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          衡陽市金則利特種合金股份有限公司

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      4. 磁性材料及其磁性工程研究
        發布時間:2013-11-02 來源:本站 點擊數:161
        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(magneticmaterials)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(thinfilm)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(magneticresonanceimaging)。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」(magneticmoment)。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(magneticspin)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(magneticdomain)。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(Néel)繼續他的研究,發現某些物質原子的磁矩受結晶格子影響很大,且分子場的作用很強,為負的,導致相鄰原子列之磁化方向相反。若大小相等則完全抵消,呈現「反強磁性」(antiferromagnetism)。若大小不等,則呈現「亞強磁性」;至此,物質之「磁」現象原理已大致揭曉,尼爾因而在1970年榮獲諾貝爾物理獎。磁性材料的磁現象由磁區之消長來決定。磁區與磁區之間的界面稱為磁區壁(domainwall),其內磁陀由一個方向逐漸轉至另一方向,它很薄,只有數十至數百埃(Å)。磁性材料的磁區壁假如能隨外加磁場的變動而隨時移動,該材料即是很輕易被磁化到飽和,也很輕易消磁;反之,假如想法阻礙磁區壁的運動,則被磁化到飽和后該材料便不易被消磁。前者呈現暫時磁性,后者呈現永久磁性。磁性材料學家的工作即在於:利用固態物理、材料工程學、物理冶金學、機械冶金學等學理或技術,控制磁性材料的成分、顯微結構而使其性質合於所需。永久磁性材料及其應用磁性材料的優劣常以磁滯曲線(hysteresisloop,見圖二),所呈現的數據表示之。圖上OBs表磁化曲線,其上於原點的切線斜率稱為初導磁率(initialpermeability,μo),割線斜率代表特定的B/H(磁感應/磁場強度)比值,最大者即為最大導磁率(μm)。Bs點代表飽和磁感應(saturationinduction)單位以千高斯(kG)表示;Br點為殘留磁感應;Hc點稱為保磁力或矯頑磁力〔coerciveforce,單位為Oe或kOe,1Oe相當於(1000/4π)A/m〕。在第二象限之磁滯曲線上任一點都代表一特定之B×H值(對B、H投影線所圍面積),其最大者稱為最大磁能積〔maximumenergyproduct,簡寫為(BH)m,單位G.Oe,以百萬倍表之則為MGOe〕。永久磁性材料講究Hc、Br及(BH)m愈大愈好,尤其(BH)m,它代表該磁鐵磁化后所貯存在內部的能量,(BH)m值愈大代表它愈能對外作功,就像永不枯竭的電池一樣,若Hc夠大(數千Oe以上),居里溫度夠高,它便不易被消(退)磁。工程上Hc>200Oe者,便可稱為永久磁鐵。十九世紀末至二十世紀初,可用的永久磁鐵只有淬火碳鋼。碳鋼淬火硬化,Hc即升高,愈硬者Hc愈高,故永久磁性又稱「硬」磁性;反之退火軟化者呈現暫時磁性,或「軟」磁性。淬火鋼Hc只有50~70Oe,(BH)m只有0.2~0.3MGOe。1916年,科學家在碳鋼內添加Cr、W、Co,使Hc增至145~250Oe,(BH)m近於1MGOe,在當時是很大的突破。1931年日人三島發明Fe-Ni-Al三元合金磁鐵,Hc高達500Oe(BH)m則達1.4MGOe,打開近代永磁材料發展的大門。以Fe-Al-Ni為主,添加Co、Cu、Si、Ti等元素改進而成的Alnico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(spinodaldecomposition);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Fe-Cr-Co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Fe28Cr-12Co-Ti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300Å,均勻長度約1200Å,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。鐵氧體的主要成分為Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3,屬於六方晶系;其Hc約1.8~3.2kOe,Br約2.2~4.3,(BH)m約1.0~4.0MGOe(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)7.2-8.5(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(Nd-Fe-B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Nd-Fe-B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Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co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」(magneticrecordingmaterial):粉末狀的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N,金屬粉如Fe粉、Fe-Co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Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟,Co-Cr用於垂直紀錄,Tb-Fe-Co及Gd-Co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B×H值——代表磁損,愈?。?。以發展的歷程來說,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Fe-Ni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)Fe2O4、(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(amorphousalloy)裝置以來,非晶合金〔又稱為金屬玻璃(metallicglass)〕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?。?.01Oe以下),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(Fe-Si-Al合金)、電腦用磁頭(Mn-Zn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。參考資料1.B.D.Cullity,IntroductiontoMagneticMaterials,Addison-WesleyPub.Co.,1972.2.《磁性材料》產業技術研究院產業材料研究所技術資料1987年金重勛任教於清華大學材料科學工程系回答者:babi20boy-見習魔法師三級3-219:25【摘要】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(magneticmaterials)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(thinfilm)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(magneticresonanceimaging)。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」(magneticmoment)。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(magneticspin)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(magneticdomain)。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(Néel)繼續他的研究,發現某些物質原子的磁矩受結晶格子影響很大,且分子場的作用很強,為負的,導致相鄰原子列之磁化方向相反。若大小相等則完全抵消,呈現「反強磁性」(antiferromagnetism)。若大小不等,則呈現「亞強磁性」;至此,物質之「磁」現象原理已大致揭曉,尼爾因而在1970年榮獲諾貝爾物理獎。磁性材料的磁現象由磁區之消長來決定。磁區與磁區之間的界面稱為磁區壁(domainwall),其內磁陀由一個方向逐漸轉至另一方向,它很薄,只有數十至數百埃(Å)。磁性材料的磁區壁假如能隨外加磁場的變動而隨時移動,該材料即是很輕易被磁化到飽和,也很輕易消磁;反之,假如想法阻礙磁區壁的運動,則被磁化到飽和后該材料便不易被消磁。前者呈現暫時磁性,后者呈現永久磁性。磁性材料學家的工作即在於:利用固態物理、材料工程學、物理冶金學、機械冶金學等學理或技術,控制磁性材料的成分、顯微結構而使其性質合於所需。永久磁性材料及其應用磁性材料的優劣常以磁滯曲線(hysteresisloop,見圖二),所呈現的數據表示之。圖上OBs表磁化曲線,其上於原點的切線斜率稱為初導磁率(initialpermeability,μo),割線斜率代表特定的B/H(磁感應/磁場強度)比值,最大者即為最大導磁率(μm)。Bs點代表飽和磁感應(saturationinduction)單位以千高斯(kG)表示;Br點為殘留磁感應;Hc點稱為保磁力或矯頑磁力〔coerciveforce,單位為Oe或kOe,1Oe相當於(1000/4π)A/m〕。在第二象限之磁滯曲線上任一點都代表一特定之B×H值(對B、H投影線所圍面積),其最大者稱為最大磁能積〔maximumenergyproduct,簡寫為(BH)m,單位G.Oe,以百萬倍表之則為MGOe〕。永久磁性材料講究Hc、Br及(BH)m愈大愈好,尤其(BH)m,它代表該磁鐵磁化后所貯存在內部的能量,(BH)m值愈大代表它愈能對外作功,就像永不枯竭的電池一樣,若Hc夠大(數千Oe以上),居里溫度夠高,它便不易被消(退)磁。工程上Hc>200Oe者,便可稱為永久磁鐵。十九世紀末至二十世紀初,可用的永久磁鐵只有淬火碳鋼。碳鋼淬火硬化,Hc即升高,愈硬者Hc愈高,故永久磁性又稱「硬」磁性;反之退火軟化者呈現暫時磁性,或「軟」磁性。淬火鋼Hc只有50~70Oe,(BH)m只有0.2~0.3MGOe。1916年,科學家在碳鋼內添加Cr、W、Co,使Hc增至145~250Oe,(BH)m近於1MGOe,在當時是很大的突破。1931年日人三島發明Fe-Ni-Al三元合金磁鐵,Hc高達500Oe(BH)m則達1.4MGOe,打開近代永磁材料發展的大門。以Fe-Al-Ni為主,添加Co、Cu、Si、Ti等元素改進而成的Alnico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(spinodaldecomposition);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Fe-Cr-Co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Fe28Cr-12Co-Ti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300Å,均勻長度約1200Å,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。鐵氧體的主要成分為Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3,屬於六方晶系;其Hc約1.8~3.2kOe,Br約2.2~4.3,(BH)m約1.0~4.0MGOe(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)7.2-8.5(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(Nd-Fe-B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Nd-Fe-B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Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co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」(magneticrecordingmaterial):粉末狀的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N,金屬粉如Fe粉、Fe-Co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Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟,Co-Cr用於垂直紀錄,Tb-Fe-Co及Gd-Co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B×H值——代表磁損,愈?。?。以發展的歷程來說,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Fe-Ni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)Fe2O4、(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(amorphousalloy)裝置以來,非晶合金〔又稱為金屬玻璃(metallicglass)〕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?。?.01Oe以下),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(Fe-Si-Al合金)、電腦用磁頭(Mn-Zn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?;卮鹫撸簍utu9454-魔法學徒一級3-219:29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(magneticmaterials)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(thinfilm)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(magneticresonanceimaging)。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」(magneticmoment)。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(magneticspin)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(magneticdomain)。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(Néel)繼續他的研究,發現某些物質原子的磁矩受結晶格子影響很大,且分子場的作用很強,為負的,導致相鄰原子列之磁化方向相反。若大小相等則完全抵消,呈現「反強磁性」(antiferromagnetism)。若大小不等,則呈現「亞強磁性」;至此,物質之「磁」現象原理已大致揭曉,尼爾因而在1970年榮獲諾貝爾物理獎。磁性材料的磁現象由磁區之消長來決定。磁區與磁區之間的界面稱為磁區壁(domainwall),其內磁陀由一個方向逐漸轉至另一方向,它很薄,只有數十至數百埃(Å)。磁性材料的磁區壁假如能隨外加磁場的變動而隨時移動,該材料即是很輕易被磁化到飽和,也很輕易消磁;反之,假如想法阻礙磁區壁的運動,則被磁化到飽和后該材料便不易被消磁。前者呈現暫時磁性,后者呈現永久磁性。磁性材料學家的工作即在於:利用固態物理、材料工程學、物理冶金學、機械冶金學等學理或技術,控制磁性材料的成分、顯微結構而使其性質合於所需。永久磁性材料及其應用磁性材料的優劣常以磁滯曲線(hysteresisloop,見圖二),所呈現的數據表示之。圖上OBs表磁化曲線,其上於原點的切線斜率稱為初導磁率(initialpermeability,μo),割線斜率代表特定的B/H(磁感應/磁場強度)比值,最大者即為最大導磁率(μm)。Bs點代表飽和磁感應(saturationinduction)單位以千高斯(kG)表示;Br點為殘留磁感應;Hc點稱為保磁力或矯頑磁力〔coerciveforce,單位為Oe或kOe,1Oe相當於(1000/4π)A/m〕。在第二象限之磁滯曲線上任一點都代表一特定之B×H值(對B、H投影線所圍面積),其最大者稱為最大磁能積〔maximumenergyproduct,簡寫為(BH)m,單位G.Oe,以百萬倍表之則為MGOe〕。永久磁性材料講究Hc、Br及(BH)m愈大愈好,尤其(BH)m,它代表該磁鐵磁化后所貯存在內部的能量,(BH)m值愈大代表它愈能對外作功,就像永不枯竭的電池一樣,若Hc夠大(數千Oe以上),居里溫度夠高,它便不易被消(退)磁。工程上Hc>200Oe者,便可稱為永久磁鐵。十九世紀末至二十世紀初,可用的永久磁鐵只有淬火碳鋼。碳鋼淬火硬化,Hc即升高,愈硬者Hc愈高,故永久磁性又稱「硬」磁性;反之退火軟化者呈現暫時磁性,或「軟」磁性。淬火鋼Hc只有50~70Oe,(BH)m只有0.2~0.3MGOe。1916年,科學家在碳鋼內添加Cr、W、Co,使Hc增至145~250Oe,(BH)m近於1MGOe,在當時是很大的突破。1931年日人三島發明Fe-Ni-Al三元合金磁鐵,Hc高達500Oe(BH)m則達1.4MGOe,打開近代永磁材料發展的大門。以Fe-Al-Ni為主,添加Co、Cu、Si、Ti等元素改進而成的Alnico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(spinodaldecomposition);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Fe-Cr-Co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Fe28Cr-12Co-Ti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300Å,均勻長度約1200Å,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。鐵氧體的主要成分為Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3,屬於六方晶系;其Hc約1.8~3.2kOe,Br約2.2~4.3,(BH)m約1.0~4.0MGOe(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)7.2-8.5(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(Nd-Fe-B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Nd-Fe-B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Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co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」(magneticrecordingmaterial):粉末狀的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N,金屬粉如Fe粉、Fe-Co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Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟,Co-Cr用於垂直紀錄,Tb-Fe-Co及Gd-Co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B×H值——代表磁損,愈?。?。以發展的歷程來說,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Fe-Ni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)Fe2O4、(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(amorphousalloy)裝置以來,非晶合金〔又稱為金屬玻璃(metallicglass)〕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?。?.01Oe以下),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(Fe-Si-Al合金)、電腦用磁頭(Mn-Zn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。



        衡陽市金則利特種合金股份有限公司成立于1999年,公司主營電磁不銹鋼,為湖南省高新技術企業。公司自成立以來,即致力于電磁不銹鋼的研發。公司已具備年產電磁不銹鋼1萬噸的生產能力。

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