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第4章软磁材料 衡量软磁材料的重要指标 提高起始磁导率的途径 金属软磁材料 铁氧体软磁材料 非晶及纳米晶软磁材料 本章讲述的主要内容 能够迅速响应外磁场的变化 且能低耗损地获得高磁感应强度的材料 4 1衡量软磁材料的重要指标 起始磁导率高 矫顽力HC小 饱和磁感应强度MS高 磁损耗小 稳定性好 4 2提高起始磁导率的途径 降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数 S 改善材料的显微结构 降低内应力 提高饱和磁化强度MS MS很难调整 效果不明显 是最有效的方法 从配方和工艺上使K1 0 S 0 FeNi合金 降低杂质和气孔的含量 增大晶粒尺寸 材料的织构化 MnZn合金 4 3金属软磁材料 电工纯铁 硅钢 坡莫合金 其它软磁合金 4 3 1电工纯铁 指纯度在99 8 以上的铁是最早 最常用的纯金属软磁材料 面心立方 体心立方 结构与磁性的变化 相结构随温度和压力变化 结构和磁性随温度变化 相结构的变化导致磁性变化 Fe C相图 含碳量影响磁性能 c增加 主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用 Cu Mn Si N O S等也会对软磁性能产生不利影响 max减少 Hc上升 电工纯铁的主要用途 磁铁的铁芯和磁极 继电器的磁路和各种零件 感应式和电磁式测量仪表的各种零件 扬声器的磁路 电话中的振动膜 电机中用以导引直流磁通的磁极 冶金原料 电工用纯铁主要用于制造 4 3 2硅钢 电工纯铁只能在直流磁场下工作 在交变磁场中 涡流损耗大 电阻率 涡流损耗 硅钢也称硅钢片或电工钢片碳的质量分数 c在0 02 以下 硅的质量分数为1 5 4 5 的Fe合金 在纯铁中加入硅 形成固溶体 这样 硅钢的性能 冷轧无取向硅钢片 评价和用途 添加适量硅 K s 铁损 因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料 主要用于 扼流圈 各种形式的电动机 发电机和变压器 电磁机构 继电器 测量仪表 已经成为用量最大的磁性材料 4 3 3坡莫合金 坡莫合金源于英文permalloy是指镍的质量分数为30 90 的镍铁合金 坡莫合金具有很高的磁导率 成分范围宽而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节 坡莫合金中含有Ni 因此磁学特性优于硅钢价格贵于硅钢 合金成分与磁学特性 急冷是防止Ni3Fe相析出 典型成分 在 Ni为75 83 的范围内 具有最佳的综合软磁性能 Ni在81 附近 磁致伸缩系数 s 0 Ni在76 附近 磁各向异性常数K 0 但是 饱和磁通密度较低 Ni又是高价金属材料所以通常采用 Ni为40 50 的坡莫合金通过退火除杂后 具有高磁通 较高磁导率可以满足实用要求 坡莫合金的用途 高磁导率的铁芯材料磁屏蔽材料恒磁导率脉冲变压器各种矩磁合金热磁合金磁致伸缩合金 坡莫合金主要用于 4 3 4其他软磁合金 铁铝合金 铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料 通过调解铝的含量 可以获得满足不同要求的软磁材料 高的磁导率高的电阻率高的饱和磁致伸缩系数高的硬度 强度和耐磨性 铁铝合金价格低廉 常作为铁镍合金的替代品 其主要用于磁屏蔽 小功率变压器 继电器 微电机 讯号放大铁芯 超声波换能器元件 磁头等 铁硅铝合金 又称仙台斯特合金 是1932年在日本仙台被开发出来的成分为Fe 9 6Si 5 4Al在该成分时 合金的磁致伸缩系数 s和磁各向异性常数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材料比较理想 铁钴合金 铁钴合金具有高的饱和磁化强度 在 Co为35 时 最大饱和磁化强度达到2 45T 在 Co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 铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯 极头材料 航空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等 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 4 4铁氧体软磁材料 软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的这类材料具有窄而长的磁滞回线 矫顽力HC小 既容易获得磁性 也容易失去磁性 软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性 故饱和磁化强度MS较金属低 但比金属软磁的电阻率 要高得多 因此具有良好的高频特性 在弱电高频技术领域 软磁铁氧体具有独特的优点 广泛地应用于有线通讯 无线通讯 广播 电视 航天技术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等 其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段 发展最早 应用最广的一类铁氧体材料 软磁铁氧体材料类别 软磁铁氧体材料主要包括MnZn NiZn MgZn等尖晶石型铁氧体以及Co2Y Co2Z等平面六角型铁氧体 在1MHz频率下 锰锌铁氧体应用极广 其磁滞损耗低 在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高 起始磁导率 i高 且价格低廉 在1 100MHz范围内 镍锌铁氧体应用最广 因为Ni2 不易变价 电阻率高 适用于作高频软磁材料 且频带宽 由于镍的价格较高 在频率低于30MHz的情况下 可以用价格便宜的镁锌铁氧体来代替 只是性能稍差一些 软磁铁氧体主要应用方向 由于晶体结构的限制 立方晶系铁氧体的使用频率大体上仅能在数百兆赫之下 几百兆赫到数千兆赫的高频软磁材料基本上是以平面型六角晶系铁氧体为主 现代软磁铁氧体材料发展的主要方向 高磁导率材料 i 104 用于宽频带变压器 低频变压器 小型环形脉冲变压器和微型电感器等 高饱和磁感应强度低功耗材料 又称功率铁氧体 用于开关电源 电视机偏转磁芯及U型磁芯 4 5非晶及纳米晶软磁材料 晶态与非晶态 晶态与非晶的原子排布 晶态与非晶的能垒模型 4 5 1非晶态软磁材料 作为磁性材料 磁导率高 矫顽力低 原子排布为长程无序 短程有序 不存在位错及晶粒边界 加热具有结晶化倾向 电阻率比晶态材料高 机械强度较高且硬度较高 电阻率高 涡流损耗小 所以 非晶态材料拥有优良的综合软磁性能 非晶态材料的特征 典型的非晶态磁性材料 其中T为Fe Co R为Gd Tb Dy Nd等 例如 GdTbFe TbFeCo等 光磁记录材料 3d过渡金属 T 非金属系 其中T为Fe Co Ni等 非金属为B C Si P等 例如Co Fe B Si非晶薄带 音频磁头等 Fe Si 磁芯材料 Fe78Si10B12 高磁致伸缩材料 3d过渡金属 T 金属系 其中T为Fe Co Ni等 金属为Ti Zr Nb Ta等 例如 Co Nb Zr系溅射薄膜 Co Ta Zr系溅射薄膜 VTR磁头 薄膜磁头 过渡金属 T 稀土类金属 R 系 非晶态材料的制备方法 气体 液体 非晶体 晶体 高能粒子注入 平衡 获得非晶态的途径用空心箭头标出 非晶材料的制备方法 气相沉积 液相急冷 高能粒子注入 非晶材料制备方法通常有 非晶软磁材料的应用 铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1 3 在电力工业中应用可以显著地降低损耗 但由于成本较高 目前尚难以大量取代传统的材料 现在在下列方面获得应用 高功率脉冲变压器 航空变压器 开关电源 环型非晶电感线圈 4 5 2纳米晶软磁材料 1988年 Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金 Finemet 此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感应强度和钴基非晶合金的高磁导率 低损耗 并且是成本低廉的铁基材料 铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展 目前已经开发或正在开发研究的系统有Fe Cu M Si B M为Nb Ta Mo W Zr Hf等 Fe M C和Fe M V M为Ta等耐热金属 系等纳米晶软磁材料 晶粒尺寸与矫顽力的关系 纳米晶软磁发明之后 才全面认识到晶粒尺寸与矫顽力的关系 纳米晶与铁氧体 非晶性能对比 各类软磁材料性能比较 Co基非晶合金 纳米微晶Fe M B基合金 Mn Zn铁氧体 Fe基非晶合金 硅钢 纳米微晶Fe Si B Nb Cu合金 50 20 10 5 2 1 0 5 0 2 0 1 104 0 5 0 1 5 1 0 2 0 3 0 2 5 i BS T 坡莫合金 纳米晶软磁的制备和应用 制备纳米晶软磁材料的主要方法是非晶晶化法 先利用溶体急冷法 RS 获得非晶条带 而后在略高于非晶晶化温度下退火一定时间 使之纳米晶化 纳米晶软磁材料正沿着高频 多功能方向发展 其应用领域遍及软磁材料应用的各方面如 功率变压器 脉冲变压器 高频变压器 可饱和电抗器 互感器 磁屏蔽 磁头 磁开关和传感器等 Fe73 5Cu1Nb3Si13 5B9非晶合金晶化过程示意图 富铜区 非晶相 fccCu bccFe Si 非晶相 bccFe Si fccCu