寸并充分利用軟磁材料的高磁導(dǎo)率特性。

軟磁材料對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，對(duì)其它環(huán)境因素如溫度、應(yīng)力也非常敏感。因此，為了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)使用軟磁材料制成的相關(guān)設(shè)備的性能水平，必須對(duì)軟磁材料的環(huán)境敏感性特征進(jìn)行分析了解。

磁場(chǎng)的影響

磁性材料的一個(gè)基本特征是，將其置于磁場(chǎng)中使其內(nèi)部磁矩相互作用，最終方向和所施加的外磁場(chǎng)方向一致，這也就是常說(shuō)的“磁化”。磁化分為自發(fā)磁化和非自發(fā)磁化。如果材料內(nèi)部磁矩完全反向排列，則材料的磁化為0：如果磁矩沿某一方向有規(guī)律的排列，則材料的磁化不為0。

當(dāng)磁性材料受外部磁場(chǎng)作用時(shí)，其磁矩方向?qū)⒀刂獯艌?chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著材料產(chǎn)生了各向異性，并沿著所施加的外磁場(chǎng)的方向增強(qiáng)。關(guān)于這類材料的高頻性能，可用其在某一磁場(chǎng)下的本征性能進(jìn)行表征。

一方面，這種環(huán)境敏感性可以用于對(duì)磁性材料進(jìn)行改性。如果原始材料在低頻時(shí)具有良好性能，則施加某一方向合適的磁場(chǎng)叮以改善其高頻特性。另一方面，由于磁性?shī)A雜物的存在，手機(jī)濾波器的性能會(huì)受到地磁場(chǎng)的影響，且這種影響是有害的。

CEALeRipault中心軍事應(yīng)用司的材料科學(xué)部門正致力于研究磁性材料高頻性能工程應(yīng)用方面的研究，該研宄使得設(shè)計(jì)一種利用外加磁場(chǎng)使獲得良好高頻磁性能甚至電性能的裝置變得可能。例如，可利用低頻磁場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制高頻電場(chǎng)。

溫度的影響

如果一個(gè)磁體被加熱到某一溫度，它將不會(huì)對(duì)鐵具有吸引作用，這個(gè)使磁體失去磁性的溫度叫居里溫度。但磁性消失并不會(huì)突然發(fā)生，磁性材料的飽和磁感隨溫度的升高逐漸降低，吸力也會(huì)逐漸降低。

飽和磁感是一個(gè)靜態(tài)磁特性參數(shù)，它由磁性材料的成分和組織結(jié)構(gòu)共同決定。磁性材料的飽和磁感對(duì)其頻率響應(yīng)特性有直接影響，同時(shí)對(duì)其磁導(dǎo)率頻率特性的形式和程度也有影響。

CEA開(kāi)發(fā)了一套能夠表征磁性材料在180℃～300℃溫度范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率頻率特性（圖1）的設(shè)備。所獲取的數(shù)據(jù)直接輸入到計(jì)算工具中來(lái)計(jì)算配對(duì)有磁性材料的元件的磁導(dǎo)率頻率特性。該設(shè)備還能可用求夠評(píng)估高溫的影響，但離實(shí)用還需一段較長(zhǎng)的時(shí)間。這讓人們想到了磁退。磁退火目的旨在通過(guò)采用最優(yōu)的熱循環(huán)處理來(lái)優(yōu)化磁性材料的性能，退火溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的成犁溫度。這一現(xiàn)象有點(diǎn)類似丁材料內(nèi)部局部重組，重組程度可以通過(guò)退火過(guò)程巾施加強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)。

圖1某種磁性薄膜材料一180~300。C溫度范圍內(nèi)磁導(dǎo)率頻率特性圖

當(dāng)退火溫度接近材料成型溫度時(shí)，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)宵可能被改變。非晶材料變成納水晶材料即是例證。最近LeRipault的研究結(jié)果表明這種處理方式能夠增強(qiáng)磁性材料的溫度穩(wěn)定性，這極大地拓寬了磁性材料的應(yīng)用范圍。

機(jī)械應(yīng)力的影響

磁致伸縮效應(yīng)涉及材料磁性能和機(jī)械性能耦合影響的所有方面。當(dāng)磁性能材料被磁化時(shí)，體積會(huì)發(fā)生變化。例如當(dāng)溫度逐漸下降居里溫度以下，或?qū)Υ判圆牧鲜┘油饧哟艌?chǎng)作用時(shí)，都將引起磁性材料的變形。

相反地，可以通過(guò)施加機(jī)械應(yīng)力引起材料變形的方式來(lái)改變磁性材料的磁性能。在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，材料磁化趨向于朝向或遠(yuǎn)離施加應(yīng)力的方向。

圖2給出了應(yīng)力對(duì)磁性晶胞自由能的影響，該應(yīng)力的矢量分布將決定材料內(nèi)的磁化方向。由應(yīng)力導(dǎo)致的磁化方向的取向由磁性材料的磁致伸縮系數(shù)的符號(hào)（“+”或“-”）決定。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該系數(shù)表征材料的磁性能對(duì)應(yīng)力的敏感程度。

圖2磁性材料晶胞在應(yīng)力作用下的自由能表面變形（左圖未施加應(yīng)力，右圖施加沿x軸方向的應(yīng)力）。藍(lán)色部分對(duì)應(yīng)于易磁化方向。當(dāng)施加應(yīng)力時(shí)，易磁化方向?qū)A向于與x方向平行。

目前研究的重點(diǎn)是將磁性材料與壓電材料結(jié)合。壓電材料在受到電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)變形，這種變形傳遞到磁性材料后會(huì)改變其性能。來(lái)自西布列塔尼大學(xué)（Universit6deBretagneoccidentale）的電子和電信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（UMR6l65）團(tuán)隊(duì)與CEA／DAM材料科學(xué)部聯(lián)合開(kāi)展的最新研究結(jié)果清晰地表明了這種結(jié)合使用巨大潛力。在應(yīng)用方面，其目的是產(chǎn)生“頻率捷變”部件，即該部件的性能是“可控制”的，以便使它們適應(yīng)如電話信號(hào)接收頻率。對(duì)于磁性材料，這種控制一般使用磁場(chǎng)操作的。而使用壓電材料的電場(chǎng)效應(yīng)可以減少電力消耗，同時(shí)消除當(dāng)使用線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)所需的覆蓋區(qū)域。

高頻磁性表現(xiàn)出很大潛力

盡管磁性材料周圍的環(huán)境會(huì)強(qiáng)烈地破壞它們的磁性，但也可以用于開(kāi)發(fā)材料的新應(yīng)用。因此，當(dāng)前的研究致力于掌握磁性材料的環(huán)境敏感性特性，同時(shí)，利用其與環(huán)境的相互作用來(lái)開(kāi)發(fā)具有新功能的用途。磁場(chǎng)不再是控制這些性能的唯一方式。目前的工作主要是形成、整合這些理念，使材料的高頻磁性作為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)成為現(xiàn)實(shí)。

不同類型的磁性

正如量子物理學(xué)所講，磁性起源于電子。電子的磁性部分來(lái)自其量子力學(xué)自旋狀態(tài)（自旋磁矩），部分來(lái)自圍繞原子核的電子軌道運(yùn)動(dòng)（軌道磁矩）和原子核本身（原子磁矩）。利用這一原理，在醫(yī)療領(lǐng)域形成了核磁共振成像技術(shù)，磁性是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的。作用在這些電荷上使其運(yùn)動(dòng)的力稱為洛倫茲力，表明存在外加磁場(chǎng)。

電子具有固有磁偶極矩（磁性量子態(tài)是玻爾磁子），其形成可由圍繞其自身向上或向下自旋運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋，如圖3所示。自旋量子數(shù)等于1／2（+1／2或一1／2）。如果一對(duì)電子具有相反的磁偶極矩，則它們只能占據(jù)相同的軌道。

圖3（a）鐵磁性材料，磁偶極矩平行排列：（b）反鐵磁性材料．磁偶極矩反平行排列且磁矩大小相等：（c）亞鐵磁性材料，其磁偶極矩反平行排列但磁矩大小不等

每個(gè)原子像一個(gè)攜帶固有磁偶極子的微小磁鐵。如果原子核原子質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)，則其具有半整數(shù)自旋（中子和質(zhì)子單獨(dú)具有半整數(shù)自旋）：如果原子質(zhì)量數(shù)和電荷是偶數(shù)，則為零自旋；如果原子質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)而電荷為奇數(shù)，則為整數(shù)自旋。

在更大的尺度上，多個(gè)磁矩可以形成磁疇，磁疇中的所有磁矩沿相同方向平行排列。不同磁疇區(qū)域被疇壁分開(kāi)。當(dāng)將不同的磁疇組合在一起時(shí)，可形成宏觀尺度的磁體（圖3）。

磁性材料的類型可按照磁矩的不同排列取向進(jìn)行分類，通常將磁性材料分為三類：鐵磁性，順磁性和抗磁性。根據(jù)定義，除抗磁性材料以外的其他任何材料的磁化率均為正值。由于鐵磁性材料具有特別高的磁化率，因此將其單獨(dú)歸為一類。

l鐵磁性

鐵磁性材料由內(nèi)部非常微小的磁疇組成，磁疇內(nèi)部的原子磁矩像磁偶極子一樣平行同向排列，易于向外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上，即使沒(méi)有外部磁場(chǎng)，每個(gè)原子的磁矩在這些疇內(nèi)也是自發(fā)平行排列的。當(dāng)外部磁場(chǎng)激發(fā)疇壁移動(dòng)時(shí)，等效于增大了外加磁場(chǎng)。如果該磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值，則方向與外加磁場(chǎng)方向接近的磁疇將吞并其它磁疇而長(zhǎng)大，并最終占據(jù)該材料的整個(gè)體積。如果外加磁場(chǎng)減小，疇壁將移動(dòng)但與長(zhǎng)大過(guò)程并不是完全對(duì)稱相反的，因?yàn)楫牨诓荒芡耆聪蚧氐皆嘉恢?。這導(dǎo)致剩余磁化的產(chǎn)生，這是自然存在的磁鐵礦或磁鐵的重要特征。

整個(gè)過(guò)程形成完整的B—H磁滯回線，其面積代表不可逆轉(zhuǎn)變的能量損失（圖4）。為了抵消感應(yīng)出的磁感，必須施加反向磁場(chǎng)，也稱為矯頑力場(chǎng)。目前用于制造永磁體的材料一般都具有很高矯頑力。

圖4磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與激勵(lì)磁場(chǎng)H不成正比。盡管初始磁化曲線形成了OsS曲線（如圖中藍(lán)色曲線所示），但當(dāng)達(dá)到飽和點(diǎn)S時(shí)，若激勵(lì)場(chǎng)減小至0，則磁性材料將保留部分磁感。這種磁感只能通過(guò)施加反向磁場(chǎng)來(lái)抵消。該磁化曲線和退磁曲線所包圍的面積代表磁疇之間摩擦所引起的磁損耗。

由于磁疇的磁矩通常沿不同方向分布，通常鐵磁性材料的總磁矩為零。材料的鐵磁性在一定溫度以上消失，這一溫度被稱為居里溫度或居里點(diǎn)。材料的原子廣泛分布在其晶體結(jié)構(gòu)中，傾向于通過(guò)耦合效應(yīng)更好地使磁疇對(duì)齊排列。這類具有非常高的正磁化率的材料類別包括鐵，鈷和鎳及其合金，特別是鋼，以及它們的一些化合物，還有一些具有大晶格常數(shù)的稀土金屬及其合金。在鐵磁性材料中，有一類材料的磁疇反平行排列，即使在沒(méi)有外部場(chǎng)的情況下有凈磁矩，如磁鐵礦、鈦鐵礦和鐵氧化物。反鐵磁性特性發(fā)生是材料的平行和反平行的總和力矩為零（例如鉻或赤鐵礦）。

2順磁性

順磁材料在磁場(chǎng)中的行為類似于鐵磁材料，但由于磁化率遠(yuǎn)低于鐵磁性材料（磁化率為正，但僅為l0級(jí)別），對(duì)磁場(chǎng)的感應(yīng)程度也相差很大。順磁材料中的每個(gè)原子具有凈磁矩。通常外部磁場(chǎng)和溫度變化會(huì)影響材料的準(zhǔn)確性。在存在外部磁場(chǎng)的情況下，磁矩同向平行排列，增強(qiáng)了外加磁場(chǎng)。然而，當(dāng)溫度升高這種增強(qiáng)效應(yīng)會(huì)減小，因?yàn)闊釘噭?dòng)擾亂了磁矩的平行排列。當(dāng)外加磁場(chǎng)撤銷時(shí)，順磁材料會(huì)立即失去它們的磁化特性。大多數(shù)金屬以及含有鐵磁性元素的合金都是順磁性的，如某些礦物例如偉晶巖等。

3抗磁性

抗磁性材料的磁化率為負(fù)值，且其級(jí)別在10水平。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，抗磁性材料沿與外加磁場(chǎng)相反的方向磁化，磁矩傾向于向磁力線分布更弱的地方運(yùn)動(dòng)。理論上講，順磁材料會(huì)對(duì)外磁場(chǎng)產(chǎn)生最大的抵抗力，并表現(xiàn)出零磁導(dǎo)率。金屬材料等如銀、金、銅、汞或鉛，還有石英、石、稀有氣體和大多數(shù)有機(jī)化合物都是抗磁性材料。

事實(shí)上，由于圍繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)受到外部磁場(chǎng)的影響。而一旦移除外部場(chǎng)，該影響就會(huì)立即消失，所有材料都或多或少地表現(xiàn)出抗磁性。正如法拉第很久以前就指出，只要被放置于在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)中，所有物質(zhì)都可以被“磁化”到更大或更小的程度。

電磁學(xué)

丹麥物理學(xué)家、哥本哈根大學(xué)教授奧斯特，于1820年首次發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)之間的關(guān)系。奧斯特發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，指南針指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由此總結(jié)出后來(lái)被稱作“法拉第定律”的物理規(guī)律：通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流強(qiáng)度成比例。靜磁學(xué)是研究靜態(tài)磁場(chǎng)的學(xué)科，即磁場(chǎng)不隨時(shí)間而變化。

磁場(chǎng)和電場(chǎng)是電磁場(chǎng)的兩個(gè)組成部分。電磁波在空間中可自由傳播，也可以在幾乎每個(gè)頻段（無(wú)線電波，微波，紅外，可見(jiàn)光，紫外光，X射線和射線）穿過(guò)大多數(shù)材料。因此包含有電力場(chǎng)和磁力場(chǎng)的電磁可以是自然的（如地磁場(chǎng)）或人造的（低頻如電力傳輸線路和電纜，或更高頻率，例如無(wú)線電波。

數(shù)學(xué)上，電磁學(xué)的基本定律可通過(guò)四個(gè)麥克斯韋方程來(lái)描述，這些方程可以解釋所有與電磁現(xiàn)象有關(guān)的問(wèn)題，如靜電學(xué)、靜磁學(xué)以及電磁波傳播。麥克斯韋在1873年闡述了這些定律，比愛(ài)因斯坦在“特殊相對(duì)論”中討論電磁學(xué)早三十二年，這解釋了電磁理論與經(jīng)典物理學(xué)定律不兼容。