磁性材料的磁性與工程應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 co合金，直到1970年以前一直是永久磁鐵的主流。材料科學家藉合金設計的法則，控制其相變化，使產生離相分解反應（spinodal deposition）；并在磁場內冷卻，令分解所得之相沿磁場方向生長而得異方性很高的優秀磁鐵，Hc達600～2000Oe，（BH）m為3～12MGOe間，可藉合金組成分及熱處理而調整磁性材料的特性。時至本日，雖大量更新式或價廉之永磁已逐漸取而代之，但它極為穩定的磁性（可應用至500℃之高溫，使它在某些特定的應用（如微波通訊）上，仍然不易遭淘汰。1970年代發明之FeCrCo永磁合金即采用Alnico之原理設計出來，其磁性亦與Alnico合金相當，筆者曾作過多年研究，圖三即顯示利用磁場熱處理，使Fe28Cr12CoTi合金的離相分解沿磁場方向排列的情況。分解出來的顆粒均勻直徑約300197。，均勻長度約1200197。，磁區壁在其內之運動極其困難，故Hc值很高，成為永久磁鐵。1932～1938年間，在日、荷兩地開始發展的磁性氧化物——鐵氧體（ferrites），為本日永久磁性材料主流之一。，屬於六方晶系；～，～，（BH）～（視添加劑及裝程等而異）。由於價廉、制取輕易，應用很廣，目前臺灣月需2,000余噸，約3／4自制。1969年，材料科學家研制成功稀土鈷化物的永久磁鐵，為永久磁鐵開辟了另一片新天地。近二十年來，稀土永久磁鐵有長足進步。自最早之SmCo5合金而Sm(Co,Fe,Cu,Zr )（即Sm2CO17型）合金，到最近的Nd2Fe14B合金（1984年起），磁能積從破紀錄的20MGOe（SmCo5 ）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGOe（NdFeB合金），呈現奔騰式的進展，這都是回功於材料科學的研究與發展。國內目前在這方面的研究與開發工作已與國際同步，產業產制也展開，為很有潛力的高科技產業。圖四為筆者所研究的NdFeB合金之高解像電子顯微鏡照片，顯示兩顆Nd2Fe14B晶粒間的粒界有一層體心立方（bcc）相的構造，晶粒內之平行線紋為c平面之格子像。其他的永磁材料還有很多，例如CuNiCo合金、MnAlC合金及PtCo合金等，還有不下十余種，限於篇幅無法逐一介紹。在永久磁性材料中，有一些是體積很小而功效很大的「磁紀錄材料」（magnetic recordingmaterial）：粉末狀的有γFe2OCrOFe4N，金屬粉如Fe粉、FeCo合金粉等，大量用於錄音帶、錄影帶、磁碟等產業；另有制成薄膜狀的FeNi、FeNiP、FeNiCr、FeNiCo等用於硬式磁碟，CoCr用於垂直紀錄，TbFeCo及GdCo等用於可讀寫的磁光紀錄等。永磁材料如前所述是一貯能裝置，只要設計得當，它便能作功，上述之「紀錄」即為一例。其他的應用場合包括：喇叭、馬達、發電機、計器、吸著裝置、磁選機等不勝枚舉。暫時磁性材料及其應用暫時磁性材料系在受到磁化（例如繞在其外面的線圈通上電流時）后呈現很強的磁性，磁化場移除后，馬上消磁的材料。因此，可以用在交流電機上，甚至於高頻及超高頻的應用場合。其應用上的要求是導磁率及Bs值愈高愈佳，Hc值愈低愈佳（因此BH值——代表磁損，愈?。Ｒ园l展的歷程來說，暫時磁性材料（即軟磁材料）比永磁材料更早，而且成果較豐富。例如純鐵本身即為甚佳之軟磁材料，自十九世紀末即開始使用，目前的用量仍然很大。1910年代FeNi合金即已由美國貝爾實驗室發明出來，后來稱為高導磁合金（permalloy）；到1950年代其μ0值（見圖二）已可高達100,000，稱為超導磁合金（supermalloy）。其磁性受鎳含量、軋延及退火方式等的影響甚大。矽鋼片首創於1900年前后，至1930年制成方向性矽鋼片以來，它已成為電機用軟磁合金的主流。這些軟性合金因系導體，大多只適合於低頻應用的場合。鐵氧體軟磁材料以尖晶石晶系為主；一般式為MFe2O4，M為二價離子，如Mn++、Zn++、Ni++、Cu++、Mg++、Co++，甚至於Fe++等，例如目前市面上最常見的(Mn,Zn)Fe2O(Ni,Zn).Fe2O4及(Mn,Mg)Fe2O4等。因鐵氧體軟磁材料系氧化物，電阻大，適用於高頻（100MHz以下的場合。若是超高頻，如100MHz～500GHz（微波范圍）則需柘榴石系鐵氧磁體——Y3Fe5O12及其衍生物。1958年，杜威齊（Duwez）發明非晶質合金（amorphous alloy）裝置以來，非晶合金〔又稱為金屬玻璃（metallic glass）〕的磁性及機械性便非常受重視，并於1970～1980年間形成很大的一股研究高潮。美國Allied公司於1974年，開始推出商用的非晶薄帶，其Bs高達16kG，Hc極?。ǎ?，電阻較矽鋼片高，因此用它制成變壓器，磁損遠低於矽鋼片者，為最被看好的下一世代軟磁性材料。軟磁性材料廣泛應用於下列各方面：一通訊方面——電感器、濾波器、天線棒等。二電力方面——變壓器、馬達、發電機、阻流器等。三消費性產品方面——電視機偏向軛及馳返變壓器、阻流線圈等。四磁頭方面——錄音用磁頭（高導磁合金）、錄影用磁頭（FeSiAl合金）、電腦用磁頭（MnZn鐵氧體）等。五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切換磁心及高級電磁鐵等。磁性材料是一多樣化的材料涵蓋金屬及非金屬（陶瓷），薄膜、粉粒及塊料；其應用范圍廣及機械、電機、電子、資訊、交通、家用用具；其研究的基礎又有賴於固態物理、材料科學及材料工程。因此，磁性材料是一種「吸力很強」的材料，它在「兼容并蓄」中快速茁壯成長。我國的磁性材料產業已有近二十年的歷史，磁性材料研究則僅有十余年歷史，固然也小有成績，但與產業先進國家比較，仍落后甚遠，需要政府、企業界及學術界多方面配合，投進人力、財力，以提升磁性材料的技術層次。由於它是多樣化的技術，其提升也能帶動其他相關技術的進步。我們鄰國日本對磁性材料的重視、提倡與投資，堪為我們的借鏡。回答者：tutu9454 魔法學徒 一級 32 19:29磁性材料指具有強的磁性及工程應用價值的材料。大抵可分為：「永久磁性材料」、「暫時磁性材料」及「半永久磁性材料」三大類。它們廣泛地應用於電子、電機、資訊、機械及交通等產業上。本文簡介磁性的由來、各類磁性材料的特性與功用。磁性材料（magnetic materials）系你我周遭俯拾即是的材料。較醒目的，如白板上的磁鐵、磁性跳棋下面的磁石、指南針、錄音帶、磁頭、軟式磁碟片等等；另外有更大量包裝在某些裝置裏面的磁性材料，如馬達、電視機、變壓器、汽車等等內部，不一而足?？梢哉f，磁性材料已與現代人的生活息息相關。在材料科學的領域內，它回類在「電子材料」裏面（與導電材料、盡緣體、半導體等并列）。但具有磁性之材料又涵蓋金屬材料、陶瓷材料，甚至於高分子材料。它的形態還包括塊料（b1uk）、粉體（particulate）及薄膜（thin film）等。因此磁性材料本身為具有多元化角色的材料。以物理學的觀點來說，任何材料都是磁性材料，也就是說，每一種材料都有一定的磁現象。有的在磁場內會抵消一小部分磁場強度，呈現「反磁性」（diamagnetism），如銅；有的在磁場內有微小的正感應，呈現「順磁性」（paramagnetism），如空氣；有的在磁場內會感應產生很強的磁性量——稱為磁化量（magnetization），呈現鐵磁性（ferromagnetism，又稱強磁性）或者亞鐵磁性（ferrimagnetism，又稱亞強磁性）等種類繁多。在產業上，只有具強磁性或亞強磁性的材料才能加以利用。但在物理、化學及醫學上，其他類型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，醫學上利用人體器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康檢查，由器官分子的「磁性」，可以檢測病變之有無，所使用的設備叫做MRI（magnetic resonance imaging）。在此，只擬介紹產業應用價值較大的強磁性及亞強磁性材料（永久及暫時磁性材料；半永久性者種類及應用較少，限於篇幅不談）。磁性的由來直到二十世紀以前，人們（包括科學家）對物質磁性的了解，不會比我們的老祖宗在數百、甚至於數千年前的了解好到那裏往。最近七十多年來，靠著很多受過嚴密科學練習的物理家、化學家及數學家不斷的努力，終能逐漸解開它神秘的面紗，一窺其全貌。讓我們循著先哲的路線來了解磁性的起源。由實驗得知，兩磁極間有相吸或相斥之力，稱為磁力。因此由力的丈量，可以得知「磁」的大小。有力就會有力矩，因磁所起的力矩稱為「磁矩」（magnetic moment）。早期科學家（例如法拉第、居里等人）嘗試在磁場內丈量物質所含磁矩之大小及其隨溫度變化的關系，從而發現不同物質的不同反應。一物體所含磁矩之量稱為「磁化量」。單位磁場所能引起的磁化量稱為「磁化率」（magneticsusceptibility），由磁化率對溫度的定量關系，吾人便可定義反磁性、順磁性及強磁性等的不同。但何以如此？仍然沒有答案。首先，磁矩是什麼呢？若將磁鐵一再分割，每一新得之顆粒皆為一新的磁鐵，具有南、北（N、S）極，分割到最小而仍會保有N、S兩極的即為磁矩。目前，我們已知電子自旋或公轉，就造成此種最小單位（比如電流繞線圈活動造成磁場）。換句話說，磁矩就是電子運動（公轉、自轉），未被抵消的凈量，亦即為磁陀（magnetic spin）之凈值。除反磁性物質以外，所有其他物質在磁場內都有或多或少的磁矩，可以定量地量測出來，很顯然地它們都含有磁性的原子（分子）。那麼強磁性是怎麼來的呢？何以同樣含有磁性原子而有的是強磁性，有的卻沒有呢？1907年，魏斯（Weiss）重復居理於1895年的實驗，再配合數學家藍古文（Langeuim）的理論，假設磁性「分子」（當時以為分子是物質之最小單位）間有相互作用，稱為分子場（molecularfield），并大膽推斷非強磁性物質之分子場很小，而強磁性物質之分子場非常大，大到足以使「分子」之磁矩同向排列而達飽和。溫度高到居里點（編注：鐵磁性物質由強磁性變為順磁性時的溫度，稱為居里點）以上時，熱能破壞了分子場的排列作用，使磁性「分子」混亂，即為順磁性。然則，何以大部分鐵、鈷、鎳等強磁性元素不會吸引別的鐵、鈷、鎳呢？既然它們內部已磁化到飽和，應可作為很強的永久磁鐵才是啊。魏斯又提出另一個大膽假設，那就是物系為降低自由能以達安定化，會進步亂度。強磁性物質內部自動分成很多小區域，稱為磁區（magnetic domain）。在同一磁區內磁化方向是一致的，不同磁區間的磁化方向不同且呈混亂化，故互相抵消，平常感覺不到它有磁性，只有在磁場內加以磁化，打破磁區之混亂狀態，才能感受到它的強磁性。后人的實驗（1931年）印證此一「預言」（見圖一），使魏斯名垂千古，其大膽假設、小心求證的治學態度更是為人津津樂道的原則。1948年，魏斯的門生尼爾（N233。el）