磁性玻璃（magnetic glasses）具有鐵磁性的非晶態合金。化學成分多為TxG1-x，x=0.8；其中T為Fe、Co、Ni、這些3d元素及其組合，也可能有另外一些3d元素如V、Cr、Mn等；G表示ⅢA族的B，ⅣA族的C、Ge、Si、Sn或Ⅴ A族的P。用液態合金淬火急冷法製備。
基本介紹
- 中文名：磁性玻璃
- 外文名：magnetic glass
- 簡述：具有鐵磁性的非晶態合金
- 元素：Fe、Co、Ni等
- 製備：液態合金淬火急冷法
- 用途：變壓器、特殊工程等
簡介,磁性玻璃分類,抗磁性玻璃,順磁性玻璃,強磁性玻璃,特性和用途,
簡介
一種透明的在室溫下具有磁性的玻璃。以磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃或氟化物玻璃為基礎，摻入稀土元素釔、鏑、鈥和銩製成。可用作磁性區示教儀，熱磁器件，變壓器磁心，記憶元件等。
物質置於磁場中被磁化，表現出一定的磁性。有些物質使原磁場增加，有些使磁場減弱。按照物質對磁場的影響，可將其分為三類：（a）抗磁性物質，使磁場減弱；（b）順磁性物質，使磁性略有增加；（c）鐵磁性及亞鐵磁性物質，使磁場強烈增加。材料的磁性主要來源於電子自旋磁矩。凡是過渡元素、自由基中的未成對電子均具有順磁性。若末成對電子自旋同向排列，可形成磁疇，從而產生磁性。所謂磁疇就是物質中所包含的許多自發磁化的小區域。
為了比較磁介質的磁化性能採用磁導率與磁化率的物理量。若將無磁力線泄漏的線圈放人真空中測出磁場強度H0，另在此線圈中插入磁介質測出其磁場H，由此可求出完全由磁介質產生的磁場強度為Hm=H-H0，Hm也稱為磁化強度。則磁化率xm =Hm/H0；磁導率μm =1+xm。設真空中的磁導率為μ0時，磁通量密度B為：
B =μ0（Hm+H0）
磁化曲線在評價鐵磁材料的性能方面有著重要的作用。它表明激勵磁場強度H與磁通量密度B的關係。如圖所示，沿曲線1從去磁狀態開始，取向比較有利的磁疇吞併掉取向較為不利的磁疇而成長。在高磁場下接近飽和時，磁通量密度B只能依靠磁疇轉動而增加。外磁場去除後（曲線2），材料仍然有剩餘磁通密度Br。只有加上大小等於矯頑力Hc的反向磁場後，才會完全去磁。加上周期性的磁場（曲線3），則得到鐵磁材料的磁滯回線。
磁化曲線
磁化曲線磁性玻璃分類
抗磁性玻璃
不含過渡元素離子和稀土離子的一般普通玻璃，表現出抗磁性，且磁化率的絕對值非常小，例如石英玻璃的χ=0.5×10-6。抗磁性物質的磁化率與所含離子或原子的數量成正比，各種離子的抗磁性極化率。它們符合加合關係，與溫度無關。新型玻璃材料中法拉第旋轉玻璃就是利用了它的抗磁性。這種玻璃大多數都含有較多的鉛或Bi3+、TI+、Sb3+等。
抗磁性體中最為突出的例子是超導體，它表現出完全的抗磁性。金屬玻璃中有許多組成表現為超導性，如：Mo89P10B10、Mo64Ru16P20、Nb80Si12B8等。氧化物玻璃與金屬玻璃不同，氧化物玻璃本身不呈現超導性，但通過微晶化可製成大於100K的Bi（Pb）-Sr-Ca-Cu-O系高溫超導體。因此超導微晶玻璃具有較大的抗磁性。
順磁性玻璃
含過渡金屬和稀土離子的氧化物表現為順磁性。由於玻璃基體具有抗磁性，因此順磁性離子的濃度超過定值時，才能表現出順磁性。順磁體的磁化率χp為
χp =Nμ2/3kT
式中，N為每克玻璃含有順磁性離子數；k為玻耳茲曼常數；μ為單位順磁性離子的磁導率，μ =Peffβ（Peff為有效波爾磁子數，是每一個順磁性離子所含不成對電子數n的函式，β為波爾磁子，為一固定數值）；T為熱力學溫度。
一般研究較多的是過渡元素鐵離子在玻璃中析出鐵化合物品相而表現出的磁性。
可形成順磁性玻璃的稀土元素有Nd3+、Er3+、Ce3+、Tb3+。含稀土離子的順磁性玻璃作為新型玻璃受到人們的重視。含Nd3+玻璃已開始在核聚變大功率雷射玻璃上套用。除Nd3+以外，塗覆Er3+等其他稀土離子的雷射玻璃也正在積極開發。含Ce3+和Tb3+稀土金屬離子的順磁性玻璃已開始套用於法拉第旋轉玻璃。
強磁性玻璃
常見的強磁性玻璃是用液體急冷法製作的過渡元素（Fe、Co、Ni）-半金屬（B、C、Si、P）系金屬玻璃。與強磁性金屬玻璃相比，氧化物玻璃中有強磁性的例子還不多，目前還未涉及到實用材料。
在玻璃形成體P2 Os、Bi2 03、SlOe中添加尖晶石型鐵氧體結晶，在1350～1400℃溫度下熔融，用雙輥超急冷法製作的玻璃呈現強磁性。但這些玻璃室溫時的飽和極化率都在5×10-4以下，與原來的鐵氧體的值（如CoFe2O4約為80×10-4）相比小得多。原因是氧化物晶體經玻璃化後，原子的規則排列受到了破壞，飽和磁化率和居里溫度急劇下降。結晶狀態下不呈現強磁性的反強磁性氧化物晶體ZnFe2O4和BiFeO3，兩者混合熔融後超急冷，形成了強磁性玻璃，如（Bi2O3）0.3 （ZnO）0.2（Fe2O3）0.5玻璃。另外還出現了不含鐵的強磁性玻璃，如0.5(La1-xSrxMnO3)·0.5B2O3，La1-xSrxMnO3等。
特性和用途
現在可用液體急冷法、濺射法等方法製備不具備有規則原子排列但表現出強磁性的不定形狀態合金，即不定形磁性金屬（合金）。可製成薄帶、薄膜、粉末、細線等各種形狀。特別是採用液體急冷法製作的過渡元素（Fe、Co、Ni）-半金屬（B、C、Si、P）系統的強磁性金屬玻璃，表現出以前晶質強磁性合金（強磁性鐵鎳合金和鐵矽鉛合金）不具備的優良特性。為製得穩定的金屬玻璃，需要加入25%（原子分數）左右的比例的B、C、Si、P等半金屬元素。這在理解金屬玻璃磁特性方面是重要的，即由於原子排列不規則性的過渡元素與半金屬元素之間的共價鍵性，本質是過渡元素原子的磁動量值與晶質合金相比較小，且居里溫度也低。
斯特來插木還原曲線上圖為強磁性金屬玻璃（Fe1-xMx）80B10P10中每個過渡元素的平均磁動量與過渡元素的平均外殼電子數相對應的曲線（實線）。該圖中結晶質合金為斯特來插木還原曲線，用虛線表示各種晶質合金。由圖可知，無論哪一組成的金屬玻璃中過渡元素的磁動量也比晶質合金時小，過渡元素的平均磁動量大小與半金屬的種類和數量具有強烈的關係。一般磁動量按P>C>B>Si的順序變小。特別是Ni可使磁動量顯著降低，通常的Ni-半金屬系金屬玻璃不呈現強磁性。Fe的磁動量值最大，約為2μB，Co為1～1.5μB。圖為Co-Fe-Si-B系及Fe-Ni-Si-B系金屬玻璃的居里溫度與組成的關係。居里溫度同Co/Fe及Fe/Ni比有較強的關係，特別是隨半金屬量的增大居里溫度急劇降低，這些值同結晶質合金的居里溫度相比有大幅度的降低。1960年Gubanov理論認為，這是由於在金屬玻璃中磁動量小、原子排列不規則所產生的相互交換作用可大也可小的原因。另外，擔負金屬玻璃中磁性的Fe、Co、Ni等過渡元素的原子排列也不規則，不具有周期性，是處於無秩序狀態的強磁性。金屬和合金的磁性顯出與氧化物不同的原因，主要是相鄰原子間產生了直接交換相互作用。同樣這也成為原子排列不規則的金屬玻璃出現強磁性的根本原因。
金屬玻璃的居里溫度與組成的關係
金屬玻璃的居里溫度與組成的關係目前引人注目的金屬玻璃，一是用於電柱變壓器上高飽和磁通密度的Fe-Si-B系強磁性金屬玻璃，二是主要作為磁頭的Co-Fe-Si-B系零磁致伸縮的高透磁率金屬玻璃。
