磁性材料——研究生课程

1、1.磁学基础知识2.软磁材料3.永磁材料4.应用1.磁学基础知识磁学基础知识1.1基本磁学量磁场强度： Hi /D 对于一个直径为D的单匝环形线圈，当通一电流i时中心处磁场强度。磁化强度：M=/V 单位体积的磁体中磁矩的矢量和。磁感应强度：B=/ 单位面积磁通量的变化。磁化率：=M/H 单位磁场强度在磁体中感生的磁化强度。磁导率：=B/H 单位磁场强度在磁体中感生的磁感应强度。1.2磁性参量初始磁导率：最大磁导率：饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。矫顽力Hc：是表示材料磁化难

2、易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。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。HBHi00lim1max0max)(1HB1.3磁性和磁性材料的分类 所有的物质都具有磁性，但并不是所有的物质都能作为磁性材料来应用。有些物质具有很强的磁性，而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少一部分物质能够作为磁性材料来应用。物质的磁性分类 按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将物质的磁性分为五个种类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。磁性材料分类磁性材料分类 从实用的观点出发

3、，磁性材料可以分为以下几类：软磁材料、永磁材料、磁记录材料等.1.4磁性材料中的基本现象磁晶各向异性定义：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。*磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。Ni单晶的磁化曲单晶的磁化曲线线*易磁化方向（易轴）易磁化方向（易轴）；难磁化方向（难轴）；难磁化方向（难轴）磁晶各向异性起源*晶体场电子轨道角动量淬灭电子的轨道运动失去了自由状态下的各向同性，变成了与晶格相关的各向异性电子云分布各向异性。*电子的自旋运动与轨道运动之间存在耦合作用电子轨道运动随自旋取向发生变化。磁晶各向异性来源模型磁晶各向异性来源模型（a）磁体水平磁化时

4、，电子云交叠少，交换作用弱（b）磁体垂直磁化时，由于L-S耦合作用，电子云随自旋取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用强定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化。磁致伸缩效应磁致伸缩效应线磁致伸缩：纵向磁致伸缩、横向磁致伸缩体积磁致伸缩很小，可忽略磁致伸缩系数：ll/的大小与H的大小有关S：饱和磁致伸缩系数S0 正磁致伸缩； S0 负磁致伸缩*通过对材料施加拉应力或压应力，能引起材料的磁性能变化，即所谓的压磁效应，这是磁致伸缩的逆效应。*研究磁致伸缩的意义：（1）了解磁体内部各种相互作用的本质以及磁化过程与物体形变的关系；（2）根据材料的压磁效应原理制成许多有用的器件。

5、磁致伸缩机理*同磁晶各向异性的来源一样，由于原子或离子的自旋与轨道的耦合作用而产生。1.5 动态磁化动态磁化过程*静态磁化过程：磁场恒定，样品从一个稳定磁化状态转变到新的平衡状态。不考虑建立新的平衡过程的时间问题，因此称之为静态磁化过程。不可逆磁化导致磁滞现象，每个磁化状态都处于亚稳态，且磁化状态不随时间改变。*动态磁滞回线：铁磁体在周期性变化的交变磁场中时，其磁化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。在相同的磁场强度范围内，动态磁滞回线的面积比静态磁滞回线的面积要大些。原因：回线面积等于磁化一周所损耗的能量。静态仅有磁滞损耗；动态磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。*动态磁化曲线：频率不变，改

6、变磁场强度的大小，可得一系列动态磁滞回线，它们的顶点(Bm, Hm)连线称为动态磁化曲线。振幅磁导率：mmaHB0/如下图，回线为动态饱和磁滞回线，BS和HS则为饱和状态下饱和磁感应强度和相应的磁场强度，Br和HC为剩余磁感应强度和矫顽力。根据矫顽力大小分为：硬磁材料：Br要高；Hc要高；最大磁能积(BH)m要高；从实用角度考虑，稳定性要高。软磁材料：i和max要高；Hc要小；Bs要高；功率损耗要低；稳定性高。磁化曲线磁化曲线磁滞回线磁滞回线剩余磁感应强度矫顽力矫顽力初始磁导率最大磁导率饱和磁感应强度*磁化的时间效应表现为以下几种不同的现象：磁化的时间效应表现为以下几种不同的现象：1) 1)

7、磁滞现象磁滞现象：交变磁场中的磁化是动态过程，有时间效应。交变磁场中的磁化是动态过程，有时间效应。2) 2) 涡流效应涡流效应：动态磁化中，铁磁材料内部会形成涡流。涡动态磁化中，铁磁材料内部会形成涡流。涡流的产生将抵抗流的产生将抵抗B B的变化，从而使磁化产生时间滞后效应。的变化，从而使磁化产生时间滞后效应。3) 3) 磁导率的频散和吸收现象磁导率的频散和吸收现象：交变磁场中，畴壁位移或交变磁场中，畴壁位移或磁畴转动受到各种不同性质的阻尼作用，导致复数磁导率随磁磁畴转动受到各种不同性质的阻尼作用，导致复数磁导率随磁场频率变化。场频率变化。4) 4) 磁后效磁后效：当当H H发生突变时，发生突变

8、时，B B的变化需经过一定的时间才能的变化需经过一定的时间才能稳定下来。这种现象是由于磁化过程本身或热起伏的影响，引稳定下来。这种现象是由于磁化过程本身或热起伏的影响，引起材料内部磁结构或晶体结构的变化。起材料内部磁结构或晶体结构的变化。*在交变磁场中，以上四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗。在交变磁场中，以上四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗。动态磁性参数动态磁性参数复数磁导率复数磁导率* *好处：可同时反映好处：可同时反映B B和和H H间的振幅和相位关系。间的振幅和相位关系。timeHH)(timeBB iiHBmmsincos0代表单位体积铁磁材料中的磁能存储代表单位体积铁磁材料中的磁

9、能存储2021H 代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗20mH 损耗角损耗角磁谱与截止频率磁谱与截止频率fr磁谱：铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部和虚磁谱：铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部和虚部随频率变化的关系曲线。部随频率变化的关系曲线。截止频率：在材料的磁谱曲线上，截止频率：在材料的磁谱曲线上， 下降到初始值的下降到初始值的一半或一半或 达到极大值时所对应的频率。达到极大值时所对应的频率。物理意义：它给出了磁性材料能够正常工作的频率范围物理意义：它给出了磁性材料能够正常工作的频率范围* *当当f f= =f fr

10、r时，时， 达到最大值达到最大值，损耗最大，此时材料无法使用，所损耗最大，此时材料无法使用，所以一般软磁材料的工作频率应选择低于它的截止频率。以一般软磁材料的工作频率应选择低于它的截止频率。* * i i越低，其越低，其f fr r越高，因此要提高材料的高频应用范围，降低材越高，因此要提高材料的高频应用范围，降低材料的起始磁导率是一个有效的手段。料的起始磁导率是一个有效的手段。品质因数品质因数Q*Q值反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。值反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。损耗因子损耗因子tan 物理意义：铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。物理意义：铁磁材料

11、在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。Q1tan Q积积*对软磁材料，总是希望其对软磁材料，总是希望其Q值越高越好，值越高越好， 值越大越好，常用值越大越好，常用 Q积来表征软磁材料的技术指标。积来表征软磁材料的技术指标。*或用或用tan /表示，称为软磁材料的比损耗系数，反映材料的相表示，称为软磁材料的比损耗系数，反映材料的相对损耗大小。对损耗大小。* *和和可通过交流电桥法进行测量；可通过交流电桥法进行测量；Q Q值可以用交流电桥或值可以用交流电桥或Q Q表表测量得到；测量得到；tantan 可以通过交流电桥、可以通过交流电桥、Q Q表、测量位相差表、测量位相差 或测量或测量磁损耗的方法得

12、到。磁损耗的方法得到。磁损耗磁损耗定义：磁性材料在交变磁场中产生能量损耗。定义：磁性材料在交变磁场中产生能量损耗。磁滞损耗涡流损耗剩余损耗（残留损耗）磁滞损耗涡流损耗剩余损耗（残留损耗）* *在低频、弱场（在低频、弱场（B0.01TB0.01T）条件下，磁损耗为：条件下，磁损耗为：e e：涡流损耗系数；涡流损耗系数；a a：磁滞损耗系数；磁滞损耗系数；c c是不依赖于是不依赖于f f的常数，的常数，来自由磁后效或频散引起的损耗。来自由磁后效或频散引起的损耗。* *总损耗总损耗W W既决定于材料，也决定于交变磁场的既决定于材料，也决定于交变磁场的f f和和B Bm m, , 因此因此讨论讨论W

13、W指标时，应注明指标时，应注明f f和和B Bm m。涡流损耗涡流损耗* *涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流，涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流，因其流线呈闭合漩涡状而得名。因其流线呈闭合漩涡状而得名。f f越高，涡流越大。越高，涡流越大。* *涡流不能象导线中的电流那样输送出去，仅使磁芯发涡流不能象导线中的电流那样输送出去，仅使磁芯发热造成能量损耗。热造成能量损耗。* *一个周期内材料的涡流损耗一个周期内材料的涡流损耗* *如何降低涡流损耗？如何降低涡流损耗？（1 1）降低材料厚度）降低材料厚度d d（2 2）提高材料的电阻率）提高材料的电阻率 * *金属材料：

14、金属材料： 都较低，通常采用添加合金元素的方法；都较低，通常采用添加合金元素的方法；例子：例子：FeFe中加入少量中加入少量SiSi，可增加磁导率，降低矫顽力，提高，可增加磁导率，降低矫顽力，提高 * *铁氧体材料：铁氧体材料： 很高，适合在高频技术领域应用。很高，适合在高频技术领域应用。磁滞损耗磁滞损耗* *若在磁化过程中只存在磁滞损耗，则回线的面积在数若在磁化过程中只存在磁滞损耗，则回线的面积在数值上就等于每磁化一周的磁滞损耗的数值。值上就等于每磁化一周的磁滞损耗的数值。* *降低降低W Wa a的方法：的方法：减小材料的矫顽力减小材料的矫顽力回线变窄回线变窄面积减小面积减小剩余损耗剩余损

15、耗* *低频弱场中，主要是磁后效损耗。低频弱场中，主要是磁后效损耗。* *高频情况下，主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗、高频情况下，主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗、自然共振损耗。自然共振损耗。 HdBWa2.软磁材料软磁材料定义：定义：能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料得高磁感应强度的材料。特点：特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。* *对软磁材料的基本要求有：对软磁材料的基本要求有：（1 1）初始磁导率）初始磁导率 i i和最大磁导率和最大磁导率 maxmax要高；要高；（2 2）矫顽力

16、）矫顽力H Hc c要小；要小；（3 3）饱和磁感应强度）饱和磁感应强度M MS S要高；要高；（4 4）功率损耗）功率损耗P P要低要低; ;（5 5）高的稳定性。）高的稳定性。*主要的软磁材料：主要的软磁材料：（1 1）金属软磁材料如工业纯铁）金属软磁材料如工业纯铁、硅钢（硅钢（Fe-SiFe-Si）、）、坡莫合坡莫合金（金（Fe-NiFe-Ni）、）、铁硅铝合金（铁硅铝合金（Fe-Si-AlFe-Si-Al）；）；（2 2）软磁铁氧体）软磁铁氧体Mn-ZnMn-Zn系、系、Ni-ZnNi-Zn系等；系等；（3 3）非晶态、纳米晶、薄膜等）非晶态、纳米晶、薄膜等。*发展史：发展史：（1 1

17、）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域。各领域。优点：优点：其其M MS S远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是电机等至今仍是Fe-SiFe-Si合金材料。合金材料。缺点：缺点：涡流损耗限制了其在高涡流损耗限制了其在高频段的应用。频段的应用。（2 2）2020世纪世纪4040年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。 50 50年代至年代至9090年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。（3 3）19

18、701970年，年，Fe-Ni-BFe-Ni-B非晶态合金研制成功；非晶态合金研制成功； 1988 1988年，年，Fe-Ni-B-Nb-CuFe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料纳米微晶软磁材料问世；问世； 90 90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁氧体的新的竞争对手。步成为软磁铁氧体的新的竞争对手。 优点：优点：性能上远优于铁氧体；性能上远优于铁氧体；缺点：缺点：性价比性价比上尚处于劣势。上尚处于劣势。2.1金属软磁材料金属软磁材料2.1.1 电工纯铁电工纯铁* *纯度在纯度在99.8%99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素

19、以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。* *制备方法：平炉冶炼时，首先用氧化渣除去碳、硅、制备方法：平炉冶炼时，首先用氧化渣除去碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，并在出钢时在钢包锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，并在出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。经过退火热处理中添加脱氧剂获得。经过退火热处理 i i（300500300500）, , maxmax（600012000600012000）, , H HC C（39.895.539.895.5）* *含碳量是影响磁性能的主要因素。含碳量是影响磁性能的主要因素。除碳方法：高温用除碳方法：高温用H H2 2处理除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻处理

20、除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻碍作用。碍作用。*电工纯铁存在时效现象电工纯铁存在时效现象原因：原因：高温时铁固溶体内溶解有较多的碳或氮，产品快速高温时铁固溶体内溶解有较多的碳或氮，产品快速冷却到室温时，溶解度减小，冷却到室温时，溶解度减小，FeFe3 3C C或或FeFe4 4N N由固溶体中以细由固溶体中以细微弥散形式析出，从而微弥散形式析出，从而H HC C增加，增加， i i降低。降低。消除方法：消除方法：保温后，采用缓慢冷却到保温后，采用缓慢冷却到100-300100-300的退火措施，的退火措施，这样在这样在650-300650-300之间之间FeFe3 3C C有足够的时间析出有

21、足够的时间析出、长大为对磁长大为对磁性能影响不大的大颗粒夹杂物。性能影响不大的大颗粒夹杂物。* *应用：应用：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感电磁铁的铁芯和磁极，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，扬声器的各种磁路，电话应式和电磁式测量仪表的各种零件，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。原料等。2.1.2硅钢（硅钢片或电工钢片）硅钢（硅钢片或电工钢片）* *在纯铁中加入少量硅，形成固溶体，这样提高了合金电阻在纯铁中加入少量硅，形成固溶体，这样提高了合金电阻率

22、，减少了材料的涡流损耗。率，减少了材料的涡流损耗。* *缺点：缺点：电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作时涡流损耗大。作时涡流损耗大。* *碳的质量分数在碳的质量分数在0.0.0202以下，硅的质量分数为以下，硅的质量分数为1.51.5-4.5-4.5。常温下，。常温下，SiSi在在FeFe中的固溶度大约为中的固溶度大约为1515，但，但Fe-SiFe-Si系合系合金随金随SiSi含量的增加加工性能变差（变脆），因此硅质量百含量的增加加工性能变差（变脆），因此硅质量百分含量分含量5 5为一般硅钢制品的上限。为一般硅钢制品的上限。* *随硅含

23、量的增加，不足之随硅含量的增加，不足之处在于：处在于：B BS S和和T TC C降低；好处：降低；好处：K K1 1 和和 S S 降低降低 i i增加，增加，H HC C降低，降低， 增加增加降低铁损降低铁损2.1.3坡莫合金坡莫合金* *19131913年被开发出来，镍的质量分数为年被开发出来，镍的质量分数为3030-90-90的镍铁合金。的镍铁合金。* *优点：优点：很高的磁导率，成分范围宽，而且磁性能可通过改变很高的磁导率，成分范围宽，而且磁性能可通过改变成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。* *缺点：缺点：B BS S低，

24、低，NiNi是高价金属。是高价金属。* * NiNi：757583%83%范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范围范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范围时时B BS S较低。较低。* *应用：应用：可用作在弱磁场下具有很高可用作在弱磁场下具有很高 的铁芯材料和磁屏蔽材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；还可用作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等。可用作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等。2.1.4其它软磁合金其它软磁合金* *应用：应用：由于价格优势，常用作由于价格优势，常用作Fe-NiFe-Ni合

25、金的替代品合金的替代品。铁铝合金铁铝合金* *优点：优点：价格低；通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的价格低；通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料；合金具有较高的电阻率；具有较高的硬度、强度和耐软磁材料；合金具有较高的电阻率；具有较高的硬度、强度和耐磨性；合金密度低，可减轻元件重量；对应力不敏感，适于在冲磨性；合金密度低，可减轻元件重量；对应力不敏感，适于在冲击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。铁硅铝合金铁硅铝合金* *19321932年在日本仙台被开发出来，因此又称为仙台斯特合金，年在日本仙台被开发出

26、来，因此又称为仙台斯特合金，成分为成分为FeFe9.6Si9.6Si5.4Al5.4Al。该成分时，。该成分时， K K1 1和和 S S几乎同时趋几乎同时趋于零，且具有高于零，且具有高 和低和低H HC C。不需要高价的不需要高价的CoCo和和NiNi，且电阻率且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。* *应用：应用：直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料、直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料、电话受话器的振动膜片，磁致伸缩材料。电话受话器的振动膜片，磁致伸缩材料。铁钴合金铁钴合金* *优点：优点：高的高的M MS S；

27、CoCo5050，同时有高的同时有高的M MS S， i i， maxmax* *缺点：缺点：加工性能较差；电阻率低，不适合在高频场合用；加工性能较差；电阻率低，不适合在高频场合用；CoCo价格贵价格贵2.2 铁氧体软磁材料铁氧体软磁材料* *最早由荷兰菲利普实验室最早由荷兰菲利普实验室SnockSnock于于19351935年研制成功。其磁年研制成功。其磁性来源于亚铁磁性，故性来源于亚铁磁性，故M MS S较金属低，但比金属的较金属低，但比金属的 要高很多，要高很多，因此具有良好的高频特性。因此具有良好的高频特性。* *软磁铁氧体材料的特性要求（四高）：软磁铁氧体材料的特性要求（四高）：高高

28、 i i，高品质因数高品质因数Q Q，高（时间、温度）稳定性，高截止频率高（时间、温度）稳定性，高截止频率f fr r。* *除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。*按晶体结构进行分类：按晶体结构进行分类：* *MnZnMnZn铁氧休是具有尖晶石结构的铁氧休是具有尖晶石结构的mMnFemMnFe2 2O O4 4nZnFenZnFe2 2O O4 4与少量与少量FeFe3 3O O4 4组成的单相固溶体。组成的单相固溶体。* *低

29、频段应用极广（低频段应用极广（500500kHzkHz以下），优点：磁滞损耗低，相以下），优点：磁滞损耗低，相同磁导率情况下居里温度较同磁导率情况下居里温度较NiZnNiZn高，高， i i高高( (可达可达4 410104 4 1 110105 5) )，价格低廉。，价格低廉。* *NiZnNiZn铁氧体：高频软磁材料，铁氧体：高频软磁材料，1 1100100MHzMHz。1 1MHzMHz以下时，其以下时，其性能不如性能不如MnZnMnZn铁氧体，而在铁氧体，而在1 1MHzMHz以上时，优于以上时，优于MnZnMnZn铁氧体，铁氧体，因它具有多孔性及高电阻率。因它具有多孔性及高电阻率。*

30、 *特点：频带宽，体积小，重量轻；起步晚，与国外差距大；特点：频带宽，体积小，重量轻；起步晚，与国外差距大；NiNi价格高，小于价格高，小于3030MHzMHz时，可用时，可用MgZnMgZn铁氧体替代（性能稍铁氧体替代（性能稍差）。差）。2.3 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料* *特征：特征：（1 1）短程有序，长程无序；）短程有序，长程无序；（2 2）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；（3 3）电阻率比同种晶态材料高，适用高频）电阻率比同种晶态材料高，适用高频( (涡流损耗小涡流损耗小) )；（4 4）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶

31、化倾向；）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；（5 5）机械强度较高且硬度较高；）机械强度较高且硬度较高；（6 6）抗化学腐蚀能力强，抗）抗化学腐蚀能力强，抗 射线及中子等辐射能力强。射线及中子等辐射能力强。 2.3.1非晶态软磁材料非晶态软磁材料( (具有优良的综合磁性能具有优良的综合磁性能) )2.3.1.12.3.1.1非晶态软磁材料的结构和性能非晶态软磁材料的结构和性能* *目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：1) 31) 3d d过渡金属过渡金属( (T)T)非金属系。其中非金属系。其中T T为为FeFe，CoCo，NiNi等；非等；

32、非金属为金属为B B，C C，SiSi、P P等。等。铁基：铁基：B BS S较高；铁镍基：磁导率较高；钴基：适宜作为高频较高；铁镍基：磁导率较高；钴基：适宜作为高频开关电源变压器。开关电源变压器。2) 32) 3d d过渡金属过渡金属( (T)T)金属系。金属为金属系。金属为TiTi，ZrZr，NbNb，TaTa等。等。3) 3) 过渡金属过渡金属( (T)T)稀土类金属稀土类金属( (RE)RE)系。其中系。其中T T为为FeFe，CoCo；RERE为为GdGd，TbTb，DyDy，NdNd等。等。2.3.1.2制备与应用制备与应用非晶态：结晶化前的中间状态，亚稳态。冷却速度足够快且非晶态

33、：结晶化前的中间状态，亚稳态。冷却速度足够快且冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。制备方法：制备方法：气相沉积法气相沉积法晶态材料原子晶态材料原子（离解）（离解）气相气相（无规沉积）（无规沉积）到低温冷却基体上到低温冷却基体上形成非晶态形成非晶态此类技术主要有：此类技术主要有：真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等液相急冷法（大多采用此法）液相急冷法（大多采用此法）熔融合金熔融合金（用加压惰性气体）（用加压惰性气体）液态合金从石英喷嘴中喷出液态合金从石英喷嘴中喷出形成均匀的熔融金属细流形成均匀

34、的熔融金属细流连续喷射到高速旋转的冷却辊表连续喷射到高速旋转的冷却辊表面面液态合金以液态合金以10106 610108 8K/SK/S高速冷却形成非晶态高速冷却形成非晶态高能粒子注入高能粒子注入采用大功率高能粒子输入加热晶态材料表面，引起局部熔化采用大功率高能粒子输入加热晶态材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶态。并迅速固化成非晶态。高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄层非晶材料，常高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄层非晶材料，常用于改善表面特性。用于改善表面特性。* *铁基非晶带的损耗仅为传统铁基非晶带的损耗仅为传统Fe-SiFe-Si合金的合金的1/31/3，但由于成本，但由于成本

35、较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用。压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用。钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）2.3.2纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料19881988年，日本日立金属公司的年，日本日立金属公司的YashizawaYashizawa等人在非晶合金基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（础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（FinemetFinemet）。）。特点：高特点：高B BS S，高，高 i i，

36、低损耗，铁基原材料成本低廉；，低损耗，铁基原材料成本低廉； 晶粒尺寸减小，矫顽力降低晶粒尺寸减小，矫顽力降低* *目前已经开发或正在开发研究的系统：目前已经开发或正在开发研究的系统：Fe-Cu-M-Si-BFe-Cu-M-Si-B（M M为为NbNb，TaTa，MoMo，W W，ZrZr，HfHf等）等）Fe-M-CFe-M-C和和Fe-M-VFe-M-V（M M为为TaTa等耐热金属）等耐热金属）最著名的为最著名的为FinemetFinemet纳米微晶软磁材料，其组成为纳米微晶软磁材料，其组成为FeFe73.573.5CuCu1 1NbNb3 3SiSi13.513.5B B9 9，晶粒尺寸

37、约为晶粒尺寸约为1010nmnm。* *制备方法：非晶晶化法制备方法：非晶晶化法非晶条带，在略高于非晶晶化温非晶条带，在略高于非晶晶化温度下退火一度下退火一 定时间，使之纳米晶化。定时间，使之纳米晶化。3.永磁材料永磁材料定义：定义：被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留较强磁性的一类材料。较强磁性的一类材料。* *基本要求：基本要求：（1 1）B Br r要高；（要高；（2 2）H Hc c要高要高；（3 3）( (BHBH) )maxmax要高；要高；（4 4）材料稳定性要高。）材料稳定性要高。* *种类：种类：（1 1）金属永磁材料：）金属永磁材

38、料：Al-Ni-CoAl-Ni-Co系和系和Fe-Cr-CoFe-Cr-Co系永磁合金系永磁合金；（2 2）铁氧体永磁材料：以）铁氧体永磁材料：以FeFe2 2O O3 3为主要组元的复合氧化物强磁材为主要组元的复合氧化物强磁材料；特点：电阻率高，适合高频和微波领域应用；料；特点：电阻率高，适合高频和微波领域应用；（3 3）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合金间化合物，包括金间化合物，包括SmCoSmCo5 5系、系、SmSm2 2CoCo1717系以及系以及Nd-Fe-BNd-Fe-B系。系。特点：磁能积高，应用领域广泛。特

39、点：磁能积高，应用领域广泛。* *发展史：发展史：18801880年左右：碳钢，紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料；年左右：碳钢，紧接着又发现钨钢、钴钢等金属永磁材料；19311931年以来：年以来：Al-Ni-FeAl-Ni-Fe系磁钢系磁钢( (MKMK钢钢) )和和Al-Ni-CoAl-Ni-Co系磁钢，后者占系磁钢，后者占据主导地位一直到据主导地位一直到6060年代；年代；2020世纪世纪3030年代：铁氧体永磁材料，材料便宜，工艺简单，磁性能年代：铁氧体永磁材料，材料便宜，工艺简单，磁性能居中；同时居中；同时Fe-Cr-CoFe-Cr-Co永磁合金问世，改善了永磁合金问世，改善了A

40、l-Ni-CoAl-Ni-Co机械性能差机械性能差的缺点；的缺点；2020世纪世纪6060年代：年代：Sm-CoSm-Co系稀土永磁材料；系稀土永磁材料；2020世纪世纪8080年代：年代：Nd-Fe-BNd-Fe-B系稀土永磁材料；系稀土永磁材料；( (BH)BH)maxmax460KJ/m460KJ/m3 3，称为称为“磁王磁王”；近年来：纳米双相永磁材料，近年来：纳米双相永磁材料，RE(RE(稀土元素稀土元素)-)-Fe-NFe-N系永磁体。系永磁体。衡量永磁材料的重要指标衡量永磁材料的重要指标剩磁剩磁Br* *如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙中便如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁

41、极之间的空隙中便产生恒定磁场（气隙磁场），对外界提供有用的磁能。产生恒定磁场（气隙磁场），对外界提供有用的磁能。* *撤去外加磁场后，在退磁场作用下，永磁体将工作在撤去外加磁场后，在退磁场作用下，永磁体将工作在磁滞回线的第二象限。所以永磁材料性能的好坏，应该磁滞回线的第二象限。所以永磁材料性能的好坏，应该用退磁曲线上的有关物理量来表征。剩磁用退磁曲线上的有关物理量来表征。剩磁B Br r，矫顽力矫顽力H HC C，最大磁能积最大磁能积( (BH)BH)maxmax等。等。* *永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。永磁体由于磁路中存在空隙，因此处于开路应用状态。此时工作点在退磁场作用

42、下由此时工作点在退磁场作用下由B Br r点移到点移到D D点，所以剩磁点，所以剩磁应该等于应该等于B Bd d （表观剩磁）。表观剩磁）。* *工作点工作点D D和坐标原点和坐标原点O O的连线的连线OPOP称为开路磁导线，称为开路磁导线，OPOP的的斜率称为磁导系数。斜率称为磁导系数。NHBPdd110矫顽力矫顽力HC* *两种定义两种定义：CBHCMH)(0HMB* *第二象限中，第二象限中，H0H0，所以所以B-HB-H退磁曲退磁曲线将位于线将位于 0 0M-HM-H退磁曲线下方退磁曲线下方CBCMHH * *当当B=0B=0时，时，rCBMMHrCB0BH * 的最高值不可能超过材料

43、的剩磁值。的最高值不可能超过材料的剩磁值。CBH最大磁能积最大磁能积(BH)max* *若永磁体的尺寸比取若永磁体的尺寸比取( (BHBH) )maxmax的形状，则能保证永磁体的形状，则能保证永磁体单位体积的磁场能为最大。单位体积的磁场能为最大。注：不同形状对应退磁场不同，磁能积不同。注：不同形状对应退磁场不同，磁能积不同。* *可根据可根据( (BHBH) )maxmax确定各种永磁体的最佳形状。确定各种永磁体的最佳形状。( (BHBH) )maxmax越越高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积越小；在相同高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积越小；在相同体积下，体积下，( (BHBH) )m

44、axmax越高的永磁体获得的磁场越强。越高的永磁体获得的磁场越强。注：注：( (BHBH) )maxmax是评价永磁体强度的最主要指标。是评价永磁体强度的最主要指标。稀土永磁体稀土永磁体( (BHBH) )maxmax450KJ/m450KJ/m3 3；普通磁钢；普通磁钢( (BHBH) )maxmax8KJ/m8KJ/m3 3* *在矩形磁滞回线中，理论值：在矩形磁滞回线中，理论值：* *上式成立的条件：上式成立的条件：（1 1）剩余磁化强度）剩余磁化强度M Mr r= =M MS S（2 2）内禀矫顽力）内禀矫顽力2/CMSMH 4)()(20maxSMBH稳定性稳定性* *受到温度、外磁

45、场、冲击、振动等外界因素影响时，受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时，有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。有关磁性能在长时间使用过程中保持不变的能力。* *变化率：变化率：%100ZZCdrHBBZ或,3.1金属永磁材料金属永磁材料特点：特点：H HC C高高根据形成高根据形成高H HC C的机理，可将金属永磁材料分为：的机理，可将金属永磁材料分为：3.1.1淬火硬化型磁钢淬火硬化型磁钢碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。碳钢、钨钢、铬钢、钴钢和铝钢等。* *通过高温淬火手段，把已经加工过的零件中的原始奥氏体通过高温淬火手段，把已经加工过的零件中的原始奥氏体组织转变为马氏体组织来获

46、得高组织转变为马氏体组织来获得高H HC C。缺点：矫顽力和磁能积比较低，这类永磁体己很少使用。缺点：矫顽力和磁能积比较低，这类永磁体己很少使用。3.1.2析出硬化型磁钢析出硬化型磁钢三类：三类：Fe-CuFe-Cu系合金；系合金；Fe-CoFe-Co系合金；系合金；AlNiCoAlNiCo系合金系合金* *后者为金属永磁材料中最主要，应用最广泛的一类后者为金属永磁材料中最主要，应用最广泛的一类* *AlNiCoAlNiCo磁钢：主要成分为磁钢：主要成分为FeFe、NiNi、AlAl，再加入，再加入CoCo、CuCu或或MoMo、TiTi等适当热处理等适当热处理各向同性的永磁合金，经磁场热各向

47、同性的永磁合金，经磁场热处理或定向结晶处理处理或定向结晶处理各向异性永磁合金各向异性永磁合金* *高高H HC C的机理：铁磁性析出粒子的形状各向异性的机理：铁磁性析出粒子的形状各向异性，* *spinodalspinodal分解相变过程分解相变过程* *后者为非磁性相，前者为铁磁性相，以单畴微粒子的形后者为非磁性相，前者为铁磁性相，以单畴微粒子的形式析出，产生形状各向异性高式析出，产生形状各向异性高H HC C* *AlNiCoAlNiCo合金硬度高，很难加工，通常采用铸造方式加工，合金硬度高，很难加工，通常采用铸造方式加工，熔化采用高频感应炉。熔化采用高频感应炉。3.1. 3 时效硬化型永

48、磁合金时效硬化型永磁合金* *通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高通过淬火、塑性变形和时效硬化的工艺获得高H HC C。* *优点：机械性能较好优点：机械性能较好*分类：分类：（1 1） 铁基合金铁基合金 包括包括CoMoCoMo、FeWCoFeWCo、FeMoCoFeMoCo合金合金 缺点：磁能积较低；用途：电话接收机缺点：磁能积较低；用途：电话接收机（2）FeMnTi和和FeCoV合金合金 特点：磁性能相当于低特点：磁性能相当于低CoCo钢，但不需要战略资源钢，但不需要战略资源CoCo 应用：指南针、仪表零件应用：指南针、仪表零件 特点：时效硬化永磁合金中性能较高的一种特点：时效硬化永

49、磁合金中性能较高的一种 应用：微型电机、录音机磁性零件应用：微型电机、录音机磁性零件（3）铜基合金铜基合金 种类：种类：CuNiFeCuNiFe、CuNiCoCuNiCo两种两种 应用：测速仪和转速计应用：测速仪和转速计（4）Fe-Cr-Co系永磁系永磁合金合金 特点：主要应用的另一类金属硬磁合金。磁性能相当于特点：主要应用的另一类金属硬磁合金。磁性能相当于中等性能的中等性能的A1NiCoA1NiCo永磁合金，但可进行变形加工，机械加工，永磁合金，但可进行变形加工，机械加工，制成管材、片材或线材等。制成管材、片材或线材等。 应用：应用：扬声器、电度表、转速表、陀螺仪扬声器、电度表、转速表、陀螺

50、仪、空、空气滤波器气滤波器、磁显示器磁显示器3.1.4 有序硬化型永磁合金有序硬化型永磁合金* *种类：种类：AgMnAlAgMnAl、CoPtCoPt、FePtFePt、MnAlMnAl、MnAlCMnAlC合金合金* *特点：高温下处于无序状态，经适当的淬火和回火后，特点：高温下处于无序状态，经适当的淬火和回火后，由无序相中析出弥散分布的有序相，提高由无序相中析出弥散分布的有序相，提高H HC C。* *应用：磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达应用：磁性弹簧、小型仪表元件、小型磁力马达* *FePtFePt合金：耐腐蚀性合金：耐腐蚀性3.2 铁氧体磁材料铁氧体磁材料* *主要为六角晶系的

51、磁铅石型铁氧体主要为六角晶系的磁铅石型铁氧体* *化学式：化学式：MOMO x xFeFe2 2O O3 3 M=Ba M=Ba，SrSr，CaCa，PbPb等等 实用化的有实用化的有BaOBaO 6Fe6Fe2 2O O3 3，SrOSrO 6Fe6Fe2 2O O3 3等等* *缺点：综合磁性能较低缺点：综合磁性能较低* *优点：性价比高；工艺简便成熟；抗退磁性能优良；不优点：性价比高；工艺简便成熟；抗退磁性能优良；不存在氧化问题。存在氧化问题。* *目前约占永磁材料总产值的目前约占永磁材料总产值的4040。* *分类：各向同性永磁；各向异性永磁（分类：各向同性永磁；各向异性永磁（成型时施

52、加外磁成型时施加外磁场，使颗粒的易磁化轴定向排列，材料的剩磁和磁能积得场，使颗粒的易磁化轴定向排列，材料的剩磁和磁能积得到到大大大大提高提高）。）。* *应用领域：电机应用领域：电机(50%)(50%)，电声，电声(20(20) )，测量与控制器件，测量与控制器件(20%)(20%)，其余，其余(10(10) )。3.3 稀土永磁材料稀土永磁材料* *由稀土元素由稀土元素RERE与过渡金属与过渡金属TMTM（FeFe，CoCo等）形成等）形成RERE：1515个，个，LaLa，CeCe，PrPr，NdNd，PmPm，SmSm，EuEu，GdGd，TbTb，DyDy，HoHo，ErEr，TmTm

53、，YbYb，LuLu常把第常把第IIIIII副族元素钪副族元素钪(Sc)(Sc)和钇和钇(Y)(Y)也列入稀土元素之中。也列入稀土元素之中。 概述概述* *稀土合金的优势：原子磁矩大；稀土合金的优势：原子磁矩大；K K1 1、 s s大；结构为六角晶大；结构为六角晶系和四方晶系，具强烈的单轴各向异性。系和四方晶系，具强烈的单轴各向异性。* *分类：第一代稀土永磁材料分类：第一代稀土永磁材料 6060年代开发，年代开发，SmCoSmCo5 5 第二代稀土永磁材料第二代稀土永磁材料 7070年代开发，年代开发，SmSm2 2CoCo1717 优点：永磁性能好，优点：永磁性能好，(BH)(BH)ma

54、xmax大大 缺点：原材料供应和价格问题（缺点：原材料供应和价格问题（CoCo，SmSm储量少）储量少） 第三代稀土永磁材料第三代稀土永磁材料 19831983年开发，年开发，NdNd2 2FeFe1414B(B(四四方方) ) 特点特点：1 1、磁性能高，、磁性能高，2 2、价格属中下水平，、价格属中下水平，3 3、力学、力学 性能好，性能好，4 4、T TC C低，温度稳定性差，化学稳定性欠佳低，温度稳定性差，化学稳定性欠佳3.3.1 Co基稀土永磁材料基稀土永磁材料* *系列：系列：Sm-CoSm-Co系，系，Pr-CoPr-Co系，系，Ce-CoCe-Co系系 Sm-Co Sm-Co系

55、是永磁材料发展史上的里程碑。系是永磁材料发展史上的里程碑。1、第一代、第一代SmCo5* *六角结构六角结构* *优点：综合磁性能好；缺点：优点：综合磁性能好；缺点：原材料价格昂贵，储量少原材料价格昂贵，储量少* *特点特点：a a、成分对成分对永永磁性能磁性能影响影响大，若大，若按化学计量按化学计量比比配配不可能获得优异的磁性能不可能获得优异的磁性能，S Sm m含含量量为过计量时，才为过计量时，才可可能能获得优异的磁性能。获得优异的磁性能。b b、只有、只有S Sm m含含量量为过计量时，才为过计量时，才可可能能获得获得致密的致密的S Sm mC Co o5 5合金。合金。c c、室温室温

56、H HC C随回火温度变化。随回火温度变化。2、第二代、第二代Sm2Co17* *高温：六角；低温：菱方高温：六角；低温：菱方* *优点：优点：M MS S高，高，T TC C高高 缺点：缺点：H HC C偏低，很难成为实用的永磁材料偏低，很难成为实用的永磁材料* *改进方法：改进方法：（1 1）三元）三元SmSm2 2(Co(Co1-x1-xFeFex x) )1717合金系中添加其他元素合金系中添加其他元素 如：如：SmSm2 2(Co(Co0.80.8FeFe0.050.05MnMn0.150.15) )1717，SmSm2 2(Co(Co0.80.8FeFe0.090.09CrCr0.

57、110.11) )1717 优点：优点：H HC C得到了提高得到了提高 缺点：温度稳定性差；制造工艺不易掌握，重复性差。缺点：温度稳定性差；制造工艺不易掌握，重复性差。（2 2）三元系）三元系Sm-Co-CuSm-Co-Cu为基础的合金为基础的合金 Sm-Co-CuSm-Co-Cu系，系，Sm-Co-Cu-FeSm-Co-Cu-Fe系，系，Sm-Co-Cu-Fe-MSm-Co-Cu-Fe-M系系 M=Zr,Ti,Hf,NiM=Zr,Ti,Hf,Ni等等 * *目前工业上广泛应用的是第三个系列。目前工业上广泛应用的是第三个系列。 其优点：磁性能稳定（抗氧化能力强，磁性随温度变化较其优点：磁性能

58、稳定（抗氧化能力强，磁性随温度变化较小）小）3.3.2 Nd-Fe-B永磁材料永磁材料磁体的制备磁体的制备两类：粘结永磁体；烧结永磁体两类：粘结永磁体；烧结永磁体1 1、粘结、粘结Nd-Fe-BNd-Fe-B磁体的制备磁体的制备( (1)1)、磁粉的制备、磁粉的制备a a、熔体快淬法、熔体快淬法真空感应真空感应炉炉熔炼母合金熔炼母合金 惰性惰性气体保护气体保护 熔化熔化的母合金在的母合金在氩气压力下经石英管喷出氩气压力下经石英管喷出 喷射到喷射到 高速旋转的铜辊上快高速旋转的铜辊上快速速冷却冷却凝固凝固 将得到的薄带粉末化后得磁粉将得到的薄带粉末化后得磁粉* *旋转辊速旋转辊速度：调节产物晶体

59、结构，即从非晶到数微米晶粒度：调节产物晶体结构，即从非晶到数微米晶粒尺寸变化；影响材料的磁性能。尺寸变化；影响材料的磁性能。b、HDDR法法* *此法可获得平均粒径为此法可获得平均粒径为0.30.3 m m的细小晶粒的细小晶粒 H HC Cc c、气体喷雾法、气体喷雾法N Nd-Fe-Bd-Fe-B溶液溶液 高速喷嘴高速喷嘴 雾化成细小的金属液滴雾化成细小的金属液滴 射向粉射向粉碎盘碎盘 获得极细的非晶和微晶粉末获得极细的非晶和微晶粉末d d、机械合金化法、机械合金化法N Nd-Fe-Bd-Fe-B合金铸锭破碎成粗粉合金铸锭破碎成粗粉 长时间高能球磨长时间高能球磨 产物产物 退退火处理火处理

60、得到与快淬法相同的微观组织得到与快淬法相同的微观组织优点：成本低优点：成本低( (2)、磁体的制备、磁体的制备永磁体粉末与橡胶、塑料等粘结材料相混合，按用求直接永磁体粉末与橡胶、塑料等粘结材料相混合，按用求直接成型为各种形状的永磁部件。成型为各种形状的永磁部件。缺陷：由于粘结剂的加入，永磁体的磁学性能会有一定程缺陷：由于粘结剂的加入，永磁体的磁学性能会有一定程度的下降。度的下降。Nd-Fe-B磁体的磁性能磁体的磁性能* *四角晶系，具单轴各向异性，四角晶系，具单轴各向异性，C C轴为易磁化轴轴为易磁化轴1 1、Nd-Fe-BNd-Fe-B相结构与内禀磁性相结构与内禀磁性*相结构决定内禀磁特性相