《软磁材料基础知识》word版.docx

二、基本内容概述10.1软磁材料的重要指标重点掌握的几个概念：起始磁导率(i)、磁损耗(tg)、温度稳定性(m)、减落(D)、磁老化(Ia)、截止频率(fr)。1、起始磁导率(i)：，是磁中性状态（H0，M0）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，i是一重要参数。2、磁损耗(tg)：，处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会损耗能量，用tg来表征这种磁损耗。3、温度稳定性(m)：，软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比，最常用的是磁导率的温度系数a 。在实际应用中，也常用比温度系数a /i来表征软磁材料的温度特性，因为对于某种软磁材料而言，比温度系数u/i与形状和尺寸无关，是一个常数，希望这个常数越小越好。4、减落(D)：，定义为在磁正常状态化之后，恒定温度下经过一定的时间间隔 (t1-t2)，材料磁导率的相对减小。式中m1、m2分别为给定时间间隔开始(t1)和结束(t2)时的磁导率值。5、磁老化(Ia)：，软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示。式中m1、m2分别为老化前后测得的磁导率。6、截止频率(fr)：由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的m值下降为起始值的一半且m达到峰值时的频率，称为截止频率fr。截止频率fr与材料的组成和显微结构有关，各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高则应用频率的上限越高。10.2提高起始磁导率的途径1、影响磁导率的因素首先是从磁化的机理（可逆磁畴转动、可逆畴壁位移）分析磁化的动力（饱和磁化强度）和阻力（内应力、参杂、空泡、晶界）。 对于可逆磁畴转动，对于可逆畴壁位移，其中，由此可知，磁导率为材料的二级磁参数，不仅与其内禀参数（如Ms、K、等）相关，而且与其工艺参数等相关。2、提高磁导率的条件l 必要条件 Ms要高( Ms2 )； k1, ls0; l 充分条件 原料杂质少，b ； 密度要提高(P)，即材料晶粒尺寸要大(D)； 结构要均匀 (晶界阻滞)； 消除内应力 ls ； .气孔,另相 (退磁场)。10.3金属软磁材料10.3.1 工业纯铁1、特点纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金元素。室温性能：Bs=2.15(T)，居里点f=770，m=20000，=0.110-6(.m)。杂质对其性能有较大影响2、应用作金属磁性材料的重要原料；在直流磁场中，作为恒定磁场中的磁导体。如作磁极和磁屏蔽。3、分类10.3.2 铁硅合金铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。在变压器、电动机、和发电机等电力设备和通信设备中，它是最重要的铁芯材料，在国民经济中占有重要的地位。1、硅对合金性能的影响 硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数，同时随着硅含量的增大，饱和磁致伸缩系数可以逐渐趋于零。这对提高磁导率和降低矫顽力是有利的 添加硅可以提高合金的电阻率。这对降低涡流损耗特别重要。 饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。 硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。加工困难。 铁硅合金的密度随含硅量增大而下降，制成铁芯后，对减轻变压器和电机的重量有利。 硅促进钢中碳的石墨化，退火时钢的脱碳倾向增加，同时还可以与钢中的O2合成SiO2，使钢脱氧。这样可使损耗下降，磁性能改善，而且避免碳和氧所引起的老化现象。 硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，具有较高的稳定性。2、硅钢片的退火3、硅钢片的制备10.3.3 铁镍合金(permalloy)含Ni为30%90%的铁-镍系软磁合金一般统称为坡莫合金（或叵姆合金）。1、特点与分类2、铁镍合金相图l 含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面心立方结构的相组成。l 在合金含量小于30%时，相在较低温度下可通过马氏体相变转变为体心立方的相，这种结构转变有明显的热滞现象，即升温时的转变a温度和降温时的转变温度不重合。两相区难以确定。l 在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无序相转变。有序化转变温度在5063、合金成分对电磁性能的影响l 电阻率的最大值出现在含Ni量3040%的范围。在纯金属中加入杂质元素后，由于电子运动的自由程缩短，电阻率必然增加。加入的杂质元素愈多，则电阻率值愈高。对铁镍合金而言，含Ni35%以下，是Ni原子固溶在Fe中。而Ni35%以上，是Fe原子固溶在Nil 居里温度n 在含Ni量为010%和65100%两个成分范围内，居里温度随镍含量的增加而下降。n 当含镍量为35%左右时，由于非磁性相的出现，居里温度急剧下降。n 在67%Ni附近，由于点阵距离刚好满足出现最大的交换能，故居里温度出现最大值。l 饱和磁感应强度n 由于镍原子的玻尔磁子数比铁小，所以020%Ni之间，Bs随含镍量的增加而下降。在2035%Ni范围内，由于出现了非磁性相，Bs发生突变而迅速一降。l 磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数sn 通过控制冷却速度和成分可有效地控制K1和s，从而达到提高磁性能的目的。4、热处理对铁镍合金磁性的影响l 叵姆处理n 获得高磁导率的材料，要使软磁材料呈单相的固溶体、低的K1和s值、高的Bs。为了避免有序化，同时减少内应力。一般采用双重热处理（叵姆处理）的方法：将坡莫合金退火后从600将样品放在铜板上，在空气中急冷，或在随炉冷却后，再加热到600，然后快速冷却，即进行双重热处理。l 磁场热处理n 将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却，或进行磁场热处理，在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均呈出矩形磁滞回线，而在垂直方向上为平直的磁化曲线。5、多元系坡莫合金在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系坡莫合金，可不进行急冷处理，只要冷却速度适当，其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。而且电阻率也比78.5%Ni坡莫合金要高3倍，为0.6010-3(.m)，但饱和磁感应强度从1.3(T)降到0.60.8(T)。合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能钼 钼小于15%时，在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶，它使：n 电阻率上升n 含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和s更接近零n 钼可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度n 钼使K1=0的合金镍含量增加。4Mo-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Nin 降低合金的0Ms和居里温度。铜 改善合金的冷加工性能 铜使合金的a及m值提高，且降低了磁导率对成分的敏感性，即当合金成分偏离最佳成分时，对a及m值影响不大 铜可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低热处理的冷却速度 降低合金的0Ms和居里温度。其它元素 锰可提高电阻率、降低矫顽力值，可以脱硫、脱氧、改善热加工性能。 铬使铁镍合金的居里温度降低，抑制有序相的形成，提高合金的电阻率值 钒、铌、钛等可提高合金的硬度，改善耐磨性。 碳可以脱氧，但C含量大于0.05%时使磁性急剧下降。 硅加入0.05%左右对合金磁性有利，因其和锰可复合脱氧，使脱氧颗粒呈大颗粒。 磷大于0.06%时，使合金的值急剧下降。10.3.4 纳米晶软磁材料（Nanocrystalline Soft Magnetic Materials）1、纳米晶软磁材料的发展历史 1988 Fe-Si-B-Nb-Cu by Yoshizawa et al; 1989 Fe-Si-B-Nb-Au by Kataoka et al ; 1989 Fe-Zr-B (NANOPERM) by Masamoto et al; 1990 Fe-Si-B-V-Cu, by Sawa and Takahashi; 1991 Fe-(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta)-B-Cu, by Suzuki et al 1991 Fe-Si-B-(Nb, Ta, Mo, W)-Cu by Yoshizawa 1992 Fe-Ge-B-Nb-Cu, Fe-Si-B-(Al, P, Ga, Ge)-Nb-Cu by Yoshizawa 1993 Fe-Al-Si-Nb-B, by Chou et al; 1994 Fe-Si-B-Nb-Ga, by Tomida; 1995 Fe-Si-B-U-Cu, by Sovak; 1996 Fe-Si-B-Nd-Cu by Muller et al; 1997, HITPERM by McHenry in Carnegie Mellon University 2、纳米晶软磁材料及优异性能的原因随机备向异性模型 非晶铁磁体随机各向异性模型纳米晶合金中的随机各向异性模型Herzer模型扩展随机各向异性模型由于超微纳米晶粒间的铁磁交换耦合作用，使纳米晶粒内的局域磁晶各向异性被有效地平均掉了，显著降低了合金的磁各向异性，因而合金具有高软磁性能。3、几类典型的纳米晶软磁材料 FINEMET软磁合金 NANOPERM软磁合金 HITPERM软磁合金4、纳米晶软磁材料制备方法5、纳米晶软磁材料的应用10.4 铁氧体软磁材料10.4.1 软磁铁氧体材料特性要求四高-i、Q、fr、稳定性(aM、DF)；1、软磁铁氧体材料的分类 按晶体结构:尖晶石型;平面六角晶系； 按材料应用性能分： n .高磁导率材料(i = 2000-4104)：低频、宽频带变压器及小型脉冲变压器； n 低损耗材料：电源磁芯,高功率场合；n 低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯；n 高频大磁场材料：空腔谐振器、高功率变压器等；n 功率铁氧体（高Bs）材料： 开关电源及低频功率变压器；n 高密度记录材料：用做录音,录象磁头；n 电波吸收体材料：吸收电磁波能量，广泛应用于抗干扰电子技术。2、如何提高软磁铁氧体材料的磁导率 提高材料的Ms 选高Ms的单元铁氧体 加入Zn,使MAs降低 降低 k1和ls 选L=0的单元铁氧体，MnFe2O4 , Li0.5Fe2.5O4 选择L被淬灭; NiFe2O4 ,CuFe2O4 离子取代降低k1, ls 显微结构 结晶状态: 晶粒大小、完整性、均匀性； 晶界状态: 厚薄、气孔、另相； 晶粒内气孔,另相: 大小、多少和分布； 高材料:大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气孔和另相。2、如何提高软磁铁氧体材料的截止频率 降低ZnO含量mi ，fr .选k1较高的材料为高频材料； f1MHz,以MnZn为主； f 1MHz,以NiZn为主； f 100MHz,以平面六角结构材料为主； 3.加入磁晶各向异性很强的离子 Co2+； 1.冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率； 2.形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向异性； 加入低熔点物质P