软磁材料的进展及发展趋势.ppt

,软磁材料的研究进展与发展趋势,软磁材料：当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。,软磁材料适宜制造电磁铁、变压器、交流发电机、继电器、电机、以及各种高频电磁元件的磁芯、磁棒等。,磁芯,继电器,1,2,3,金属软磁材料,以硅钢片、坡莫合金、仙台合金等为代表，包括Fe系、Fe-Si系、Fe-Al系、Fe-Ni系、FeSiAl系、FeCo系、FeCr系等,晶体软磁材料,铁氧体软磁材料，如MnZn系、NiZn系和MgZn系,非晶、纳米晶软磁材料,Fe基和Co基两种非晶软磁材料；Finemet；,特点,研究方向,高、高Bs、高Tc、高可靠的优点，电阻率低，多以薄带加绝缘介质绕制成磁芯。,缺点,使用频率低，其最佳使用频率范围不超过20kHz；其组成中含有大量镍，故也价格较高。,近年来，经过改进工艺，薄带厚度已降到0.005mm，其使用频率也相应提高到几百kHz乃至MHz。但使用频率还有待提高，从而达到更好的应用范围。,研究方向,具有高、高Bs、高Tc的特点，而且价格低廉,硅钢片是工频变压器的主要材料，用量很大，损耗较大。,现在广泛采用冷轧取向工艺，性能有所提高，其损耗明显降低。但是在生产工艺上还是有待提高，提高其性能，或者将工频至中频所有的硅钢片被铁基非晶纳米晶软磁材料所替代，达到更好的经济效益。,铁氧体,MnMgZn铁氧体,NiCuZn铁氧体,NiZn铁氧体,六角晶系铁氧体,MnZn铁氧体,高磁导率的MnZn铁氧体目前我国可大量生产磁导率为1000015000的MnZn铁氧体。主要用于制造ISDN、PHS等系统中使用的宽带脉冲变压器。,功率MnZn铁氧体在低磁通密度下，特别是在高Q谐振回路中，十分适合采用高和Q的MnZn铁氧体，典型的例子是模拟载波通信，近代更多的是用在高磁通密度的情况，此时必须采用高磁通密度下损耗仍然很低的功率MnZn铁氧体。,高温高Bs高MnZn铁氧体在高温环境下仍能保持高Bs和高的MnZn铁氧体是当前的发展方向之一。主要应用于在高温环境下的感性元器件，如汽车和LCD用的转换变压器等。,高直流偏置MnZn铁氧体随着高速局域网的快速扩充，一种宽帯脉冲变压器成为热门元件。制造这种变压器需要一种能够在高直流偏置状态下仍能保持优良性能的MnZn铁氧体，这种材料有待好好研究开发。,MnZn铁氧体软磁材料,总谐波失真系数低的MnZn铁氧体xDSL的调制解调器所使用的变压器必须具有很低的THD特性。为了满足这一要求，开发了总谐波失真系数(THD)低的MnZn铁氧体材料。,MnMgZn铁氧体MnMgZn铁氧体由于具有较高的磁导率和低损耗而大量用于偏转线圈。通过研究已使得MnMgZn铁氧体在较高的温度下功耗达到较低水平。,MnZn铁氧体软磁材料,NiZn铁氧体软磁材料,常规NiZn铁氧体软磁材料系列NiZn铁氧体的主要特征是细晶粒及多孔性，因而其适用频率范围比MnZn铁氧体高。其需要做的工作是改进工艺、降低成本方面。,射频宽带用NiCuZn铁氧体软磁材料抑制电磁干扰的感性元件需要延伸到临界频率之上的很宽的频率范围，制造这类感性元件所用的铁氧体的频谱曲线应当具有在临界频率之上的很宽的频帯中及保持高数值的特征。NiCuZn铁氧体软磁材料能够具备这样的特征。,低温铁结NiCuZn铁氧体磁粉抑制电磁干扰的感性元件需要延伸到临界频率之上的很宽的频率范围，制造这类感性元件所用的铁氧体的频谱曲线应当具有在临界频率之上的很宽的频帯中及保持高数值的特征。NiCuZn铁氧体软磁材料能够具备这样的特征。,六角晶系铁氧体软磁材料,面各向异性的六角晶系铁氧体是优秀的射频软磁材料，以Z型和Y型为主。可用于2GHz电感磁芯或磁珠。清华大学周济教授领导的科研团队已将Co2Z做成了低温烧结铁氧体磁粉，并用于制造GHz叠层型片式磁珠，获得了国家发明专利。,非晶合金软磁材料,非晶合金是将熔融的一定组分的金属液体(俗称钢水)以每秒钟超过100万摄氏度的速度急速冷却，使金属原子来不及排列成晶格，而以杂乱无序或短程有序的状态堆积在一起，形成非晶合金凝聚态，因此，该材料也称之为金属玻璃。,非晶合金软磁材料具有优异的磁性能，而且耐腐蚀、耐磨、韧性好、不容易破碎。其最佳使用频率为kHz级，其缺点主要是只能以带材卷绕方式制成磁芯，因而大多为环形，难以制造形状较复杂的磁芯。,非晶合金软磁材料,铁基非晶合金软磁材料该材料的主要成份为铁硅硼，由基体金属Fe，以及非金属Gi和B组成，后者的主要作用是降低合金形成非晶态的临界冷却速度,易于得到非晶态。铁基非晶材料的突出优点是铁损低。其典型的饱和磁感Bs1.50T，矫顽力Hc5000(1kHz)，最大磁导率200000，功耗P130-cm，居里温度Tc410，密度D接近于7.2g/cm3。最佳应用是替代硅钢制作配电变压器铁芯,达到节能目的。,非晶合金软磁材料,铁镍基非晶合金软磁材料该材料的主要成份为铁镍硅硼。铁镍基非晶材料的最佳适用频率较高，其范围为工频至30kHz。其典型的饱和磁感Bs0.5T，矫顽力Hc7000(1kHz)，最大磁导率200000，功耗P125-cm，居里温度Tc360，密度D约为7.5g/cm3。主要用于制造中频变压器、大功率电抗器及功率因素校正器等。,2019/12/12,17,可编辑,非晶合金软磁材料,钴基非晶合金软磁材料该材料的主要成份为钴铁硅硼。钴基非晶材料其磁导率随频率增高而下降的很快，因而不适于制作宽频带感性器件。另外，由于成份中有钴，因而成本较高。其磁致伸缩为零。主要用于制造高频变压器(相对工频而言)、脉冲变压器、磁放大器、功率因素校正器等。其典型饱和磁感Bs0.7T，矫顽力Hc100000(1kHz)，最大磁导率1000000，功耗P130-cm，居里温度Tc500，密度D8.0g/cm3。该材料的最佳适用频率范围可达100kHz。,纳米晶软磁合金是利用液体急冷法制作的非晶质合金,并使其结晶化,由于这种晶化可使其晶粒达10nm微细化的程度,所以看到的结晶磁化各向异性非常小,这样就可实现了优良的磁特性。,FINEMET是由尺寸为1020nm的磁性颗粒与非晶态介质构成的复合体，其磁晶各向异性常数及磁致伸缩系数同时近似为零。因此，它呈现出了其它软磁材料所不具备的独特性能，它能够同时具有高饱和磁感Bs、高磁导率、高居里温度Tc及很低的损耗。,FINEMET,饱和磁感Bs1.45T，接近铁基非晶合金的水平；,相对磁导率为100000(1kHz)，达到了钴基非晶合金的水平；,居里温度Tc570，与钴基非晶合金相当，远高于Mn-Zn铁氧体的居里温度；,电阻率115-cm，功耗P为280kW/m3(Bm=0.2Tf=100kHz），达到了钴基非晶合金的水平；,高Bs纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B合金的磁性与以前的材料磁性进行的比较,FINEMET其最佳适用频率范围超不过500kHz，且其磁导率随频率增高下降的很快，不适于制作宽频带感性器件。而Mn-Zn铁氧体则可用于更高的频率范围，且其磁导率随频率的变化曲线相当平坦，FINEMET的频率使用范围需要提高。,1,2,FINEMET在高温环境中使用此软磁材料时，其晶粒长大可能会超过纳米级而导致磁性变坏，因而需要考虑其在高温下的组织稳定性。,FINEMET适合于制作各种感性元器件，如高磁导率纳米晶合金适用于小型电感器、共模扼流圈、EMI滤波器、磁传感器及电磁波吸收等；矩形回线纳米晶合金适用于磁放大器、浪涌吸收器、高压脉冲变压器等；而低磁致伸缩纳米晶合金则适用于高频功率变压器、平滑扼流圈、高能RF加速腔加载磁环等。,1,2,新近科学界又发现纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用提供了良好的前景。,纳米晶Fe-M-B(M=Zr,Hf,Nb)系合金表现出具有1.5一1.7T的高Bs和3000以上的高导磁率。M元素对于高Bs性能的实现以及保持具有高的非晶质形成能力来说是必不可少的,但是另一方面,由于容易发生氧化,要在大气中通过液体急冷法来制造薄带是很困难的。为了实现进一步提高软磁特性的目标,对Nb含量为6at%的Fe-Nb-B-(Cu)合金进行了添加P的研究。,表2表示了在大气中制作的Fe-Nb-P-Cu合金的晶化后的平均晶粒直径(Dc)及磁性特性与以前的Fe-M-B合金的比较。,从表2中可以看出，纳米晶合金都有优良的软磁特性。表中显示，某些纳米晶合金既有较高的Bs值，同时拥有优良的软磁特性。通过有效地利用纳米晶合金良好的软磁特性及高的生产率,可以预期作为在电杆上变压器以及各种电力机器用磁心材料中能得到应用。,而目前，纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展。,铁磁性块体非晶合金取得进展,目前广泛应用于各类变压器铁芯材料中的铁基非晶软磁合金是传统的应用材料，采用非晶磁性合金材料作为芯体的传感器具有灵敏度高、频响好、功耗低和直流测量稳定性好等特点。但是传统铁基非晶合金饱和磁致伸缩低（小于4010-6），且受非晶形成能力的影响，只能制备出带材和丝材，应用领域受到限制。中科院宁波材料技术与工程研究所沈宝龙课题组通过大量实验研究，选择合适的铁基非晶合金体系和适量的稀土元素掺杂，成功探索发现具有大非晶形成能力和高饱和磁致伸缩的铁磁性块体非晶合金。该合金可制备出直径为4毫米的非晶合金棒材，其饱和磁致伸缩系数达到6510-6（图1），超过了任何已知铁基非晶合金所具有的最大磁致伸缩值。此外，该铁基块体非晶合