[工学]软磁材料论文.doc

软磁材料概述一 软磁材料简介1.1 软磁材料介绍当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体 。软磁材料的矫顽力很低，在磁场中可以反复磁化，当外电场去掉以后获得的磁性便会全部或大部分消失。磁性材料又分为软磁材料、硬磁材料等。软磁材料作为信息功能材料的磁性材料，是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因应用而异，但通常软磁材料的磁导率要高、矫顽力和损耗要低。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。1.2 软磁材料的分类 纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。铁硅系合金。含硅量0.54.8，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。铁铝系合金。含铝616，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。镍铁系合金。镍含量3090，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。铁钴系合金。钴含量2750。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-21010m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。二 金属软磁材料和铁氧体软磁材料2.1 铁氧体软磁材料 2.1.1 背景及分类人类研究铁氧体是从20世纪30年代开始的。20世纪50年代是铁氧体蓬勃发展的时期。1952年磁铅石硬磁铁氧体研制成功；1956年又在此晶系中开发出平面型超高频铁氧体，同时发现了合稀土元素的石榴石型铁氧体，从而形成了尖晶石型、磁铅石型和石榴石型三大晶系铁氧体材料体系。应该说铁氧体的问世是强磁学和磁性材料发展史上的一个重要里程碑。软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类，其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大。软磁铁氧体材料的分类： 1）按晶体结构:尖晶石型;平面六角晶系 。 2）按材料应用性能分： 高磁导率材料：低频、宽频带变压器及脉冲变压器 低损耗材料：电源磁芯,高功率场合 低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯 高频大磁场材料： 空腔谐振器、高功率变压器等 功率铁氧体（高Bs）材料： 开关电源及低频功率变压器 高密度记录材料：用做录音,录象磁头 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 软磁铁氧体的损耗：软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗,即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散。磁损耗分类 ：非共振区：涡流损耗 、磁滞损耗 剩余损耗 共振区：尺寸损耗 、畴壁损耗 自然共振其中：非共振区损耗较小，共振区损耗较大。2.1.2 软磁铁氧体材料粉料的制备 软磁铁氧体微粉的制备大多采用火法和湿化学法两种, 铁氧体微粉的制备主要采用湿化方法 ，软磁铁氧体微粉的制备主要采用共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等湿化学法 。下面以湿法工艺制备Mn-Zn铁氧体微粉为实例进行讲述。 1、共沉淀法制备铁氧体微粉 化学共沉淀法制备铁氧体微粉是选择一种合适的可溶于水的金属盐类, 按所制备材料组成计量, 将金属盐溶解, 并以离子状态混合均匀, 再选择一种合适的沉淀剂, 将金属离子均匀沉淀或结晶出来, 再将沉淀物脱水或热分解而制得铁氧体微粉。因此化学共沉淀法是一种最经济的制备铁氧体微粉的方法。由于其所制备的粉体微粒具有纯度高, 粒度分布均匀, 活性好等特点, 使之近年来得到深入研究及广泛应用。共沉淀法按其沉淀剂的不同可分为：碳酸盐、草酸盐和氢氧化物等若干种方法。1氢氧化物共沉淀法这种方法可分为中和法和氧化法。中和法就是将三价铁离子和组成铁氧体材料的其它金属盐溶液, 用碱中和, 在一定条件下, 直接在水溶液中形成尖晶石型铁氧体。其离子反应方程式为 ：2Fe3+ + M 2+ + OH- - MO- Fe2O 3中和法形成铁体的主要影响因素是溶液 pH值和温度( 一般 pH 为 1013, 温度近沸) 。 氧化法的主要工艺是先配制含有二价铁离子和其它二价金属离子的硫酸盐水溶液, 加过量的强碱溶液, 保持 pH 为一定值, 即形成悬浮液, 然后往此溶液中通入空气氧化而逐渐生成铁氧体沉淀物。铁氧体的形成及其晶粒大小, 受溶液 pH 值、温度等因素影响。在 pH 10 时, 铁氧体颗粒大小, 随金属阳离子浓度增大而增大, 随温度降低而减小。要制备具有实用价值、结构完美, 并具有一定颗粒大小的沉淀物, 必须选择适当的条件才能达到。2碳酸盐共沉淀法 碳酸盐共沉淀法是它是在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂碳酸盐, 得到前驱体沉淀物, 再焙烧成粉体。在共沉淀时, 为了防止钠离子的污染, 选用 NH3- NH4HCO 3 作沉淀剂, 可消除使用 单一沉淀剂所产生的沉淀过滤困难和后烧结困难等蔽端。此法工艺简单, 易于操作, 成本较低, 具有较好的经济价值。2溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是 20 世纪 90 年代兴起的一种新的湿化学合成方法, 被广泛的应用于各种无机功能材料的合成当中。此法是将金属有机化合物如醇盐等溶解于有机溶剂中, 通过加入纯水等使其水解、聚合、形成溶胶, 再采取适当的方法使之形成凝胶, 并在真空状态下低温干燥, 得疏松的干凝胶, 再作高温煅烧处理, 即可制得纳米级氧化物粉末, 凝胶的结构和性质在很大程度上取决于其后的干燥致密过程, 并最终决定材料的性能。此法制备的粉体纯度高, 均匀性好, 粒经小 ，尤其对多组分体系, 其均匀度可达到分子或原子 水平。烧结温度比高温固相反应温度低, 晶粒大小随温度和时间的增加而增大, 完全晶化温度约为750 左右。与共沉淀法相比, 该法合成的纳米粉体仅在烧结时才出现团聚, 且在不高的温度( 700800 ) 晶化完全。这样可以节约能源, 避免由于烧结温度高而从反应器中引入杂质, 同时烧前易部分形成凝胶, 具有较大的表面积, 利于产物的形成。是一种较好的制备超微粉的方法 。3水热法 水热法也是近 10 余年来发展起来的制备超微粉又一新的合成方法。此法以水作溶剂, 在一定温度和压力下, 使物质在溶液中进行化学反应的一种制备无机功能材料微粉的方法, 此法可实现多价离子的掺杂, 这些特性为研究新材料提供了有利条件。在水热反应中, 微粉晶粒的形成经历了一个溶 解-结晶的 过程, 所制备 的微粉晶体粒 径小, 粒度较均匀, 不需高温煅烧预处理, 合成温度大约为 900 , 形成的晶体较为完整, 纯度高, 且具有较高的活性。有研究表明, 水热反应温度、时间等对产物纯度、颗粒、磁性有较大影响, 所制备的微粉晶粒一般只有几十纳米。 4超临界法超临界法是指以有机溶剂等代替水作溶剂,在水热反应器中, 在超临界条件下制备微粉的一种方法。反应过程中液相消失, 更有利于体系中微粒的均匀成长和晶化, 比水热法更为优越, 是一个进一步值得研究的方法。超临界流体干燥法所制备的微粉粒度分布较均匀, 晶体完全, 比表面能较小, 不易团聚。2.1.3 铁氧体软磁材料的发展趋势近年来，国内外学者在磁性材料方面进行了卓有成效地新探索，其重点的研究和应用主要集中在以下几个方面：1、铁氧体吸波材料由于科学技术的讯猛发展，在武器的隐身技术和电子计算机防信息泄露技术中，以及在生物学中的热效应方面，铁氧体作为吸波材料方面的应用尤为重要 。近年来研究者主要集中研究复合铁氧体材料以及纳米尺寸的铁氧体来控制其电磁参数，铁氧体纳米磁性材料作为微波的吸收体，纳米级的微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，吸收率高，一方面，它能吸收空所中的游离的分子或介质中其他分子通过成键方式连接在一起，造成各向异生的改变。另一方面，在微波场中，活性原子及电子运动加剧，促使磁化，最终将电磁能转化为热能，从而增加吸收体的吸波能力。 2、铁氧体材料在信息存储方面的应用。 信息存储铁氧体材料磁记录是利用强磁性介制输入、记录、存储和输出信息的技术和装置。其磁记录用的磁性材料分为两类：磁记录介制，是作为记录和存储信息的材料，属于永磁材料。另一类是磁头材料，是作为输入和输出信息用的传感器材料，属于软磁材料。 3、磁性流体磁流体是一种新型的功能材料，它由磁性颗粒、稳定剂（表而活性剂）和载液三部份组成，在磁场作用下显示出优于其他磁性材料的优良性能，因此被广泛应用。这是一种人工合成的胶体系统，包括胶状的磁性微料（磁铁矿），经界面活性剂的辅助分散于连续的载粒液中，磁性微粒的直径约10mm。磁性流体集固体的可磁化性和液体的流动性于一体，在磁场作用下，磁性流体可被磁化，显示超顺磁性。磁性流体在生物医学领域具有广泛的应用，近年发展起来的磁性药物载体是国内外十分关注的高新技术4 绿色材料，低碳节能随着2010年世博会的召开。以低能耗、低污染、低排放为基础的新型经济模式低碳经济时代的到来，持续的低碳和绿色经济,将是未来世界发展的大势所趋,这对于新能源、环保、节能等新兴产业会带来巨大的中长期的投资和发展机遇。低碳经济涉及广泛的产业领域和管理领域，也与磁性材料的发展密切相关，也将是未来新型的高新磁性材料应用和市场的重要发展方向 。现在软磁铁氧体产品，高技术领域应用占22%，如数字通信、电磁兼容（EMC）、射频宽带、抗电磁干扰（EMI）、高清显示、汽车电子。传统中低档产品领域应用占78%，如电视机、电源适配器、电子镇流器、普通开关电源变压器、天线棒。从总体来看，中国的铁氧体磁体的性能还以中低档为多数，虽然产量高居世界第一，但产值并不理想。现在中国的磁性材料总产值约265亿人民币，永磁铁氧体产值62亿，平均价格在1.5万元/吨；软磁铁氧体产值在93亿，平均价格在3.1万元/吨，其余钐钴磁体、钕铁硼磁体和金属磁体占市场110亿元 。铁氧体软磁材料的发展趋势：1、人工、能源成本上涨是趋势；2、原料价格继续在波动中上涨仍然是必然； 3、磁性产品和电子元件出口将在曲折中缓慢恢复4、国内下游用户激烈的竞争和价格战必然逼迫磁性 材料企业价格下行，利润缓步下降5、无生产规模的、大众化中低档磁性材料产品生产 企业生存辛苦6、有成本优势和技术优势的企业将得到良好发展7、中国磁性材料研究开发和生产整体水平将向国际 先进水平靠齐，由磁性材料生产大国向强国迈进。2.2 金属软磁材料2.2.1 电工纯铁纯度：电工纯铁是指纯度在99.8以上。冶炼时，首先用氧化渣除之碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。软磁性能：经过退火热处理，起始磁导率i 为300500，最大磁导率max为(612)103, Hc为39.895.5 A/m。(0.51.2Oe) 1 A/m =4p/ 103 Oe 主要用途：在直流磁场下工作的器件。制造电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路，感应式和电磁式测量仪表的零件，扬声器的各种磁路，电话中的振动膜、磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能去应力退火：消除加工应力。保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。去除杂质处理：纯铁中的杂质（ C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N，逐渐形成铁的氮化物所致。人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。 2.2.2 电工硅钢 电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）：电工纯铁只能在直流磁场下工作，为了克服在交变磁场下涡流损耗大的缺点，加入少量硅，形成固溶体，提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数。Si含量的增大会使材料变脆。 成分：碳的质量分数Wc在0.02%以下，硅的质量分数为（1.54.5）%。主要用途：广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。主要用于制造大电流、频率50400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等。制造工艺：分为热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。热轧的温度与锻造温度相近，如钢材的热压温度在8001250。冷轧一般用于生产带材，其轧速较高。轧制过程中都需要使用润滑剂，其作用是减少摩擦和轧辊的磨损以及温度的控制。电工硅钢片分为：热轧硅钢片（DR，冷轧无取向硅钢片（ DW），冷轧单取向硅钢片（ DQ），电讯用冷轧单取向硅钢片（ DG）。与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。 在冷轧单取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成高斯(GOSS)织构，如图示意，晶体的(110)面与轧制平面平行，易磁化的001轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的110轴。最难磁化的111轴与轧制方向成54.79角。 单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。 织构取向度的影响：取向度7o。加微量Al等、形成AlN,可使范围减小，取向度3o。去应力退火处理：用硅钢片制成的电磁元件成型之后，应消除应力（800850，保温515min），恢复材料磁性 。2.2.3 坡莫台金 坡莫合金：来源于英文Permalloy，指镍的质量分数为30一90的镍铁合金。用途：在弱磁场下具有很高磁导率的铁芯材料和磁屏蔽材料，也可用作要求低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器材料，还可用作各种矩磁台金、热磁合金和磁致伸缩合金等。高导磁合金：主要是高镍含量的铁镍合金。我国的高镍高导磁合金有六个牌号:1J76、1J77、1J79、1J80、1J85和1J86，镍含量76%86%。其基本性能：m 125-187mH/m, Hc 1.4-3.2A/m, Bs 0.6-0.75T, 55-6210-8m。在弱场下具有很高的初始磁导率和最大磁导率，有较高的电阻率，因而适合在交流弱磁场中使用，如各种音频变压器、互感器、磁放大器、音频磁头、精密电表中的动片与静片等。主要用于收音机、电视机和通讯器材等。恒导磁率合金：成分范围：含Ni5575%的铁镍合金，国产恒导磁率合金牌号为1J66(Fe-w(Ni)65%)。恒导磁率的获得：冷轧后于1000下进行再结晶退火，可以得到(001)100织构。再将其以50%的轧制率进行冷轧，可以生成单轴轧制型磁各向异性。对合金进行横向磁场热处理(外加磁场方向垂直于使用中的磁化方向)，可使其磁化率在很大范围内保持恒定不变。 主要用途：恒电感器，也可用于单极脉冲变压器。 中磁饱和中磁导率合金：成分：低镍和中镍的铁镍合金，1J46、1J50和1J54。Bs（约1T）、磁导率和矫顽力介于高磁饱和材料和高导磁材料之间，电阻率较高。适用于较高的频率，中、弱磁场范围。1J46和1J50合金主要用于制作小功率变压器、微电机、继电器、扼流圈和电磁离合器的铁心，以及磁屏蔽罩、话筒震动膜等。1J54合金具有更高的电阻率与低的矫顽力，主要用于脉冲变压器、音频和高频通讯仪器等。低镍的Fe-Ni36%合金的Bs和电阻率介于1J50和1J54合金之间，合金价格便宜，主要用于要求高Bs，而对磁导率要求不高的条件下制备高频滤波器、脉冲变压器及灵敏断电器等。2.2.4 其他软磁台金一、铁铝合金：成分：以铁和铝为主要成分的软磁材料。价格优势：与铁镍合金相比价格较低；常用来作为铁镍合金的替代品。磁性能：可以通过调解铝的含量，获得满足不同要求的软磁材料。例如1J16合金有较高的磁导率，电阻率高可达150.cm.是目前所有金属材料中最高的一种；具有较高的硬度、强度和耐磨件；密度低，重量轻；对应力不敏感，适于在冲击、振动等环境下工作；只有较好的温度稳定性和抗核辐射性能等优点。主要用途：主要用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放大铁芯；露，超声波换能器元件，磁头。此外，还用于中等磁场工作的元件，如微电机、音频变压器、脉冲变压器、电感元件等。牌号 品种 厚度 i Max Hc(A/m) B(T) Br (T) s 1J16 热轧薄板 0.35 6000 30000 3.98 0.65(B30) 0.41J13 热轧带材 0.35 360-660 (510)K 50 1.1(B30) 35x10-6 1J12 热轧带材 0.35 2500 2500 12 1.2 (B30) 0.51J6 冷轧带 0.5 2K5.5K 15K50K 48 1.35 (B25) 0.3 二、铁硅铝合金(仙台斯特合金)：Fe-9.6Si-5.4Al的软磁合金. 磁致伸缩系数和磁各向异性常数几乎同时为零.电阻率高、耐磨性好，作为磁头磁芯材料比较理想。历史：是1932年企口本仙台被开发出来的。成分：Fe-9.6Si-5.4Al的软磁合金。在该成分时，台金的s 和K1 几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。同时，不需要高价的Co和Ni，而且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。三、铁钴合金：具有高的饱和磁化强度，在WCo为35时，最大饱和磁化强度达到245T。加工性能较差。常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定于材料以及较高的饱和磁致伸缩系数。铁钴合金:具有高的饱和服化强度，含钴35%的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。在WCo为50左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强度，高的初始磁导率和最大磁导率，通常称为Permendur合金。但铁钴合金的加工性能较差，为了改善其加工性能，通常加入V、Cr、Mo、W和Ti等元素。铁钴合金铁钴合金具有高的磁导和的Bs，适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备，制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等。但电阻率偏低，不适于高频场合的应用。但价格昂贵。此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，也是一种很好的磁致伸缩合金。四：粉心材料：将磁性材料制成粉末，在粉末颗粒之间加上绝缘物质，用压缩成型的办法制成磁心，使用频率可以提高到几百MHz。粉芯产品示例三 历史发展以及如今发展水平中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。 11世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086年梦溪笔谈记载了指南针的制作和使用。10991102年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。 软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末，是伴随着电力电工及电讯技术的兴起而出现的，其应用范围极其广泛。软磁材料不仅应用于家电领域、信息化领域、汽车领域和其他配套领域,更主要的是软磁材料作为电子元器件生产的主要原材料为其带来了源源不断的需求。近年来，其市场需求量逐年上升，产品种类也日益增多，成为磁性材料行业发展的一大亮点。根据权威机构统计数据的显示，2004年中国软磁材料产量超过10万吨，实现销售收入约70亿元，其产量占全球磁性材料总产量的33%左右，而实现的销售收入则占全球磁性材料总销售收入的40%左右近十年来，世界、中国铁氧体磁性材料的发展速度分别高达10%和20%以上。据有关部门和专家预测，未来5年，世界磁性材料市场（含金属磁性材料、稀土永磁等）的年需求增长率约为15%，中国国内市场的年需求增长率将超过20%。市场需求的快速增长，促进了产能的快速扩张：截止到2005年底，全球永磁铁氧体磁性材料的产量将由2000年的72万吨递增到100多万吨，软磁铁氧体磁性材料的产量将由2000年的30万吨递增到50万吨左右；中国国内软磁铁氧体磁性材料的产量将由2000年的6万吨（含外资企业的产量）递增到10万吨左右。国内高性能永磁铁氧体磁性材料（相当于日本TDK产品的FB4和FB5及以上系列）的需求占永磁铁氧体磁性材料总需求的比例将由2000年的40%左右（不足6万吨）增至2005年的70%以上（约15万吨）高性能软磁铁氧体磁性材料（相当于日本TDK产品的PC40和H5C2及以上系列）的需求占软磁铁氧体磁性材料总需求的比例将由2000年的10%以下增至2005年的30%以上（PC40及以上2万吨，H5C2及以上1万吨）。20世纪40年代，荷兰J.L.斯诺伊克发明电阻率高、高频特性好的铁氧体软磁材料。40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料非晶态软磁合金。目前由于软磁铁氧体具有广阔的发展前景和可预期的市场潜力，从而成为世界各国铁氧体公司开发和研究的重点。权威机构对全球软磁行业的评估认为，世界软磁铁氧体需求量的平均增长速度在今后几年中将继续保持在10%15%的水平。由此可以看出，开发具有自己独立知识产权的可批量生产的综合性能好的软磁铁氧体材料并迅速占领市场已经成为各个公司的当务之急。本文在对软磁材料，特别是软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势进行综合分析之后，指出了一些研究和开发人员在材料研究中普遍容易忽视的问题。四 当前主流产品简述4.1非晶/纳米晶软磁材料及其应现代 电 力 、电子的仪器设备正朝着小型化、轻量化的方向发展，这种小型化、轻量化是科技发展的需求，而且对于军用装备来说尤为重要。在 电子 装 备中，部分无源器件如电阻、电容等已实现平面化，可以大幅度减轻质量和减小体积，但对于功率器件如电感器、变压器等，尤其是在大功率条件下，因工艺技术所限，实现平面化技术难度较大，这就要求从器件材料角度出发，利用新型材料所具有的高性能特点，来减小器件的体积和质量，如发展高饱和磁感应强度、高磁导率、低高频损耗的综合性能软磁材料。针对这类实际使用要求，软磁材料从Fe一Si合金、铁氧体发展到非晶材料及近年来发展起来的纳米晶(也称超微晶)软磁材料，特别是纳米晶软磁材料，因其综合性能大幅度的提高，为电子装备的小型化、轻量化提供了材料技术的基础。4.1.1 大功率中高频变压器在 20 一5 0k Hz频率范围内的变压器，以往一般采用铁氧体做变压器磁芯，由于制造工艺的限制，大功率变压器所需要的磁芯很难解决，不得不使用几个磁芯。纳米晶软磁材料具备的优异性能，为高频变压器的小型化、轻量化提供了理想材料。用纳米晶软磁材料制造的变压器具有以下优点!”:功率 大 : 当10- 2 0k W时，功率密度可达到15-20 kW/kg;漏感小:一般小于5 WH;效率高:可达到90%以上;体积小、质量轻:15 kW变压器的质量仅为3 kg左右，体积比铁氧体降低50%;温升小:由于纳米晶软磁材料的低损耗，可大幅度降低发热，从而提高变压器的使用可靠性。4.1.2 高频开关电源非 晶纳 米 晶软磁材料的薄带厚度和电阻率决定其最佳应用频率范围在kHz频带，这正好与目前的高频开关电源频带相同，高频开关电源就成了应用非晶纳米晶软磁材料应用的重要领域。这些磁性器件均为开关电源的核心元件，如功率变压器、电流互感器、共模电感、扼流圈、滤波电感、可饱和电感、尖峰信号抑制器和抗噪声干扰器等。我 国 已开 发出多种规格的非晶纳米晶材料的0型,C型、CD型等器件应用于开关电源变压器的磁芯，并广泛应用到了中频电源、逆变电源、程控交换机及逆变焊机等的电源变压器。4.1.3电磁兼容器件在现 代 电 子设备设计中，EMC电磁兼容)与EMI(抗电磁干扰)已越来越引起人们重视，解决这些问题的关键元件之一即是电感器件。对EMI器件中使用的电感器设计，人们在磁芯材料选用上曾做过很多探讨。选用价格低的硅钢和铁粉芯，其频率特性不佳，易发热，影响开关管工作;使用常规高性能铁氧体材料，其饱和磁感应强度和居里点低，需要增大磁芯尺寸与加大气隙;选用坡莫合金铁芯，成本则较高，而且大电流条件下使用时的性价比更高。因为这种电感器的工作频带在kHz级，非晶纳米晶材料正适合用于此频带。现在，通过改进工艺加工技术和热处理技术，研制出了有效磁导率9-从几十到几万的系列材料，可以满足不同的电感器件需要。4.1.3.1 共模滤波电感共模 滤 波 电感器为小信号工作状态，要求电感量越大越好。选用纳米晶软磁材料作共模滤波电感的磁芯，可以大大减小铁芯的尺寸，尤其是用于大电流、大功率工作状态下的磁芯，具有良好的性价比。例如，作为共模电感的磁芯，如果采用磁导率不到1万的铁氧体材料，其尺寸要比采用磁导率为8一10万的纳米晶材料大出8一10倍。4.1.3.2 尖峰抑制器尖 峰 抑制 器是开关电源中常用的抗噪声干扰器件，要求其中的电感器体积小、电感量大，过去一般采用高磁导率的Co基非晶材料制作其磁芯。但因Co的价格高，难于达到要求的性价比，之后开始选用Fe基纳米晶软磁材料，从而降低了成本。4.1.3.3 无间隙宽恒导电感材料及器件铁基 非 晶 无间隙宽恒导电感材料及器件是铁基非晶材料新的应用领域。用其制作的电感器件具有高频损耗低、磁导率高、饱和磁感高、磁芯尺寸小等特性。这种 材 料 和器件已广泛应用于SMPS,D C/DC、AC/DC,UPS等。4.1.4 高精度电流互感器电流 互 感 器的性能可以从三个方面来讨论，误差特性、绝缘特性和热特性，其中以误差特性最为重要。电流互感器应能准确地将一次电流变换为二次电流，保证测量精度或使保护装置正确地动作，因此电流互感器必须保证高准确度。对于 大 电 流、高精度的电流互感器，磁芯材料的磁特性是产生误差的一个很大的影响因素。以往较常用的材料是坡莫合金，但坡莫合金高晶的价格限制了其大规模应用，纳米晶软磁材料是目前最为理想的制造大电流、高精度电流互感器磁芯的材料。纳米晶软磁材料的高磁导率(初始磁导率E.co妻 60 000)和低损耗特性很好地满足了电流互感器的精度要求。磁 芯材 料 的温度稳定性对测量精度有很大的影响。对纳米晶软磁材料进行温度稳定性研究发现，在工作磁感应强度低于0.8 T 、使用温度低于120时，磁芯的A值随温度的升高而略有增加，这有利于减小互感器的测量误差。近几年来，国内有关单位开展了电流互感器纳米晶软磁磁芯的研制生产工作，所生产的纳米晶软磁电流互感器不仅质量要比坡莫合金轻1/3,而且精度可达0.2 s级水平。4.1.5 高频电流取样器高频 电 流 取样器由于其使用频带宽、测量精度高，用常规软磁材料难于满足其全频段幅值和相位的高精度测量，通常用适合于不同频段的几种软磁材料制作电流取样器，进行分频段测试，这不但大幅度地增加了测量仪器的质量和体积，设备操作不便，且对测试精度有着较大的影响。通过 对 纳 米晶软磁材料的成分及处理工艺进行设计和调整，用该种材料制备的纳米晶软磁磁芯制作高频电流取样器，其性能与国外同类产品相当。非 晶/ 纳 米晶软磁材料具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低高频损耗等性能特点，是综合软磁性能最为优越的一类软磁材料。用非晶/纳米晶软磁材料制作的器件具有质量轻、体积小、性能高等优点，在大功率中高频变压器、高频开关电源、电磁兼容器件、高精度电流互感器、巨磁阻抗传感器等中得到了广泛的应用，是软磁材料的又一个发展方向和热点。五 我国软磁材料发展误区和发展趋势软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末，是伴随着电力电工及电讯技术的兴起而出现的，其应用范围极其广泛，尤其是在变压器、电感器、EMI滤波器、偏转线圈等产品上更是具有不可替代的作用。近年来，其市场需求量逐年上升，产品种类也日益增多，成为磁性材料行业发展的一大亮点。目前，中国已加入WTO，民族软磁工业面临着新的机遇与挑战，一方面是国内企业间低层次的竞争愈演愈烈，另一方面是国外软磁巨人的大规模入侵，如何在夹缝中求得更好的生存和发展空间成为行业发展的焦点。由于数字通信技术和光线通信的快速发展，在通信领域中大量使用的各种电源变压器，多数工作在低磁通密度下，这时材料的磁导率就起到了主要作用。另外，由于高磁导率软磁铁氧体材料具有密度高、硬度高、耐磨性好及晶粒不易剥落的优点，还是很好的磁头材料。国内年用量达数千吨，直接产值达几亿元，技术含量高，附加值高，市场竞争很激烈。由于以上原因，高磁导率软磁材料一直是国内外软磁材料研究的重点，有很大的市场需求，高磁导率软磁材料的研究开发方兴未艾。在实验室，软磁铁氧体材料的初始磁导率已经突破40000，软磁合金的磁导率更高，可超过100000，但真正实用材料的性能远低于此。因为高磁导率材料除了应具有很高的起始磁导率外，还应有高的居里温度，高的温度稳定性，低的磁导率减落系数，低的比损耗系数及宽的频带等，所以在提高磁导率的同时还要兼顾其它参数，使材料性能达到一个很好的平衡。现今工业生产中铁氧体材料的磁导率很难超过20000，绝大多数工厂生产的材料磁导率在10000左右，而合金材料的磁导率数值可达到8000，甚至更高。目前我国软磁材料的工业大生产和国外有不小的差距，原材料和工艺的稳定性较差，生产设备比较落后，需要我们不断努力，尽早赶上世界先进水平。软磁铁氧体材料是品种最多、应用最广的一类磁性功能材料，也是铁氧体材料中发展最早的一类材料。自从1935年荷兰Philip实验室研究开发成功至今已有将近七十年的历史，其性能也已得到了很大的改进和提高。由于这类材料具有高的本征电阻率，所以在交流条件下具有许多金属软磁材料所无法比拟的优越性且价格低廉，并可制成各种形状的磁芯，因此，在高频区一般都使用软磁铁氧体材料。用这类材料制成的磁芯被广泛应用于通信、广播、电视、自动控制、航天技术、计算机技术、电子设备及其它IT产业中来制作各种类型的电感器、变压器、扼流圈、抑制器和滤波器等器件。 软磁铁氧体材料和软磁铁氧体磁芯统称软磁铁氧体，长期以来软磁铁氧体产量的增长是建立在其生产技术和应用技术共同发展的基础之上的。电子技术的飞速发展，对软磁铁氧体器件，如电感器、变压器、滤波器等不断提出了各种新的要求，这种要求促进了软磁铁氧体的发展，如适应开关电源向高频化发展的高频低功耗功率铁氧体材料，适应光纤通信和数字技术发展的宽频带变压器和抗干扰扼流圈用的高磁导率与宽频带铁氧体材料，同时具有高与高Bs的材料（双高材料），适应高清晰度和大屏幕显示器发展的偏转线圈和回扫变压器用高频低损耗功率材料，以及适应表面贴装技术发展的平面电感器和变压器用低烧结温度和低热阻的铁氧体材料等等，就是生产和应用技术共同发展的最直接结果。在开发和研究过程中，由于软磁铁氧体材料和磁芯的研究始终结合在一起，从而形成了由各种软磁铁氧体材料制成的各种形状的磁芯，所有这些材料及磁芯的不同组合可以具有各种不同的性能、特点和用途，以满足各种需求。 目前由于软磁铁氧体具有广阔的发展前景和可预期的市场潜力，从而成为世界各国铁氧体公司开发和研究的重点。权威机构对全球软磁行业的评估认为，世界软磁铁氧体需求量的平均增长速度在今后几年中将继续保持在10%15%的水平。由此可以看出，开发具有自己独立知识产权的可批量生产的综合性能好的软磁铁氧体材料并迅速占领市场已经成为各个公司的当务之急。本文在对软磁材料，特别是软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势进行综合分析之后，指出了一些研究和开发人员在材料研究中普遍容易忽视的问题。1 软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势 一般地，从应用角度来分，软磁铁氧体材料主要分为功率材料和高磁导率材料两大类，为适应世界电子技术发展的需要，这两类铁氧体材料都已经得到了很大的发展，并且它们各自的分类也越来越细。现代功率铁氧体材料也主要分为两大类：一类主要用于高频开关电源，即所谓高频低功耗材料；另一类主要用于高清晰度彩色电视机和显示器，即所谓偏转磁芯（Deflection Yoke）。我国在1997年发布的SJ/T1766-1997软磁铁氧体材料分类行业标准中，按工作频率的不同把功率铁氧体材料分成了PW1PW5五类：PW1材料的工作频率为15100kHz；PW2的为25200kHz；PW3的为100300kHz；PW4的为0.31MHz；PW5的为13MHz。目前，国内的大多数企业都已经能大批量生产出相当于PW1PW3的材料，部分企业也已经研究开发出了相当于PW4和PW5的材料，并且这些材料在各方面的性能指标也都已经基本上达到甚至超过了国外同类产品的先进水平，但对此类产品能实现大批量生产的企业还为数不多。 自日本TDK公司在国际上最早批量生产各种软磁铁氧体磁芯以来，因其特殊的地位，即它既是铁氧体软磁磁芯材料的生产者，同时又是各种软磁铁氧体磁芯器件的开发和使用者，所以，无论从材料的开发上，还是材料的应用上，它一直主导着世界软磁铁氧体的发展趋势。有关铁氧体方面的新材料、新工艺、新技术，以至新的应用领域大都是由TDK公司首先推出的，世界各大铁氧体生产企业也都在紧跟TDK的发展步伐，但是近年来TDK的领先地位已受到世界其它大铁氧体生产公司的挑战。开关电源变压器中很早就开始使用软磁功率铁氧体MnZn材料，随着开关电源工作频率的不断提高，这种功率铁氧体材料的发展也已经历了四代。最初，为适应开关电源市场的需要，TDK于70年代初开发出了第一代功率铁氧体材料如HC35。由于这种材料的功耗较大，只能用在中心工作频率为20kHz左右的民用开关电源中，因此，TDK于80年代初开发出了第二代功率铁氧体材料如H7C1（PC30），这种材料的特点是其功耗温度系数为负值，即随着温度的升高，功耗呈下降趋势，且中心工作频率也已提高到了100kHz左右。日本TDK公司于80年代最早开发了使用频率可达300kHz（中心频率为100kHz）的第三代功率铁氧体材料如H7C4（PC40），但由于当时磁芯的工作频率普遍低于50kHz，只需采用PC30或相当于PC30的材料就能满足使用要求，因此这种材料的发展比较缓慢。到80年代后期，开关电源的工作频率已提高到了250kHz左右，由于PC40对工作频率为数百kHz的开关电源特别适用，因此在工业类开关电源中得到了广泛的应用。进入90年代中期，电子工程的发展对磁芯变压器的工作频率范围不断提出了更高的要求，其目的是想通过减小磁路的体积和重量的方法来减小使用电感元件的系统的体积（重量），以使这类器件小型化、片式化，从而为更小体积的电子线路的发展提供保证。TDK开发的第四代功率铁氧体材料如H7F（PC50）的中心工作频率可达500kHz以上，满足了开关电源进一步对轻、小、薄的需要，并被认为是今后功率铁氧体材料的发展方向。随后，Philips公司推出了可用至2MHz的3F4，今年又推出了可用至4MHz的3F5材料，其4F1材料（NiZn）可用至410MHz。以前人们普遍认为，PC50材料在几年以后才可能会有市场，但从目前的发展趋势来看，业界对PC50材料已经有需求，可见其市场基本已经起动。在90年代，日本TDK还开发成功了PC44、PC45、PC46及PC47材料，其功率损耗比PC40材料降低了约1/41/3，在f=100kHz，Bm=200mT的条件下，其功率损耗均在300kW/m3以下，甚至可到250kW/m3左右；在f=100kHz，Bm=200mT，T=100的条件下，PC40、PC44和PC47三者的功耗分别为410、300和250kW/m3。 学术界普遍认为，今后，开关电源用功率MnZn铁氧体材料主要有两大发展趋势：一是继续向超低功耗方向发展，目前这类材料已经系列化，其典型代表如日本TDK公司的PC40、PC44、PC45、PC46及PC47等。世界其它各大铁氧体公司也纷纷加紧开发并相继推出了自己的PC40或相当于PC40的铁氧体材料及系列产品，如FDK的6H10和6H20、Philips公司的3C90、Tokin公司的BH2及Siemens公司的N92等等。当前开关电源主流产品的工作频率为100300kHz，在TDK推出PC44后，Siemens、FDK、Philips、Tokin等公司也分别推出了N97、6H40（以及6H41和6H42）、3C91（以及3C94和3C96）和BH1等相当于PC44性能的材料牌号。二是继续向高频化方向发展，如可用至1MHz的日本TDK公司的PC50材料和可用至4MHz的荷兰Philips公司的3F5材料等等。另外，开关电源的工作频率也已经有向300500kHz发展的趋势，相应的满足工作频率为0.51MHz的开关电源用功率铁氧体材料如PC50也已商品化，在80100，500kHz，50mT下，磁芯损耗已经达到80100kW/m3的水平，Siemens在2002年最新公布的新N49材料在此条件下的功率损耗已经达到4060kW/m3的水平1。为适应市场需要，现在，世界各主要铁氧体生产企业生产的功率铁氧体材料的性能已基本上可以覆盖从25kHz4MHz的频率范围，如Siemens公司的N49，其工作频率为300kHz1MHz，N92和N97为25500kHz，N59为5001500kHz；Philips的3F3可用到200500kHz的频率范围，3F35可用至500kHz1MHz，3F4及3F45可用至12MHz，3F5为24MHz；FDK的7H10和7H20可用至500kHz1MHz，Tokin的B40也可用至500kHz1MHz等等。超过4MHz，则需使用NiZn材料，如Philips公司可用至10MHz的4F1材料等。可以看出，今后功率铁氧体材料研究开发的重点仍然是向小型化、高频化、低损耗化方向发展，同时要求材料应具有更高的室温及高温Bs、更好的直流叠加特性及温度特性等等。 高磁导率铁氧体材料也经历了类似的发展历程，60年代德国Siemens公司的研究人员就在实验室制得初始磁导率i=40000的材料，尽管其TC只有40，实用价值不大，但是至今仍保持着最高的i记录。日本TDK公司早在1986年就在过去生产的H5C2（i104）的基础上成功地开发出了商品化的系列高磁导率MnZn铁氧体材料如H5D（i15000）和H5E（i18000）等，但这两种材料的适用频率范围分别低于50kHz和10kHz，高频特性很差，因而大大限制了其应用范围。随着电子技术的发展，在抗电磁干扰噪声滤波器、电子电路宽带变压器、综合业务数据网（ISDN）、局域网（LAN）、宽域网（WAN）、背景照明等领域中需要大量频率特性优良的高磁导率MnZn铁氧体材料，为此，日本TDK于1994年成功开发出i=13000，使用频率可达100kHz的MnZn铁氧体材料H5C3，1995年又在文献上公布研制成功i=23000的材料2；在其2000年年度报告中称开发成功了超高磁导率材料H5C5，但未公布其具体的性能参数，直到2001年10月19日，才在其最新产品目录中公布了这种材料的具体指标，在10kHz，10mV，10匝下其i=3000030%。在其它指标与H5C3相差不大的情况下，其相对损耗因子tg/ui15106，比H5C3大近一倍（H5C3为7106），这种材料目前主要用于宽带变压器，并且其规格仅限于36mm的环形产品，可以认为是专门针对特殊用途而开发的一种新材料。当然，国际其它大公司也都推出了对应牌号的材料及产品来应对市场的发展。 在高磁导率材料方面，当前