磁穩定性

磁穩定性（magnetic stability）是岩石能夠保持原生剩餘磁化強度的程度。岩石的原生剩餘磁化強度，在地質年代中經歷各種作用（熱、磁、機械力的作用及化學變化等）後，它的數值將發生不同程度的變化。另外穩定性是永磁材料的重要參數。

基本介紹

• 中文名：磁穩定性
• 外文名：magnetic stability
• 重要參數：穩定性
• 鑑定磁穩定性：野外方法和實驗室
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簡介

數值變化小的說明它的磁穩定性強，數值變化大的說明它的磁穩定性弱。只有磁穩定性強的岩石才適用於古地磁研究。鑑定岩石磁穩定性，有野外方法和實驗室方法，前者是通過檢查方位變動後的岩層或岩塊各部位的剩餘磁化強度在空間的取向來確定。如果剩餘磁化強度的空間取向與岩石變動的方向一致時，則說明岩石的磁穩定性強。這是一種定性的方法，不能準確地、定量地鑑定岩石的磁穩定性。實驗室鑑定，是使岩石的標本經受一些人為的影響後，根據它的磁化強度的變化程度，確定它的磁穩定性。

永磁材料穩定性

影響永磁穩定性的外界條件有許多種，其中主要是溫度、時間、外磁場、化學腐蝕、輻射、機械振動或撞擊等因素。外界條件的變化主要引起磁性能兩方面的變化：一種是磁疇結構的變化，這種變化是可逆的，即是可恢復的；另一種是永磁體組織結構的變化，這種變化是不可恢復的。一般情況下，外界影響導致磁性能的變化都可能包括這兩種變化。對於釹鐵硼永磁材料，我們在使用中最關心的是溫度穩定性、時間穩定性、外磁場穩定性及化學穩定性。

溫度穩定性

當釹鐵硼永磁體工作環境的溫度在一定範圍內變化時，磁體的磁通量Φ（TotalFlux）都會發生相應的變化,如下圖示:

我們用剩磁可逆溫度係數αBr、Hcj溫度係數βHcj和磁通不可逆損失hirr來衡量釹鐵硼磁性能隨溫度而發生的變化。

剩磁溫度係數

剩磁可逆溫度係數αBr：當工作環境溫度自室溫T0升至溫度T1時，釹鐵硼的剩磁Br也從B0降至B1；當環境溫度恢復至室溫時，Br並不能恢復到B0，而只能到B0'。此後當環境溫度在T0和T1間變化時（假設變化量不是很大），Br的變化是線性可逆的。

同理，我們可以得出內稟矯頑力Hcj的溫度係數βHcj如下：

溫度係數α和β所衡量的只是磁性能的可逆變化，即是恢復溫度即可恢復磁性能。

磁通公式

現實中我們更常見到的是不可逆轉的變化，特別是在磁體開路狀態下測試其磁通量（TotalFlux）隨溫度變化至T1而產生的不可恢復的相對變化量，我們稱之為溫度T1下磁通的不可逆損失hirr，公式為：

從使用的角度看，是希望αBr、βHcj和hirr都是越小越好。但事實上在開路狀態下，對於特定工作點（即磁體元件的尺寸和形狀）的NdFeB磁體，其αBr較高，一般為-0.11-0.12%/℃；βHcj也較高，一般為-0.6-0.7%/℃（但其與溫度段有直接關係）。那么對於αBr和βHcj何者更重要呢？這取決於工作點的選擇，如果磁體的工作點較高，即B/H>>1時αBr起主要的影響作用，而當B/H<<1時βHcj對磁場的穩定性起主要影響作用。而對於磁通的不可逆損失hirr，通常要求>1，在該磁體材料允許使用的最高溫度下，該磁體的hirr應≤5%.比如33SH性能標準塊（2″×2″×1″）在恆溫150℃×1小時後恢復至常溫，其hirr<5%.

當外界溫度自室溫上升，磁性能初始的損失是可逆的，恢復溫度即可恢復磁性能；其後包括了不可逆但可恢復的損失，也就是說此時的磁性能損失雖不能通過恢復溫度來挽回，但通過再充磁還是可以恢復的；若溫度升至磁體的居里溫度以上時，磁體的組織結構遭到不可恢復的破壞，即為不可逆且不可恢復的磁性能損失。

研究進展

一般使用情況下，解決溫度穩定性的辦法是做老化處理，以消除磁體不穩定的因素（當然，這是以損失部分磁性為代價的，一般為10%）。老化處理的溫度和時間根據用途或用戶要求來做。例如：可在開水中沸煮3小時，或在烘箱中附鐵板加熱老化，也可在高真空燒結爐中準確恆溫125℃×1.5小時。另外還有一些辦法，可通過添加某些元素直接提高磁體本身的溫度穩定性。如微波通訊器件的套用領域，要求磁感應強度溫度係數αBr越低越好，近幾年此方面的研究有了很大進展：

①添加Co，能有效地提高居里溫度（一般加入1at.%Co,可提高Tc約10℃）；同時，添加Co，可使3d亞點陣間的交換作用加強，從而使αBr得以提高。而加入Dy，儘管會降低居里溫度，但由於其磁矩與Fe亞點陣磁矩反平行耦合，故亦可改善αBr。如同時添加：用Co替代Fe，用Dy替代Nd，且當比例適當時，NdFeB磁體的αBr可降到0。如對成分為（Nd0.5Dy0.5）15.5Fe51Co26B7.5磁體，其磁性能即可達：Br=0.88T；Hcj=1.23MA/M-1（15KOe），Hcb=525.4KAM-1；BHm=119.4KJ/M3，αBr=0.00%/℃；磁通不可逆損失≤5%.

②在此基礎上，添加Ga，W，可得到低αBr的燒結NdFeB磁體。

③而磁體中添加Tb，則不僅可得到低的αBr，而且能保持高的Hcj和BHm。

電機磁鋼

再比如電機使用的磁鋼，對αBr沒有太大要求，但卻要求βHcj越低越好。βHcj改善很難，但也有一些研究成果表明：

①添加Dy、Tb、Ga，能改善燒結磁體的βHcj;

②添加Sn，能改善燒結磁體的βHcj:NdFeB磁體或含Al、Dy的NdFeB磁體添加Sn，使局部有效退磁因子Neff減小，從而使矯頑力溫度係數βHcj得以降低。但βHcj值的降低效果有限。故實際套用中,主要是通過提高Hcj來提高βHcb,降低磁通不可逆損失。經驗表明:工作點Pc=2,Hcj≥17KOe時,βHcb能從-0.6%/℃降到-0.2%/℃。

③關於磁通不可逆損失hirr:運用磁學唯象理論知識，可推導磁通不可逆損失的計算公式為：

hirr=(其中Hd（T）為退磁場)

如假定αBr、βHcj隨溫度線性變化，則進一步有：

磁通不可逆損失hirr=(CGS)

降低磁通途徑

據上面的公式可知，要降低磁通不可逆損失，可有以下幾個途徑：

·添加Dy、Nb、V、Ga等微量元素，以降低βHcj，從而降低磁通不可逆損失。

·添加微量元素，降低Neff：既降低D值，也降低βHcj，從而最終降低磁通不可逆損失：研究表明：釹鐵硼磁體中添加微量Sn，可降低合金內部的局域有效退磁場，也可降低矯頑力溫度係數βHcj，從而使磁體磁通不可逆損失得以降低。

·通過改善磁體粒度分布及晶粒一致性，以減小Br-Mk的差值，從而降低磁通不可逆損失。

·選擇合適的長徑比，得到合適的D值。

·選擇合適的使用溫度，使磁通不可逆損失控制在所需的範圍。

時間穩定性

所謂時間穩定性，是將永磁體放在一定的溫度下長期放置，測量其磁性能隨時間的變化。永磁體充磁飽和後，只是在初始的1～2小時內略有下降，其後即使經過5～10年磁性能也基本不變。其時間穩定性數值依成分、實驗條件、和尺寸比的不同略有差異。複合添加Co+Dy+Nb的釹鐵硼永磁體，可得到良好的時間穩定性。下圖示出在常溫下該複合永磁體Pc=1時，磁通隨時間的變化所發生的衰減，十年內磁通衰減不到10%。

外磁場穩定性

電機用磁體，在工作過程中氣隙長度和體積是變化的，屬動態磁路。磁體不但受到溫度變化的影響，而且還受到電樞磁動勢對其反向退磁的影響。由於工作點是在回複線上往返變化，就使得磁體處於循環退磁狀態。這要求我們在做電機磁路設計時，不但要考慮溫度變化的影響，還要考慮到動態退磁的附加影響。一般功率型的直流電機，由於電樞效應，其最低工作點大約都在-0.6的地方，此時要求磁體在電機的連續工作溫度下B-H曲線仍為直線,如果B-H曲線發生彎曲，磁體就會因電樞效應產生永久性退磁；另外還有對磁體在電機的極限溫度下，要求其磁通不可逆損失hirr≤5%.

化學穩定性

所謂化學穩定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蝕程度。相對於傳統的鐵氧體或Sm系永磁，燒結釹鐵硼的化學穩定性是最差的。如直接暴露在大氣中就會不斷氧化、發生鏽蝕。由於燒結釹鐵硼磁體是粉末冶金工藝製造、由3個相構成的複合組織，其表面存在著磨削加工所產生的惡化層和材料自身存在的一些氣孔、氧化相等。空氣中的水分就從磁體表面的或接近表面的富B相和氣孔處進行腐蝕。

目前解決釹鐵硼永磁體化學穩定性的辦法主要是添加某些合金元素如Co、Ni、Al和Cr等，同時在燒結工藝中儘量提高密度、減少氣孔。如通過Co+Ni+Al的複合添加，合金磁體在70℃和相對濕度95%的環境中進行48小時實驗，其表面仍有金屬光澤而未見腐蝕。另一種解決化學穩定性的辦法是對磁體進行表面處理，如電鍍、化學鍍等表面處理，可使磁體獲得實用的耐腐蝕性能。