磁性材料..pdf

磁性材料磁性材料 1 我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质 把铁磁性物质称为强磁性物质 通 常所说的磁性材料是指强磁性物质 磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁 性材料 磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料 不容易去磁的物质叫硬磁性材料 一般 来讲软磁性材料剩磁较小 硬磁性材料剩磁较大 2 居里温度 Tc 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降 达到某一温度时 自发磁化消 失 转变为顺磁性 该临界温度为居里温度 它确定了磁性器件工作的上限温度 3 磁导率 o o真空磁导率 4 10 7H m r o r o为介质相对磁导率 空 气的相对磁导率近似等于 1 相对磁导率小于 1 的介质称为抗磁介质 如铜和铝 相对磁 导率稍大于 1 的介质称为顺磁介质 相对磁导率远大于的介质称为铁磁介质 4 磁粉芯的相对磁导率为几十到几百 铁氧体的相对磁导率一般几百到 几千 磁密 0 4 0 5T 硅钢的相对磁导率为几千 磁密 1 5 2T 坡莫合金的相对磁导率可到几十 万 磁密 0 6 1 5T 非晶材料的相对磁导率可到几百万 磁密 0 6 1 5T 金属磁粉芯饱和磁通密度 0 6 1 5T 纯铁饱和磁通密度 1 2 1 8 5 B B 磁通密度或磁感应强度 特斯拉 T H H 磁场强度 安培 米 A m 磁通量 BS BSBS BScos 韦伯 Wb 磁导率或绝对磁导率 亨 米 H m L L 电感量 亨 H 6 1T 1 104Gs 磁导率 B H B H 矩形比Br BsBr Bs BrBr 剩余磁通密度BsBs 饱 和磁通密度 比值越接近 1 说明剩磁越高 越适合做永磁材料 比值越接近 0 说明剩磁 越低 越适合做软磁材料 7 软磁材料 具有较小的矫顽磁力 磁滞回线较窄 一般用来制造电机 电器 变压 器等的铁芯 常用的有铸铁 硅钢 坡莫合金 铁氧体等 磁导率硅钢 纯铁 钢 硬磁材料 具有较大的矫顽力 磁滞回线较宽 一般用来制造永久磁铁 8 当H H 磁场强度 很大并继续增大时 由于B B 磁通密度 会饱和 相对磁导率 r r 就会快速下降 降到很小的时候就可以认为B B饱和了 当H H为 0 时的相对磁导率 r r乘以 真空磁导率 o o就是初始磁导率 也就是说 磁通密度和磁导率是相对的关系 一 硬磁 永磁 材料一 硬磁 永磁 材料 永磁材料有合金 铁氧体和金属间化合物三类 合金类 包括铸造 烧结和可加工合金 铁氧体类 主要成分为 MO 6Fe2O3 M 代表 Ba Sr Pb 或 SrCa LaCa 等复合组分 金属间化合物类 主要以 MnBi 为代表 稀土永磁材料 钕铁硼 Nd2Fe14B 钐钴 SmCo 铝镍钴 AlNiCo 1 稀土永磁材料1 稀土永磁材料 粘结钕铁硼粘结钕铁硼 Bonded NdFeB 粘结钕铁硼是将钕铁硼粉末与树脂 塑胶或低熔点金属等粘结剂均匀混合 然后用压缩 挤压或注射成型等方法制成的复合型钕铁硼永磁体 产品一次成形 无需二次加工 可直接 做成各种复杂的形状 粘结钕铁硼的各个方向都有磁性 可以加工成钕铁硼压缩模具和注塑 模具 精密度高 磁性能极佳 耐腐蚀性好 温度稳定性好 烧结钕铁硼烧结钕铁硼 Sintered NdFeB 烧结钕铁硼永磁体经过气流磨制粉后冶炼而成 矫顽力值很高 且拥有极高的磁性能 其最大磁能积 BHmax 高过铁氧体 Ferrite 10 倍以上 其本身的机械性能亦相当之好 可 以切割加工不同的形状和钻孔 高性能产品的最高工作温度可达 200 由于它的物质含量容易导致锈蚀 所以根据不同要求必须对表面进行不同的凃层处理 如镀锌 镍 环保锌 环保镍 镍铜镍 环保镍铜镍等 非常坚硬和脆 有高抗退磁性 高成本 性能比例 不适用于高工作温度 200 注塑钕铁硼注塑钕铁硼 Zhusu NdFeB 有极高之精确度 容易制成各向异性形状复杂的薄壁环或薄磁体 铝镍钴铝镍钴 铝镍钴 AlNiCo 是最早开发出来的一种永磁材料 是由铝 镍 钴 铁和其它微量金 属元素构成的一种合金 根据生产工艺不同分为烧结铝镍钴 Sintered AlNiCo 和铸造铝 镍钴 Cast AlNiCo 产品形状多为圆形和方形 铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和 形状 与铸造工艺相比 烧结产品局限于小的尺寸 其生产出来的毛坯尺寸公差比铸造产品 毛坯要好 磁性能要略低于铸造产品 但可加工性要好 在永磁材料中 铸造铝镍钴永磁有 着最低可逆温度系数 工作温度可高达 600 以上 铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪 表和其他应用领域 钐钴钐钴 钐钴 SmCo 依据成份的不同分为 SmCo5 和 Sm2Co17 分别为笫一代和笫二代稀土永磁 材料 由于其原材料十分稀缺 价格昂贵而使其发展受到限制 钐钴 SmCo 作为第二代稀 土永磁体 不但有着较高的磁能积 14 28MGOe 和可靠的矫顽力 而且在稀土永磁系列中 表现出良好的温度特性 与钕铁硼相比 钐钴更适合工作在高温环境中 200 2 烧结铁氧体2 烧结铁氧体 烧结铁氧体 Sintered Ferrite 的主要原料包括 BaFe12019 和 SrFe12019 依据磁晶的取 向不同分为等方性和异方性磁体 由于其低廉的价格和适中的磁性能而成为目前应用较为广泛的一种磁体 铁氧体磁铁是通过 陶瓷工艺法制造而成 质地也比较坚硬 也属脆性材料 由于铁氧体磁铁有很好的耐温性及 价格低廉 已成为应用较为广泛的永磁体 橡胶磁橡胶磁 橡胶磁 Rubber Magnet 是铁氧体磁材系列中的一种 由粘结铁氧体料粉与合成橡胶 复合经挤出成型 压延成型 注射成型等工艺而制成的具有柔软性 弹性及可扭曲的磁体 可加工成条状 卷状 片状及各种复杂形状 二 软磁材料 1 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 2 它的功能主要是导磁 电磁能量的转换与传输 因此 对这类材料要求有较高的磁导 率和磁感应强度 同时磁滞回线的面积或磁损耗要小 与永磁材料相反 其 Br 和 Hc 才越 小越好 但饱和磁感应强度 Bs 则越大越好 常用软磁磁芯的种类常用软磁磁芯的种类 1 铁 钴 镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元 按 主要成分 磁性特点 结构特点 制品形态分类 1 粉芯类 磁粉芯 包括 铁粉芯 铁硅铝粉芯 高磁通量粉芯 High Flux 坡莫合金 粉芯 MPP 铁氧体磁芯 2 带绕铁芯 硅钢片 坡莫合金 非晶及纳米晶合金 2 软磁铁氧体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 包括尖晶石型 M O Fe2O3 M 代表 NiZn MnZn MgZn Li1 2Fe1 2Zn CaZn 等 磁铅石型 Ba3Me2Fe24O41 Me 代表 Co Ni Mg Zn Cu 及其 复合组分 软磁铁氧体分为以下九种 纯铁和低碳钢 铁硅系合金 铁铝系合金 铁硅铝系合金 镍铁系合金 铁钴系合金 软磁铁氧体 非晶态软磁合金 超微晶软磁合金 1 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 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 2Fe 3 M2 OH MO Fe2O3 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 10 13 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 NH 3 NH4HCO3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 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 700 800 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 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 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 铁粉芯铁粉芯 常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成 在粉芯中价格最低 饱和磁感应强 度值在 1 4T 左右 磁导率范围从 22 100 初始磁导率 i随频率的变化稳定性好 直流电流 叠加性能好 但高频下损耗高 铁粉芯初始磁导率随直流磁场强度的变化 铁粉芯初始磁导 率随频率的变化 坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯 MPP 及高磁通量粉芯 High Flux MPP 是由 81 Ni 2 Mo 及 Fe 粉构成 主要特点是 饱和磁感应强度值在 7500Gs 左右 磁导率范围大 从 14 550 在粉末 磁芯中具有最低的损耗 温度稳定性极佳 广泛用于太空设备 露天设备等 磁致伸缩系数 接近零 在不同的频率下工作时无噪声产生 主要应用于 300kHz 以下的高品质因素 Q 滤波 器 感应负载线圈 谐振电路 在对温度稳定性要求高的 LC 电路上常用 输出电感 功率 因素补偿电路等 在 AC 电路中常用 粉芯中价格最贵 高磁通粉芯 HF 是由 50 Ni 50 Fe 粉构成 主要特点是 饱和磁感应强度值在 15000Gs 左右 磁导率范围从 14 160 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度 最高的直流偏压能力 磁芯体积小 主要应用于线路滤波器 交流电感 输出电感 功率因素校正电路等 在 DC 直流 电路中常用 高 DC 偏压 高直流电和低交流电上用得多 价格低于 MPP 铁硅铝粉芯 Kool M Cores 铁硅铝粉芯 Kool M Cores 铁硅铝粉芯由 9 Al 5 Si 85 Fe 粉构成 主要是替代铁粉芯 损耗比铁粉芯低 80 可在 8kHz 以上频率下使用 饱和磁感在 1 05T 左右 导磁率从 26 125 磁致伸缩系数接 近 0 在不同的频率下工作时无噪声产生 比 MPP 有更高的 DC 偏压能力 具有最佳的性 能价格比 主要应用于交流电感 输出电感 线路滤波器 功率因素校正电路等 有时也替 代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用 软磁铁氧体 Ferrites 软磁铁氧体 Ferrites 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 Mn Zn 铁氧体的电阻率低 为 1 10 欧姆 米 一般在 100kHZ 以下的频率使用 Cu Zn Ni Zn 铁氧体的电阻率为 102 104 欧姆 米 在 100kHz 10 兆赫的无线电频段的损耗小 多用在无线电用天线线圈 无 线电中频变压器 由于软磁铁氧体不使用镍等稀缺材料也能得到高磁导率 粉末冶金方法又适宜于大批量 生产 因此成本低 又因为是烧结物硬度大 对应力不敏感 在应用上很方便 而且磁导率 随频率的变化特性稳定 在 150kHz 以下基本保持不变 随着软磁铁氧体的出现 磁粉芯的 生产大大减少了 很多原来使用磁粉芯的地方均被软磁铁氧体所代替 以 Mn Zn 铁氧体为例介绍其应用状况 分为三类基本材料 电信用基本材料 宽带及 EMI 材料 功率型材料 电信用铁氧体 Mn Zn 铁氧体 的磁导率从 750 2300 具有低损耗因子 高品质因素 Q 稳定的磁导率随温度 时间关系 是磁导率在工作中下降最慢的一种 约每 10 年下降 3 4 广泛应用于高 Q 滤波器 调谐滤波器 负载线圈 阻抗匹配变压器 接近传感器 宽带铁氧体也就是常说的高导磁率铁氧体 磁导率分别有 5000 10000 15000 其特 性为具有低损耗因子 高磁导率 高阻抗 频率特性 广泛应用于共模滤波器 饱和电感 电流互感器 漏电保护器 绝缘变压器 信号及脉冲变压器 在宽带变压器和 EMI 上多用 功率铁氧体具有高的饱和磁感应强度 为 4000 5000Gs 另外具有低损耗 频率关系和低损 耗 温度关系 也就是说 随频率增大 损耗上升不大 随温度提高 损耗变化不大 广泛 应用于功率扼流圈 并列式滤波器 开关电源变压器 开关电源电感 功率因素校正电路 硅钢片铁芯硅钢片铁芯 硅钢片是一种合金 在纯铁中加入少量的硅 一般在 4 5 以下 形成的铁硅系合金称 为硅钢 该类铁芯具有最高的饱和磁感应强度值为 20000Gs 由于它们具有较好的磁电性能 又易于大批生产 价格便宜 机械应力影响小等优点 在电力电子行业中获得极为广泛的应 用 如电力变压器 配电变压器 电流互感器等铁芯 是软磁材料中产量和使用量最大的材 料 也是电源变压器用磁性材料中用量最大的材料 特别是在低频 大功率下最为适用 高 频下损耗急剧增加 一般使用频率不超过 400Hz 从应用角度看 对硅钢的选择要考虑两方面的因素 磁性和成本 对小型电机 电抗器 和继电器 可选纯铁或低硅钢片 对于大型电机 可选高硅热轧硅钢片 单取向或无取向冷 轧硅钢片 对变压器常选用单取向冷轧硅钢片 在工频下使用时 常用带材的厚度为 0 2 0 35 毫米 在 400Hz 下使用时 常选 0 1 毫米厚度为宜 厚度越薄 价格越高 坡莫合金坡莫合金 坡莫合金常指铁镍系合金 镍含量在 30 90 范围内 是应用非常广泛的软磁合金 通 过适当的工艺 可以有效地控制磁性能 比如超过 105的初始磁导率 超过 106的最大磁导 率 低到 2 奥斯特的矫顽力 接近 1 或接近 0 的矩形系数 具有面心立方晶体结构的坡莫 合金具有很好的塑性 可以加工成 1 m 的超薄带及各种使用形态 常用的合金有 1J50 1J79 1J85 等 1J50 的饱和磁感应强度比硅钢稍低一些 但磁导率比硅钢高几十倍 铁损也 比硅钢低 2 3 倍 做成较高频率 400 8000Hz 的变压器 空载电流小 适合制作 100W 以 下小型较高频率变压器 1J79 具有好的综合性能 适用于高频低电压变压器 漏电保护开 关铁芯 共模电感铁芯及电流互感器铁芯 1J85 的初始磁导率可达十万 105 以上 适合于 作弱信号的低频或高频输入输出变压器 共模电感及高精度电流互感器等 3 非晶及纳米晶软磁合金 Amorphous and Nanocrystalline alloys 硅钢和坡莫合金软磁材料都是晶态材料 原子在三维空间做规则排列 形成周期 性的点阵结构 存在着晶粒 晶界 位错 间隙原子 磁晶各向异性等缺陷 对软磁性能不 利 从磁性物理学上来说 原子不规则排列 不存在周期性和晶粒晶界的非晶态结构对