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磁性材料及其磁性工程研究

磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：「永久磁性材料」、「暂时磁性材料」及「半永久磁性材料」三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。磁性材料（magneticmaterials）系你我周遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁石、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等内部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。在材料科学的领域内，它回类在「电子材料」裏面（与导电材料、尽缘体、半导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、陶瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thinfilm）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。以物理学的观点来说，任何材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场内会抵消一小部分磁场强度，呈现「反磁性」（diamagnetism），如铜；有的在磁场内有微小的正感应，呈现「顺磁性」（paramagnetism），如空气；有的在磁场内会感应产生很强的磁性量——称为磁化量（magnetization），呈现铁磁性（ferromagnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagnetism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的「磁性」，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magneticresonanceimaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。磁性的由来直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受过严密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知「磁」的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为「磁矩」（magneticmoment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场内丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为「磁化量」。单位磁场所能引起的磁化量称为「磁化率」（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但何以如此？仍然没有答案。首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magneticspin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场内都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？何以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？1907年，魏斯（Weiss）重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeuim）的理论，假设磁性「分子」（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使「分子」之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性「分子」混乱，即为顺磁性。然则，何以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们内部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。魏斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。强磁性物质内部自动分成很多小区域，称为磁区（magneticdomain）。在同一磁区内磁化方向是一致的，不同磁区间的磁化方向不同且呈混乱化，故互相抵消，平常感觉不到它有磁性，只有在磁场内加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后人的实验（1931年）印证此一「预言」（见图一），使魏斯名垂千古，其大胆假设、小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。1948年，魏斯的门生尼尔（Néel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结晶格子影响很大，且分子场的作用很强，为负的，导致相邻原子列之磁化方向相反。若大小相等则完全抵消，呈现「反强磁性」（antiferromagnetism）。若大小不等，则呈现「亚强磁性」；至此，物质之「磁」现象原理已大致揭晓，尼尔因而在1970年荣获诺贝尔物理奖。磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁（domainwall），其内磁陀由一个方向逐渐转至另一方向，它很薄，只有数十至数百埃（Å）。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，该材料即是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。永久磁性材料及其应用磁性材料的优劣常以磁滞曲线（hysteresisloop，见图二），所呈现的数据表示之。图上OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（initialpermeability，μo），割线斜率代表特定的B／H（磁感应／磁场强度）比值，最大者即为最大导磁率（μm）。Bs点代表饱和磁感应（saturationinduction）单位以千高斯（kG）表示；Br点为残留磁感应；Hc点称为保磁力或矫顽磁力〔coerciveforce，单位为Oe或kOe，1Oe相当於（1000／4π）A／m〕。在第二象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之B×H值（对B、H投影线所围面积），其最大者称为最大磁能积〔maximumenergyproduct，简写为（BH）m，单位G.Oe，以百万倍表之则为MGOe〕。永久磁性材料讲究Hc、Br及（BH）m愈大愈好，尤其（BH）m，它代表该磁铁磁化后所贮存在内部的能量，（BH）m值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭的电池一样，若Hc够大（数千Oe以上），居里温度够高，它便不易被消（退）磁。工程上Hc＞200Oe者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc即升高，愈硬者Hc愈高，故永久磁性又称「硬」磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或「软」磁性。淬火钢Hc只有50～70Oe，（BH）m只有0.2～0.3MGOe。1916年，科学家在碳钢内添加Cr、W、Co，使Hc增至145～250Oe，（BH）m近於1MGOe，在当时是很大的突破。1931年日人三岛发明Fe-Ni-Al三元合金磁铁，Hc高达500Oe（BH）m则达1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以Fe-Al-Ni为主，添加Co、Cu、Si、Ti等元素改进而成的Alnico合金，直到1970年以前一直是永久磁铁的主流。材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，使产生离相分解反应（spinodaldecomposition）；并在磁场内冷却，令分解所得之相沿磁场方向生长而得异方性很高的优秀磁铁，Hc达600～2000Oe，（BH）m为3～12MGOe间，可藉合金组成分及热处理而调整磁性材料的特性。时至本日，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500℃之高温，使它在某些特定的应用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之Fe-Cr-Co永磁合金即采用Alnico之原理设计出来，其磁性亦与Alnico合金相当，笔者曾作过多年研究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti合金的离相分解沿磁场方向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300Å，均匀长度约1200Å，磁区壁在其内之运动极其困难，故Hc值很高，成为永久磁铁。1932～1938年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物——铁氧体（ferrites），为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3，属於六方晶系；其Hc约1.8～3.2kOe，Br约2.2～4.3，（BH）m约1.0～4.0MGOe（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易，应用很广，目前台湾月需2,000余吨，约3／4自制。1969年，材料科学家研制成功稀土-钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。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），磁能积从破纪录的20MGOe（SmCo5）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGOe（Nd-Fe-B合金），呈现奔腾式的进展，这都是回功於材料科学的研究与发展。国内目前在这方面的研究与开发工作已与国际同步，产业产制也展开，为很有潜力的高科技产业。图四为笔者所研究的Nd-Fe-B合金之高解像电子显微镜照片，显示两颗Nd2Fe14B晶粒间的粒界有一层体心立方（bcc）相的构造，晶粒内之平行线纹为c平面之格子像。其他的永磁材料还有很多，例如Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co合金等，还有不下十余种，限於篇幅无法逐一介绍。在永久磁性材料中，有一些是体积很小而功效很大的「磁纪录材料」（magneticrecordingmaterial）：粉末状的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N，金属粉如Fe粉、Fe-Co合金粉等，大量用於录音带、录影带、磁碟等产业；另有制成薄膜状的Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟，Co-Cr用於垂直纪录，Tb-Fe-Co及Gd-Co等用於可读写的磁光纪录等。永磁材料如前所述是一贮能装置，只要设计得当，它便能作功，上述之「纪录」即为一例。其他的应用场合包括：喇叭、马达、发电机、计器、吸著装置、磁选机等不胜枚举。暂时磁性材料及其应用暂时磁性材料系在受到磁化（例如绕在其外面的线圈通上电流时）后呈现很强的磁性，磁化场移除后，马上消磁的材料。因此，可以用在交流电机上，甚至於高频及超高频的应用场合。其应用上的要求是导磁率及Bs值愈高愈佳，Hc值愈低愈佳（因此B×H值——代表磁损，愈小）。以发展的历程来说，暂时磁性材料（即软磁材料）比永磁材料更早，而且成果较丰富。例如纯铁本身即为甚佳之软磁材料，自十九世纪末即开始使用，目前的用量仍然很大。1910年代Fe-Ni合金即已由美国贝尔实验室发明出来，后来称为高导磁合金（permalloy）；到1950年代其μ0值（见图二）已可高达100,000，称为超导磁合金（supermalloy）。其磁性受镍含量、轧延及退火方式等的影响甚大。矽钢片首创於1900年前后，至1930年制成方向性矽钢片以来，它已成为电机用软磁合金的主流。这些软性合金因系导体，大多只适合於低频应用的场合。铁氧体软磁材料以尖晶石晶系为主；一般式为MFe2O4，M为二价离子，如Mn++、Zn++、Ni++、Cu++、Mg++、Co++，甚至於Fe++等，例如目前市面上最常见的(Mn,Zn)Fe2O4、(Ni,Zn).Fe2O4及(Mn,Mg)Fe2O4等。因铁氧体软磁材料系氧化物，电阻大，适用於高频（100MHz以下的场合。若是超高频，如100MHz～500GHz（微波范围）则需柘榴石系铁氧磁体——Y3Fe5O12及其衍生物。1958年，杜威齐（Duwez）发明非晶质合金（amorphousalloy）装置以来，非晶合金〔又称为金属玻璃（metallicglass）〕的磁性及机械性便非常受重视，并於1970～1980年间形成很大的一股研究高潮。美国Allied公司於1974年，开始推出商用的非晶薄带，其Bs高达16kG，Hc极小（0.01Oe以下），电阻较矽钢片高，因此用它制成变压器，磁损远低於矽钢片者，为最被看好的下一世代软磁性材料。软磁性材料广泛应用於下列各方面：一通讯方面——电感器、滤波器、天线棒等。二电力方面——变压器、马达、发电机、阻流器等。三消费性产品方面——电视机偏向轭及驰返变压器、阻流线圈等。四磁头方面——录音用磁头（高导磁合金）、录影用磁头（Fe-Si-Al合金）、电脑用磁头（Mn-Zn铁氧体）等。五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切换磁心及高级电磁铁等。磁性材料是一多样化的材料涵盖金属及非金属（陶瓷），薄膜、粉粒及块料；其应用范围广及机械、电机、电子、资讯、交通、家用用具；其研究的基础又有赖於固态物理、材料科学及材料工程。因此，磁性材料是一种「吸力很强」的材料，它在「兼容并蓄」中快速茁壮成长。我国的磁性材料产业已有近二十年的历史，磁性材料研究则仅有十余年历史，固然也小有成绩，但与产业先进国家比较，仍落后甚远，需要政府、企业界及学术界多方面配合，投进人力、财力，以提升磁性材料的技术层次。由於它是多样化的技术，其提升也能带动其他相关技术的进步。我们邻国日本对磁性材料的重视、提倡与投资，堪为我们的借镜。参考资料1.B.D.Cullity,IntroductiontoMagneticMaterials,Addison-WesleyPub.Co.,1972.2.《磁性材料》产业技术研究院产业材料研究所技术资料1987年金重勋任教於清华大学材料科学工程系回答者：babi20boy-见习魔法师三级3-219:25【摘要】磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：「永久磁性材料」、「暂时磁性材料」及「半永久磁性材料」三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。磁性材料（magneticmaterials）系你我周遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁石、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等内部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。在材料科学的领域内，它回类在「电子材料」裏面（与导电材料、尽缘体、半导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、陶瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thinfilm）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。以物理学的观点来说，任何材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场内会抵消一小部分磁场强度，呈现「反磁性」（diamagnetism），如铜；有的在磁场内有微小的正感应，呈现「顺磁性」（paramagnetism），如空气；有的在磁场内会感应产生很强的磁性量——称为磁化量（magnetization），呈现铁磁性（ferromagnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagnetism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的「磁性」，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magneticresonanceimaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。磁性的由来直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受过严密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知「磁」的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为「磁矩」（magneticmoment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场内丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为「磁化量」。单位磁场所能引起的磁化量称为「磁化率」（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但何以如此？仍然没有答案。首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magneticspin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场内都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？何以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？1907年，魏斯（Weiss）重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeuim）的理论，假设磁性「分子」（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使「分子」之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性「分子」混乱，即为顺磁性。然则，何以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们内部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。魏斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。强磁性物质内部自动分成很多小区域，称为磁区（magneticdomain）。在同一磁区内磁化方向是一致的，不同磁区间的磁化方向不同且呈混乱化，故互相抵消，平常感觉不到它有磁性，只有在磁场内加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后人的实验（1931年）印证此一「预言」（见图一），使魏斯名垂千古，其大胆假设、小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。1948年，魏斯的门生尼尔（Néel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结晶格子影响很大，且分子场的作用很强，为负的，导致相邻原子列之磁化方向相反。若大小相等则完全抵消，呈现「反强磁性」（antiferromagnetism）。若大小不等，则呈现「亚强磁性」；至此，物质之「磁」现象原理已大致揭晓，尼尔因而在1970年荣获诺贝尔物理奖。磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁（domainwall），其内磁陀由一个方向逐渐转至另一方向，它很薄，只有数十至数百埃（Å）。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，该材料即是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。永久磁性材料及其应用磁性材料的优劣常以磁滞曲线（hysteresisloop，见图二），所呈现的数据表示之。图上OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（initialpermeability，μo），割线斜率代表特定的B／H（磁感应／磁场强度）比值，最大者即为最大导磁率（μm）。Bs点代表饱和磁感应（saturationinduction）单位以千高斯（kG）表示；Br点为残留磁感应；Hc点称为保磁力或矫顽磁力〔coerciveforce，单位为Oe或kOe，1Oe相当於（1000／4π）A／m〕。在第二象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之B×H值（对B、H投影线所围面积），其最大者称为最大磁能积〔maximumenergyproduct，简写为（BH）m，单位G.Oe，以百万倍表之则为MGOe〕。永久磁性材料讲究Hc、Br及（BH）m愈大愈好，尤其（BH）m，它代表该磁铁磁化后所贮存在内部的能量，（BH）m值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭的电池一样，若Hc够大（数千Oe以上），居里温度够高，它便不易被消（退）磁。工程上Hc＞200Oe者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc即升高，愈硬者Hc愈高，故永久磁性又称「硬」磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或「软」磁性。淬火钢Hc只有50～70Oe，（BH）m只有0.2～0.3MGOe。1916年，科学家在碳钢内添加Cr、W、Co，使Hc增至145～250Oe，（BH）m近於1MGOe，在当时是很大的突破。1931年日人三岛发明Fe-Ni-Al三元合金磁铁，Hc高达500Oe（BH）m则达1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以Fe-Al-Ni为主，添加Co、Cu、Si、Ti等元素改进而成的Alnico合金，直到1970年以前一直是永久磁铁的主流。材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，使产生离相分解反应（spinodaldecomposition）；并在磁场内冷却，令分解所得之相沿磁场方向生长而得异方性很高的优秀磁铁，Hc达600～2000Oe，（BH）m为3～12MGOe间，可藉合金组成分及热处理而调整磁性材料的特性。时至本日，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500℃之高温，使它在某些特定的应用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之Fe-Cr-Co永磁合金即采用Alnico之原理设计出来，其磁性亦与Alnico合金相当，笔者曾作过多年研究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti合金的离相分解沿磁场方向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300Å，均匀长度约1200Å，磁区壁在其内之运动极其困难，故Hc值很高，成为永久磁铁。1932～1938年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物——铁氧体（ferrites），为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3，属於六方晶系；其Hc约1.8～3.2kOe，Br约2.2～4.3，（BH）m约1.0～4.0MGOe（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易，应用很广，目前台湾月需2,000余吨，约3／4自制。1969年，材料科学家研制成功稀土-钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。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），磁能积从破纪录的20MGOe（SmCo5）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGOe（Nd-Fe-B合金），呈现奔腾式的进展，这都是回功於材料科学的研究与发展。国内目前在这方面的研究与开发工作已与国际同步，产业产制也展开，为很有潜力的高科技产业。图四为笔者所研究的Nd-Fe-B合金之高解像电子显微镜照片，显示两颗Nd2Fe14B晶粒间的粒界有一层体心立方（bcc）相的构造，晶粒内之平行线纹为c平面之格子像。其他的永磁材料还有很多，例如Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co合金等，还有不下十余种，限於篇幅无法逐一介绍。在永久磁性材料中，有一些是体积很小而功效很大的「磁纪录材料」（magneticrecordingmaterial）：粉末状的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N，金属粉如Fe粉、Fe-Co合金粉等，大量用於录音带、录影带、磁碟等产业；另有制成薄膜状的Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟，Co-Cr用於垂直纪录，Tb-Fe-Co及Gd-Co等用於可读写的磁光纪录等。永磁材料如前所述是一贮能装置，只要设计得当，它便能作功，上述之「纪录」即为一例。其他的应用场合包括：喇叭、马达、发电机、计器、吸著装置、磁选机等不胜枚举。暂时磁性材料及其应用暂时磁性材料系在受到磁化（例如绕在其外面的线圈通上电流时）后呈现很强的磁性，磁化场移除后，马上消磁的材料。因此，可以用在交流电机上，甚至於高频及超高频的应用场合。其应用上的要求是导磁率及Bs值愈高愈佳，Hc值愈低愈佳（因此B×H值——代表磁损，愈小）。以发展的历程来说，暂时磁性材料（即软磁材料）比永磁材料更早，而且成果较丰富。例如纯铁本身即为甚佳之软磁材料，自十九世纪末即开始使用，目前的用量仍然很大。1910年代Fe-Ni合金即已由美国贝尔实验室发明出来，后来称为高导磁合金（permalloy）；到1950年代其μ0值（见图二）已可高达100,000，称为超导磁合金（supermalloy）。其磁性受镍含量、轧延及退火方式等的影响甚大。矽钢片首创於1900年前后，至1930年制成方向性矽钢片以来，它已成为电机用软磁合金的主流。这些软性合金因系导体，大多只适合於低频应用的场合。铁氧体软磁材料以尖晶石晶系为主；一般式为MFe2O4，M为二价离子，如Mn++、Zn++、Ni++、Cu++、Mg++、Co++，甚至於Fe++等，例如目前市面上最常见的(Mn,Zn)Fe2O4、(Ni,Zn).Fe2O4及(Mn,Mg)Fe2O4等。因铁氧体软磁材料系氧化物，电阻大，适用於高频（100MHz以下的场合。若是超高频，如100MHz～500GHz（微波范围）则需柘榴石系铁氧磁体——Y3Fe5O12及其衍生物。1958年，杜威齐（Duwez）发明非晶质合金（amorphousalloy）装置以来，非晶合金〔又称为金属玻璃（metallicglass）〕的磁性及机械性便非常受重视，并於1970～1980年间形成很大的一股研究高潮。美国Allied公司於1974年，开始推出商用的非晶薄带，其Bs高达16kG，Hc极小（0.01Oe以下），电阻较矽钢片高，因此用它制成变压器，磁损远低於矽钢片者，为最被看好的下一世代软磁性材料。软磁性材料广泛应用於下列各方面：一通讯方面——电感器、滤波器、天线棒等。二电力方面——变压器、马达、发电机、阻流器等。三消费性产品方面——电视机偏向轭及驰返变压器、阻流线圈等。四磁头方面——录音用磁头（高导磁合金）、录影用磁头（Fe-Si-Al合金）、电脑用磁头（Mn-Zn铁氧体）等。五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切换磁心及高级电磁铁等。磁性材料是一多样化的材料涵盖金属及非金属（陶瓷），薄膜、粉粒及块料；其应用范围广及机械、电机、电子、资讯、交通、家用用具；其研究的基础又有赖於固态物理、材料科学及材料工程。因此，磁性材料是一种「吸力很强」的材料，它在「兼容并蓄」中快速茁壮成长。我国的磁性材料产业已有近二十年的历史，磁性材料研究则仅有十余年历史，固然也小有成绩，但与产业先进国家比较，仍落后甚远，需要政府、企业界及学术界多方面配合，投进人力、财力，以提升磁性材料的技术层次。由於它是多样化的技术，其提升也能带动其他相关技术的进步。我们邻国日本对磁性材料的重视、提倡与投资，堪为我们的借镜。回答者：tutu9454-魔法学徒一级3-219:29磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：「永久磁性材料」、「暂时磁性材料」及「半永久磁性材料」三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。磁性材料（magneticmaterials）系你我周遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁石、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等内部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。在材料科学的领域内，它回类在「电子材料」裏面（与导电材料、尽缘体、半导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、陶瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thinfilm）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。以物理学的观点来说，任何材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场内会抵消一小部分磁场强度，呈现「反磁性」（diamagnetism），如铜；有的在磁场内有微小的正感应，呈现「顺磁性」（paramagnetism），如空气；有的在磁场内会感应产生很强的磁性量——称为磁化量（magnetization），呈现铁磁性（ferromagnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagnetism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的「磁性」，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magneticresonanceimaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。磁性的由来直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受过严密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知「磁」的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为「磁矩」（magneticmoment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场内丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为「磁化量」。单位磁场所能引起的磁化量称为「磁化率」（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但何以如此？仍然没有答案。首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magneticspin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场内都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？何以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？1907年，魏斯（Weiss）重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeuim）的理论，假设磁性「分子」（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使「分子」之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性「分子」混乱，即为顺磁性。然则，何以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们内部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。魏斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。强磁性物质内部自动分成很多小区域，称为磁区（magneticdomain）。在同一磁区内磁化方向是一致的，不同磁区间的磁化方向不同且呈混乱化，故互相抵消，平常感觉不到它有磁性，只有在磁场内加以磁化，打破磁区之混乱状态，才能感受到它的强磁性。后人的实验（1931年）印证此一「预言」（见图一），使魏斯名垂千古，其大胆假设、小心求证的治学态度更是为人津津乐道的原则。1948年，魏斯的门生尼尔（Néel）继续他的研究，发现某些物质原子的磁矩受结晶格子影响很大，且分子场的作用很强，为负的，导致相邻原子列之磁化方向相反。若大小相等则完全抵消，呈现「反强磁性」（antiferromagnetism）。若大小不等，则呈现「亚强磁性」；至此，物质之「磁」现象原理已大致揭晓，尼尔因而在1970年荣获诺贝尔物理奖。磁性材料的磁现象由磁区之消长来决定。磁区与磁区之间的界面称为磁区壁（domainwall），其内磁陀由一个方向逐渐转至另一方向，它很薄，只有数十至数百埃（Å）。磁性材料的磁区壁假如能随外加磁场的变动而随时移动，该材料即是很轻易被磁化到饱和，也很轻易消磁；反之，假如想法阻碍磁区壁的运动，则被磁化到饱和后该材料便不易被消磁。前者呈现暂时磁性，后者呈现永久磁性。磁性材料学家的工作即在於：利用固态物理、材料工程学、物理冶金学、机械冶金学等学理或技术，控制磁性材料的成分、显微结构而使其性质合於所需。永久磁性材料及其应用磁性材料的优劣常以磁滞曲线（hysteresisloop，见图二），所呈现的数据表示之。图上OBs表磁化曲线，其上於原点的切线斜率称为初导磁率（initialpermeability，μo），割线斜率代表特定的B／H（磁感应／磁场强度）比值，最大者即为最大导磁率（μm）。Bs点代表饱和磁感应（saturationinduction）单位以千高斯（kG）表示；Br点为残留磁感应；Hc点称为保磁力或矫顽磁力〔coerciveforce，单位为Oe或kOe，1Oe相当於（1000／4π）A／m〕。在第二象限之磁滞曲线上任一点都代表一特定之B×H值（对B、H投影线所围面积），其最大者称为最大磁能积〔maximumenergyproduct，简写为（BH）m，单位G.Oe，以百万倍表之则为MGOe〕。永久磁性材料讲究Hc、Br及（BH）m愈大愈好，尤其（BH）m，它代表该磁铁磁化后所贮存在内部的能量，（BH）m值愈大代表它愈能对外作功，就像永不枯竭的电池一样，若Hc够大（数千Oe以上），居里温度够高，它便不易被消（退）磁。工程上Hc＞200Oe者，便可称为永久磁铁。十九世纪末至二十世纪初，可用的永久磁铁只有淬火碳钢。碳钢淬火硬化，Hc即升高，愈硬者Hc愈高，故永久磁性又称「硬」磁性；反之退火软化者呈现暂时磁性，或「软」磁性。淬火钢Hc只有50～70Oe，（BH）m只有0.2～0.3MGOe。1916年，科学家在碳钢内添加Cr、W、Co，使Hc增至145～250Oe，（BH）m近於1MGOe，在当时是很大的突破。1931年日人三岛发明Fe-Ni-Al三元合金磁铁，Hc高达500Oe（BH）m则达1.4MGOe，打开近代永磁材料发展的大门。以Fe-Al-Ni为主，添加Co、Cu、Si、Ti等元素改进而成的Alnico合金，直到1970年以前一直是永久磁铁的主流。材料科学家藉合金设计的法则，控制其相变化，使产生离相分解反应（spinodaldecomposition）；并在磁场内冷却，令分解所得之相沿磁场方向生长而得异方性很高的优秀磁铁，Hc达600～2000Oe，（BH）m为3～12MGOe间，可藉合金组成分及热处理而调整磁性材料的特性。时至本日，虽大量更新式或价廉之永磁已逐渐取而代之，但它极为稳定的磁性（可应用至500℃之高温，使它在某些特定的应用（如微波通讯）上，仍然不易遭淘汰。1970年代发明之Fe-Cr-Co永磁合金即采用Alnico之原理设计出来，其磁性亦与Alnico合金相当，笔者曾作过多年研究，图三即显示利用磁场热处理，使Fe28Cr-12Co-Ti合金的离相分解沿磁场方向排列的情况。分解出来的颗粒均匀直径约300Å，均匀长度约1200Å，磁区壁在其内之运动极其困难，故Hc值很高，成为永久磁铁。1932～1938年间，在日、荷两地开始发展的磁性氧化物——铁氧体（ferrites），为本日永久磁性材料主流之一。铁氧体的主要成分为Ba0.6Fe2O3及Sr0.6Fe2O3，属於六方晶系；其Hc约1.8～3.2kOe，Br约2.2～4.3，（BH）m约1.0～4.0MGOe（视添加剂及装程等而异）。由於价廉、制取轻易，应用很广，目前台湾月需2,000余吨，约3／4自制。1969年，材料科学家研制成功稀土-钴化物的永久磁铁，为永久磁铁开辟了另一片新天地。近二十年来，稀土永久磁铁有长足进步。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），磁能积从破纪录的20MGOe（SmCo5）到30MGOe（Sm2Co17型）再到50MGOe（Nd-Fe-B合金），呈现奔腾式的进展，这都是回功於材料科学的研究与发展。国内目前在这方面的研究与开发工作已与国际同步，产业产制也展开，为很有潜力的高科技产业。图四为笔者所研究的Nd-Fe-B合金之高解像电子显微镜照片，显示两颗Nd2Fe14B晶粒间的粒界有一层体心立方（bcc）相的构造，晶粒内之平行线纹为c平面之格子像。其他的永磁材料还有很多，例如Cu-Ni-Co合金、Mn-Al-C合金及Pt-Co合金等，还有不下十余种，限於篇幅无法逐一介绍。在永久磁性材料中，有一些是体积很小而功效很大的「磁纪录材料」（magneticrecordingmaterial）：粉末状的有γ-Fe2O3、CrO2、Fe4N，金属粉如Fe粉、Fe-Co合金粉等，大量用於录音带、录影带、磁碟等产业；另有制成薄膜状的Fe-Ni、Fe-Ni-P、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Co等用於硬式磁碟，Co-Cr用於垂直纪录，Tb-Fe-Co及Gd-Co等用於可读写的磁光纪录等。永磁材料如前所述是一贮能装置，只要设计得当，它便能作功，上述之「纪录」即为一例。其他的应用场合包括：喇叭、马达、发电机、计器、吸著装置、磁选机等不胜枚举。暂时磁性材料及其应用暂时磁性材料系在受到磁化（例如绕在其外面的线圈通上电流时）后呈现很强的磁性，磁化场移除后，马上消磁的材料。因此，可以用在交流电机上，甚至於高频及超高频的应用场合。其应用上的要求是导磁率及Bs值愈高愈佳，Hc值愈低愈佳（因此B×H值——代表磁损，愈小）。以发展的历程来说，暂时磁性材料（即软磁材料）比永磁材料更早，而且成果较丰富。例如纯铁本身即为甚佳之软磁材料，自十九世纪末即开始使用，目前的用量仍然很大。1910年代Fe-Ni合金即已由美国贝尔实验室发明出来，后来称为高导磁合金（permalloy）；到1950年代其μ0值（见图二）已可高达100,000，称为超导磁合金（supermalloy）。其磁性受镍含量、轧延及退火方式等的影响甚大。矽钢片首创於1900年前后，至1930年制成方向性矽钢片以来，它已成为电机用软磁合金的主流。这些软性合金因系导体，大多只适合於低频应用的场合。铁氧体软磁材料以尖晶石晶系为主；一般式为MFe2O4，M为二价离子，如Mn++、Zn++、Ni++、Cu++、Mg++、Co++，甚至於Fe++等，例如目前市面上最常见的(Mn,Zn)Fe2O4、(Ni,Zn).Fe2O4及(Mn,Mg)Fe2O4等。因铁氧体软磁材料系氧化物，电阻大，适用於高频（100MHz以下的场合。若是超高频，如100MHz～500GHz（微波范围）则需柘榴石系铁氧磁体——Y3Fe5O12及其衍生物。1958年，杜威齐（Duwez）发明非晶质合金（amorphousalloy）装置以来，非晶合金〔又称为金属玻璃（metallicglass）〕的磁性及机械性便非常受重视，并於1970～1980年间形成很大的一股研究高潮。美国Allied公司於1974年，开始推出商用的非晶薄带，其Bs高达16kG，Hc极小（0.01Oe以下），电阻较矽钢片高，因此用它制成变压器，磁损远低於矽钢片者，为最被看好的下一世代软磁性材料。软磁性材料广泛应用於下列各方面：一通讯方面——电感器、滤波器、天线棒等。二电力方面——变压器、马达、发电机、阻流器等。三消费性产品方面——电视机偏向轭及驰返变压器、阻流线圈等。四磁头方面——录音用磁头（高导磁合金）、录影用磁头（Fe-Si-Al合金）、电脑用磁头（Mn-Zn铁氧体）等。五其他用途如磁遮蔽器、磁放大器、切换磁心及高级电磁铁等。磁性材料是一多样化的材料涵盖金属及非金属（陶瓷），薄膜、粉粒及块料；其应用范围广及机械、电机、电子、资讯、交通、家用用具；其研究的基础又有赖於固态物理、材料科学及材料工程。因此，磁性材料是一种「吸力很强」的材料，它在「兼容并蓄」中快速茁壮成长。我国的磁性材料产业已有近二十年的历史，磁性材料研究则仅有十余年历史，固然也小有成绩，但与产业先进国家比较，仍落后甚远，需要政府、企业界及学术界多方面配合，投进人力、财力，以提升磁性材料的技术层次。由於它是多样化的技术，其提升也能带动其他相关技术的进步。我们邻国日本对磁性材料的重视、提倡与投资，堪为我们的借镜。

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