磁性玻璃玻璃学术资讯 - 科技工作者之家

磁性玻璃（magnetic glasses）具有铁磁性的非晶态合金。化学成分多为TxG1-x，x=0.8；其中T为Fe、Co、Ni、这些3d元素及其组合，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。用液态合金淬火急冷法制备。

简介一种透明的在室温下具有磁性的玻璃。以磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃或氟化物玻璃为基础，掺入稀土元素钇、镝、钬和铥制成。可用作磁性区示教仪，热磁器件，变压器磁心，记忆元件等。

物质置于磁场中被磁化，表现出一定的磁性。有些物质使原磁场增加，有些使磁场减弱。按照物质对磁场的影响，可将其分为三类：（a）抗磁性物质，使磁场减弱；（b）顺磁性物质，使磁性略有增加；（c）铁磁性及亚铁磁性物质，使磁场强烈增加。材料的磁性主要来源于电子自旋磁矩。凡是过渡元素、自由基中的未成对电子均具有顺磁性。若末成对电子自旋同向排列，可形成磁畴，从而产生磁性。所谓磁畴就是物质中所包含的许多自发磁化的小区域。

为了比较磁介质的磁化性能采用磁导率与磁化率的物理量。若将无磁力线泄漏的线圈放人真空中测出磁场强度H0，另在此线圈中插入磁介质测出其磁场H，由此可求出完全由磁介质产生的磁场强度为Hm=H-H0，Hm也称为磁化强度。则磁化率xm =Hm/H0；磁导率μm =1+xm。设真空中的磁导率为μ0时，磁通量密度B为：

B =μ0（Hm+H0）

磁化曲线在评价铁磁材料的性能方面有着重要的作用。它表明激励磁场强度H与磁通量密度B的关系。如图所示，沿曲线1从去磁状态开始，取向比较有利的磁畴吞并掉取向较为不利的磁畴而成长。在高磁场下接近饱和时，磁通量密度B只能依靠磁畴转动而增加。外磁场去除后（曲线2），材料仍然有剩余磁通密度Br。只有加上大小等于矫顽力Hc的反向磁场后，才会完全去磁。加上周期性的磁场（曲线3），则得到铁磁材料的磁滞回线。1

磁性玻璃分类抗磁性玻璃不含过渡元素离子和稀土离子的一般普通玻璃，表现出抗磁性，且磁化率的绝对值非常小，例如石英玻璃的χ=0.5×10-6。抗磁性物质的磁化率与所含离子或原子的数量成正比，各种离子的抗磁性极化率。它们符合加合关系，与温度无关。新型玻璃材料中法拉第旋转玻璃就是利用了它的抗磁性。这种玻璃大多数都含有较多的铅或Bi3+、TI+、Sb3+等。

抗磁性体中最为突出的例子是超导体，它表现出完全的抗磁性。金属玻璃中有许多组成表现为超导性，如：Mo89P10B10、Mo64Ru16P20、Nb80Si12B8等。氧化物玻璃与金属玻璃不同，氧化物玻璃本身不呈现超导性，但通过微晶化可制成大于100K的Bi（Pb）-Sr-Ca-Cu-O系高温超导体。因此超导微晶玻璃具有较大的抗磁性。2

顺磁性玻璃含过渡金属和稀土离子的氧化物表现为顺磁性。由于玻璃基体具有抗磁性，因此顺磁性离子的浓度超过定值时，才能表现出顺磁性。顺磁体的磁化率χp为

χp =Nμ2/3kT

式中，N为每克玻璃含有顺磁性离子数；k为玻耳兹曼常数；μ为单位顺磁性离子的磁导率，μ =Peffβ（Peff为有效波尔磁子数，是每一个顺磁性离子所含不成对电子数n的函数，β为波尔磁子，为一固定数值）；T为热力学温度。

一般研究较多的是过渡元素铁离子在玻璃中析出铁化合物品相而表现出的磁性。

可形成顺磁性玻璃的稀土元素有Nd3+、Er3+、Ce3+、Tb3+。含稀土离子的顺磁性玻璃作为新型玻璃受到人们的重视。含Nd3+玻璃已开始在核聚变大功率激光玻璃上应用。除Nd3+以外，涂覆Er3+等其他稀土离子的激光玻璃也正在积极开发。含Ce3+和Tb3+稀土金属离子的顺磁性玻璃已开始应用于法拉第旋转玻璃。

强磁性玻璃常见的强磁性玻璃是用液体急冷法制作的过渡元素（Fe、Co、Ni）-半金属（B、C、Si、P）系金属玻璃。与强磁性金属玻璃相比，氧化物玻璃中有强磁性的例子还不多，目前还未涉及到实用材料。

在玻璃形成体P2 Os、Bi2 03、SlOe中添加尖晶石型铁氧体结晶，在1350～1400℃温度下熔融，用双辊超急冷法制作的玻璃呈现强磁性。但这些玻璃室温时的饱和极化率都在5×10-4以下，与原来的铁氧体的值（如CoFe2O4约为80×10-4）相比小得多。原因是氧化物晶体经玻璃化后，原子的规则排列受到了破坏，饱和磁化率和居里温度急剧下降。结晶状态下不呈现强磁性的反强磁性氧化物晶体ZnFe2O4和BiFeO3，两者混合熔融后超急冷，形成了强磁性玻璃，如（Bi2O3）0.3 （ZnO）0.2（Fe2O3）0.5玻璃。另外还出现了不含铁的强磁性玻璃，如0.5(La1-xSrxMnO3)·0.5B2O3，La1-xSrxMnO3等。2

特性和用途现在可用液体急冷法、溅射法等方法制备不具备有规则原子排列但表现出强磁性的不定形状态合金，即不定形磁性金属（合金）。可制成薄带、薄膜、粉末、细线等各种形状。特别是采用液体急冷法制作的过渡元素（Fe、Co、Ni）-半金属（B、C、Si、P）系统的强磁性金属玻璃，表现出以前晶质强磁性合金（强磁性铁镍合金和铁硅铅合金）不具备的优良特性。为制得稳定的金属玻璃，需要加入25%（原子分数）左右的比例的B、C、Si、P等半金属元素。这在理解金属玻璃磁特性方面是重要的，即由于原子排列不规则性的过渡元素与半金属元素之间的共价键性，本质是过渡元素原子的磁动量值与晶质合金相比较小，且居里温度也低。

上图为强磁性金属玻璃（Fe1-xMx）80B10P10中每个过渡元素的平均磁动量与过渡元素的平均外壳电子数相对应的曲线（实线）。该图中结晶质合金为斯特来插木还原曲线，用虚线表示各种晶质合金。由图可知，无论哪一组成的金属玻璃中过渡元素的磁动量也比晶质合金时小，过渡元素的平均磁动量大小与半金属的种类和数量具有强烈的关系。一般磁动量按P>C>B>Si的顺序变小。特别是Ni可使磁动量显著降低，通常的Ni-半金属系金属玻璃不呈现强磁性。Fe的磁动量值最大，约为2μB，Co为1～1.5μB。图为Co-Fe-Si-B系及Fe-Ni-Si-B系金属玻璃的居里温度与组成的关系。居里温度同Co/Fe及Fe/Ni比有较强的关系，特别是随半金属量的增大居里温度急剧降低，这些值同结晶质合金的居里温度相比有大幅度的降低。1960年Gubanov理论认为，这是由于在金属玻璃中磁动量小、原子排列不规则所产生的相互交换作用可大也可小的原因。另外，担负金属玻璃中磁性的Fe、Co、Ni等过渡元素的原子排列也不规则，不具有周期性，是处于无秩序状态的强磁性。金属和合金的磁性显出与氧化物不同的原因，主要是相邻原子间产生了直接交换相互作用。同样这也成为原子排列不规则的金属玻璃出现强磁性的根本原因。