第二章 軟磁材料,定義：能夠迅速響應外磁場的變化，且能低損耗地獲得高磁感應強度的材料。 特點：既容易受外加磁場磁化，又容易退磁。,*對軟磁材料的基本要求有： （1）初始磁導率i和最大磁導率max要高； （2）矯頑力Hc要??； （3）飽和磁感應強度MS要高； （4）功率損耗P要低; （5）高的穩定性。,*主要的軟磁材料： （1）合金如硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙臺斯特合金（Fe-Si-Al）； （2）軟磁鐵氧體Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等； （3）非晶態、納米晶、薄膜等。,*發展史： （1）鐵氧體問世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信各領域。優點：其MS遠高于鐵氧體，因此電力工業中的變壓器、電機等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點：渦流損耗限制了其在高頻段的應用。 （2）20世紀40年代開始，軟磁鐵氧體由實驗室走向工業生產。 50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業中獨占鰲頭。,（3）1970年，Fe-Ni-B非晶態合金研制成功， 1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu納米微晶軟磁材料問世， 90年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵 氧體的新的競爭對手。 優點：性能上遠優于鐵氧體；缺點：性價比上尚處于劣勢。,2.1 衡量軟磁材料的重要指標,1、起始磁導率,主要因素： 基本上不隨加工條件和應用情況變化。,次要因素： 會隨加工條件和應用情況而變化。,2、矯頑力HC,量級：10-1A/m 102A/m,*材料內部應力起伏和雜質的含量與分布是影響HC的主要因素。,*降低HC的方法與提高i的方法相一致。,3、飽和磁感應強度MS,*高的MS 高的i值；節省資源，實現器件的小型化,*提高MS的方法：選擇適當的配方成分，但實際上MS值一般不可能有很大的變動。,4、磁損耗,*軟磁材料多用于交流磁場，因此動態磁化造成的磁損耗不可忽視。,5、穩定性,*高穩定性是指磁導率的溫度穩定性要高，減落要小，隨時間的老化要盡可能地小，以保證其長壽命工作于太空、海底、地下和其他惡劣環境。,*影響軟磁材料穩定工作的因素： 低溫、潮濕、電磁場、機械負荷、電離輻射等,2.2 提高起始磁導率的途徑,必要條件：提高MS并降低K1、S的值,充分條件：降低雜質濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結構均勻化，消除內應力和氣孔的影響。,1、提高MS,*選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動不大。,*選擇配方時更要考慮K1、S對i的作用。,*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS雖然較高，但其K1和S值太大，因而不宜作為配方的基本成分。,2、降低K1和S,*提高i 的最有效方法從配方和工藝上使K1 0、S 0,*鐵氧體軟磁材料：配方時選擇K1和S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正負K1、S補償或添加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的耦合作用。,*例：Fe-Ni合金質量分數Ni81%時，S0；Ni76%時， K10；Ni78.5%Fe-Ni合金經過熱處理后，i可達104,*選擇適當合金成分和熱處理條件可以控制K1和S在較低值,3、改善材料的顯微結構,*材料的顯微結構是指結晶狀態(晶粒大小、完整性、均勻性、織構等)、晶界狀態、雜質和氣孔的大小與分布等。,*雜質、氣孔的含量與分布是影響i的重要因素。 降低雜質、氣孔的方法：原材料、燒結溫度及熱處理條件的選擇,*平均晶粒尺寸對i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。 例：MnZn鐵氧體尺寸5m以下時，i500；尺寸在5m以上時，i3000,*晶粒尺寸長大的方法：適當提高燒結溫度，但溫度過高，便會形成氣孔，導致i下降。,*材料的織構化，包括結晶織構和磁疇織構，都可提高i,4、降低內應力,*根據內應力的不同來源，可采用不同的方法：,(1) 磁致伸縮引起的內應力，與S成正比，可通過降低S來 減小此應力。 (2) 燒結后冷卻速度太快，會造成晶格畸變，產生內應力?？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖Α?(3) 氣孔、雜質、晶格缺陷等因素在材料內部產生應力。可通過原材料的優選以及工藝過程的嚴格控制來消除。,2.3 金屬軟磁材料,2.3.1 電工純鐵,*純度在99.8%以上的鐵，不含任何故意添加的合金化元素。,*制備方法：平爐冶煉時，首先用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時在鋼包中添加脫氧劑獲得。經過退火熱處理 i（300500）, max（600012000）, HC（39.895.5）,*含碳量是影響磁性能的主要因素。 除碳方法：高溫用H2處理除碳，以消除鐵中碳對疇壁移動的阻礙作用。,*電工純鐵存在時效現象 原因：高溫時鐵固溶體內溶解有較多的碳或氮，產品快速冷卻到室溫時，溶解度減小，Fe3C或Fe4N由固溶體中以細微彌散形式析出，從而HC增加，i降低。,消除方法：保溫后，采用緩慢冷卻到100-300的退火措施，這樣在650-300之間Fe3C有足夠的時間析出、長大為對磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。,*應用：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀表的各種零件，揚聲器的各種磁路，電話中的振動膜、磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極，冶金原料等。,2.3.2 硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）,*在純鐵中加入少量硅，形成固溶體，這樣提高了合金電阻率，減少了材料的渦流損耗。,*缺點：電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作時渦流損耗大。,*碳的質量分數在0.02以下，硅的質量分數為1.5-4.5。常溫下，Si在Fe中的固溶度大約為15，但Fe-Si系合金隨Si含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質量百分含量5為一般硅鋼制品的上限。,*隨硅含量的增加，不足之處在于：BS和TC降低；好處：K1 和S 降低 i增加，HC降低，增加降低鐵損,*按照材料的生產方法、結晶織構和磁性能，電工用硅鋼片可分為：熱軋非織構(無取向)、冷軋非織構(無取向)、冷軋高斯織構(單取向)、冷軋立方織構(雙取向)的硅鋼片。,*例：高斯織構符號(110)001；立方織構符號(100)001。,*電工硅鋼片制造工藝：熱軋和冷軋兩種，以在結晶溫度為區分點。,*應用：電動機、發電機、變壓器、電磁機構、繼電器電子器件及測量儀表中。,2.3.3 坡莫合金,*1913年被開發出來，鎳的質量分數為30-90的鎳鐵合金。,*優點：很高的磁導率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變成分和熱處理工藝等進行調節，延展性好，低的損耗。,*缺點：BS低，Ni是高價金屬。,*Ni：7583%范圍時，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時BS較低。,*應用：可用作在弱磁場下具有很高的鐵芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁導率的脈沖變壓器材料；還可用作各種磁致伸縮合金、熱磁合金、矩磁合金等。,2.3.4 其它軟磁合金,*應用：由于價格優勢，常用作Fe-Ni合金的替代品。,1、鐵鋁合金,*優點：價格低；通過調解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料；合金具有較高的電阻率；具有較高的硬度、強度和耐磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對應力不敏感，適于在沖擊、振動等環境下工作；較好的溫度穩定性；抗核輻射性能好。,2、鐵硅鋁合金,*1932年在日本仙臺被開發出來，因此又稱為仙臺斯特合金，成分為Fe9.6Si5.4Al。該成分時， K1和S幾乎同時趨于零，且具有高和低HC。不需要高價的Co和Ni，且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料比較理想。,*應用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發電機定子材料、電話受話器的振動膜片，磁致伸縮材料。,3、鐵鈷合金,*優點：高的MS； Co50，同時有高的MS， i，max,*缺點：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；Co價格貴,2.4 鐵氧體軟磁材料,*最早由荷蘭菲利普實驗室Snock于1935年研制成功。其磁性來源于亞鐵磁性，故MS較金屬低，但比金屬的要高很多，因此具有良好的高頻特性。,*軟磁鐵氧體材料的特性要求（四高）：高i，高品質因數Q，高（時間、溫度）穩定性，高截止頻率fr。,*除基本要求外，對應不同的應用場合還有不同的特殊要求。 比如電波吸收材料希望在工作頻率范圍內損耗越大越好。,*按晶體結構進行分類：,*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結構的mMnFe2O4nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。,*低頻段應用極廣（500kHz以下），優點：磁滯損耗低，相同磁導率情況下居里溫度較NiZn高，i高(可達4104 1105)，價格低廉。,*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，1100MHz。1MHz以下時，其性能不如MnZn鐵氧體，而在1MHz以上時，優于MnZn鐵氧體，因它具有多孔性及高電阻率。,*特點：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；Ni價格高，小于30MHz時，可用MgZn鐵氧體替代（性能稍差）。,*立方晶系鐵氧體的使用頻率：數百兆赫之下； 平面型六角晶系鐵氧體：在i值相同的情況下，fr較立方晶系高510倍。,* 從應用角度軟磁鐵氧體大致可分為： （1）高磁導率材料， i 104； （2）低損耗、高穩定性材料，高Q值，低DF值； （3）高頻、大磁場用的材料； （4）高飽和Bs低功耗材料（功率鐵氧體）； （5）甚高頻六角鐵氧體； （6）其他鐵氧體：如溫感、濕感、電波吸收、電極等材料。,2.5 納米晶軟磁材料,*特征： （1）短程有序，長程無序； （2）不存在位錯和晶界，具有高磁導率和低矯頑力； （3）電阻率比同種晶態材料高，適用高頻(渦流損耗小)； （4）體系自由能高，結構不穩定，加熱時有結晶化傾向； （5）機械強度較高且硬度較高； （6）抗化學腐蝕能力強，抗射線及中子等輻射能力強。,2.5.1 非晶態軟磁材料(具有優良的綜合磁性能),一、非晶態軟磁材料的結構和性能,*目前已達到實用化的非晶軟磁材料的分類： 1) 3d過渡金屬(T)非金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；非金屬為B，C，Si、P等。 鐵基：BS較高；鐵鎳基：磁導率較高；鈷基：適宜作為高頻開關電源變壓器。 2) 3d過渡金屬(T)金屬系。金屬為Ti，Zr，Nb，Ta等。 3) 過渡金屬(T)稀土類金屬(RE)系。其中T為Fe，Co；RE為Gd，Tb，Dy，Nd等。,二、制備與應用,非晶態：結晶化前的中間狀態，亞穩態。冷卻速度足夠快且冷至足夠低的溫度，以致原子來不及形核結晶便凝固下來。,制備方法： 1、氣相沉積法 晶態材料原子（離解）氣相（無規沉積）到低溫冷卻基體上形成非晶態 此類技術主要有：真空蒸發、濺射、輝光放電、化學沉積等,2、液相急冷法（大多采用此法） 熔融合金（用加壓惰性氣體）液態合金從石英噴嘴中噴出形成均勻的熔融金屬細流連續噴射到高速旋轉的冷卻輥表面液態合金以106108K/S高速冷卻形成非晶態,3、高能粒子注入 采用大功率高能粒子輸入加熱晶態材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶態。 高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄層非晶材料，常用于改善表面特性。,*鐵基非晶帶的損耗僅為傳統Fe-Si合金的1/3，但由于成本較高，目前尚難以大量取代傳統的材料，但在高功率脈沖變壓器、航空變壓器、開關電源等方面已獲得應用。 鈷基和鐵鎳基非晶：防盜標簽（圖書館、超市）,2.5.2 納米晶軟磁材料,1988年，日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎上通過晶化處理開