2022年磁性材料概念分析

1、2022年磁性材料概念分析1. 磁性材料简介磁性是物质最基本的性质之一，来源于不对称电子的运动产生的磁矩，其相应磁矩分别称 为自旋磁矩（铁、钴、镍及其合金的磁性）和轨道磁矩（稀土永磁的磁矩）。磁性体根据 磁化率的大小又可分为： 铁磁性（包括亚铁磁性）体：铁、钴、镍、铁氧体、稀土永磁等，表现很强的磁性； 顺磁性体：铝、铬、铂、钠、氧等，不表现或表现极弱的磁性； 抗磁性体：铜、金、银、水银、锌、氢、氖等，有非常微弱的抗磁性； 完全抗磁性体：超导体磁性材料是应用广泛、品种繁多的重要功能材料，按应用类型大致可分为软磁、永磁等材 料。软磁材料是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁，如同

2、一个 可以快速充放水的水池。其主要功能是导磁、电磁能量的转换与传输，广泛用于如电 感、变压器等各种电能变换设备中。软磁材料主要包括金属软磁材料、铁氧体软磁材 料以及其他软磁材料。永磁材料，又称“硬磁材料”，指的是一经磁化即能保持恒定磁性的材料，如同一个 一旦充水就保持常满的水池。永磁材料广泛应用于电声、电子电器、电机、机械设备 等领域。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、 稀土永磁材料和复合永磁材料等。利用上述功能，人们在很早之前便开始制作指南针、变压器、马达、扬声器、磁致伸缩振 子、记录介质、各类传感器等各种各样的磁性器件，被广泛应用于机器人、计算机、工作母机等

3、产业机械，以及汽车、电脑、音响、电视机、手机等我们每天都能接触到的物件上。图：一些常见的磁铁目前，磁性材料已成为支持并促进社会发展的关键材料。近年来，磁性材料在非晶合金、 稀土永磁化合物、超磁致伸缩、巨磁电阻等新材料相继发现的同时，得益于组织的微细化、 晶体学方位的控制、薄膜化、超晶格等新技术的开发，其特性显著提高。这些不仅对电子、 信息产品等特性的飞跃提高做出了重要贡献，而且成为新产品开发的源动力。基于不同的磁材具有不同的特性，人们给各类磁材定义了其最匹配的工作环境： 软磁（硅钢、合金软磁、铁氧体、非晶合金、非晶纳米晶）：硅钢材料因为含铁量高，其饱和磁感应强度高、磁导率高，匹配高压大电流的高

4、功率 工作环境。但是同时也是因为含铁量高导致电阻率低，在高频下产生的涡流损耗大、 发热严重，更适用于 10kHz 以下低频的工作环境。因此，硅钢软磁材料被广泛应用于 变压器、电机等低频高功率场景。合金软磁材料多为铁硅、铁硅铝合金，兼具高饱和磁密、高磁导率与高电阻率的优点， 匹配中高频、中高功率的应用场景。但当涉及到 1.5MHz 以上的更高频的工作环境时， 涡流损耗成为铁损的大头，电阻率变得尤为重要，合金软磁的电阻率相比于铁氧体仍 低了不少，便略逊一筹了。因此，合金软磁适合 20kHz 到 1.5MHz 的中高频、中高功 率的工作环境，广泛应用于消费电子、光伏、新能源车等场景中。铁氧体软磁主要

5、应用于高频低功率的场景。铁氧体本质为一种陶瓷材料，由三氧化二 铁组成。归功于其致密的氧化层，铁氧体的电阻率是目前所有软磁材料中相对最大的， 因而在高频下可以有效降低变化磁场引起的感应电流带来的涡流损耗，锰锌铁氧体适 合 201000kHz 的中高频，镍锌铁氧体适合 1M几百兆 Hz 的高频。但是同样由于铁 氧体中铁含量不高，使得铁氧体的饱和磁感应强度不高，在大功率环境下容易饱和。 因此，铁氧体适合高频低功率、弱电的工作环境，广泛应用于消费电子、通信等场合。非晶合金工作环境与硅钢相似，是硅钢的良好替代产品。非晶合金矫顽力显著低于硅 钢，磁导率和电阻率显著高于硅钢，具有优秀的软磁特性。目前非晶合金

6、广泛应用于 配电变压器等领域，非晶变压器的空载损耗相较硅钢变压器可降低 70%，是电网提效 改造的优选。纳米晶软磁材料工作环境与合金软磁、铁氧体皆有重叠，是重点发展的高性能软磁材 料。得益于较高的磁导率与饱和磁感、较低的矫顽力特性，纳米晶材料在 kHz 频段有 非常好的效果。如在对磁导率要求极高的无线充电应用中，纳米晶作为薄且高磁导率 的材料，作为隔磁片被广泛应用。当频率上升到 MHz 段时，纳米晶因为电阻率不及 铁氧体，损耗略高。永磁（铁氧体永磁、稀土永磁）：铁氧体永磁与稀土永磁应用场景相近，相较而言，稀土永磁是磁性能更好的永磁材料， 具有更大的磁能积与更高的矫顽力。铁氧体永磁的缺点是因为磁

7、能积相对较小，导致 电机体积较大，且材质硬而脆不适于加工，主要应用于微型电机如汽车雨刷器马达、 电动座椅马达、摇窗器马达等场景。稀土永磁是更有发展前景的硬磁材料，缺点是温 度稳定性不高且价格较贵，主要应用于对磁性能要求高的电动汽车电机与体积要求较 高的精密电子等场景。2. 磁性材料的分类2.1. 高性能软磁材料:：高功率密度趋势下的优选所谓高功率密度，就是追求电源系统内部功率转换器小型化的同时，实现高效的大功率输 出。要在更小的体积下实现同样大小功率的传输，便意味着开关频率的提高。可以形象地 理解为：需要运送 100 吨货物（总能量需求），大货车由于速度慢（开关频率低）每天只 能运送 10 次

8、，每次需要运送 10 吨（电感体积大）；但一辆小轿车由于速度快（开关频率 高）每天可以运送 20 次，每次只需要运送 5 吨（电感体积变小）。因此，未来软磁材料将 要适配更高的工作频率与功率，也对于软磁材料的性能提出了更高的要求。随着频率的升高，对于损耗的要求越来越高，对于软磁材料而言，高频下高电阻率是关键。 高频中强场下，功率损耗可表达为涡流损耗+磁滞损耗+剩磁损耗。500 kHz 及以上的中高频，剩余损耗逐渐占据主导地位，同时随着频率的增高，涡流损耗 也会大幅度增高。因此，缩小晶粒尺寸?、提高电阻率?是频率提高时降低功率损耗的重 要路径。除对于更高电阻率的要求外，还要求：（1）软磁材料具有

9、高饱和磁化强度以保证元件有较 小的体积；（2）软磁材料有足够高的磁导率和较低的矫顽力，以保证元件单位体积的高储 能和对外界灵敏的相应；（3）软磁材料的磁导率有较高的热稳定性和频率稳定性。1. 金属软磁材料金属软磁材料的优点在于高磁导率，高饱和磁化强度，但是因为电阻率较低，涡流损耗较 大，适用于低频高功率的工作环境。常见的金属软磁材料分为两组：Fe 系合金和坡莫（Fe-Ni） 合金。硅钢是 Fe 系合金的代表，是交流电器用的较理想的材料，主要用于制作变压器、发电机 等器材和逆变器等电感元件。在铁中添加硅可使硅钢的晶体磁各向异性常数和磁致伸缩常 数下降，可以达到矫顽力低、磁导率高等所期望特性，并可

10、显著提高电阻率，减少铁损耗。但是随着硅含量的增加，加工性变差，因此硅质量分数 5%一般是硅钢制品的上限。但是 硅钢因为电阻率小，在高频环境下因感应电流产生的涡流损耗大、发热严重，因此主要应 用于 50Hz2kHz 的中低频。硅钢又分取向硅钢与无取向硅钢。取向硅钢的含硅量高于无取向硅钢，晶粒朝一个方向排 列，因而磁感高、铁损低，主要用于变压器等场景；无取向硅钢的晶粒排列杂乱无章，但 韧性更好，主要用于电机等场景。因取向硅钢制作工艺更加复杂，价格一般为无取向硅钢 的 3 倍左右。 Fe 系合金还有诸如纯铁（雾化铁粉、羰基铁粉等）、铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍合金等。 诸如铁硅和铁硅铝合金等在高频率和

11、高功率的工作环境之中做了权衡，一方面弥补了硅钢 在高频率下损耗大的问题，一方面弥补了铁氧体在高功率下饱和磁通密度不足的问题，适 用于 20kHz 到 1.5MHz 的工作环境，应用于光伏储能、新能源车充电桩、变频空调、UPS 等领域。Fe-Ni 系坡莫合金具有很高的磁导率，但饱和磁通密度较小，且居里温度较低，温度稳定 性不理想。2. 软磁铁氧体材料软磁铁氧体是以 Fe2O3 为主成分的磁性氧化物，适用于 MHz 段高频低功率的工作场景。 主要应用于电子系统中电磁信号的感应、耦合、转换、变换、传输、隔离、吸收，最大的 用途是制作各种电子变压器、电感器、滤波器 (EMI)等。软磁铁氧体的特点使饱和

12、磁通密度小、矫顽力小，但磁导率大。另外，归功于其致密的氧 化层，电阻率非常高，故涡流损耗小，因此作为高频工作环境的磁性材料被广泛使用。软 磁铁氧体由于是烧结体，烧结前易于形成各种形状，但性质脆、易破碎。软磁铁氧体还有 优良的耐腐蚀性和抗氧化性、价格便宜等优点。图：软磁铁氧体材料3. 非晶合金材料：待机电力损耗小的金属玻璃非晶合金又名金属玻璃，是 21 世纪兴起的一种新型功能材料，具有独特的内部结构。相 较于传统晶态合金，非晶合金中原子无规混乱排列，不再表现为长程有序，故电阻率比晶 态合金高约三倍，从而大大降低了涡流损耗；同时非晶合金没有磁晶各向异性，且也不存 在微观结构缺陷(如位错、晶界等)，

13、从而磁导率高、矫顽力低，另外非晶合金具有更高的 强度和优异的耐腐蚀性能，因而得到广泛关注。目前，非晶合金材料主要应用于配电变压器领域。除非晶合金之外，配电变压器使用的另 一种主要材料是硅钢材料。与硅钢材料相比，非晶合金材料具有突出的节能环保特性。在 制造侧，非晶采用的是急速冷却工艺制成，从钢液到非晶合金薄带制品一次成型，硅钢采 用传统钢铁冶金制备工艺制成，非晶合金的生产工艺流程显著短于硅钢产品；在应用侧， 非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力、高电阻率等材料特性，电磁能量转换效率显著优 于硅钢材料，非晶变压器空载损耗较硅钢变压器降幅可达到 70%左右，实现使用节能；在 回收侧，废旧的非晶铁心可通

14、过中频炉重熔后制成非晶合金薄带，非晶铁心中的硅、硼元 素基本可以实现回收再利用，实现回收节能。4. 纳米晶软磁材料纳米晶主要指铁基纳米晶合金，是由铁、硅、硼和少量的铜、铌等元素经急速冷却工艺形 成非晶态合金后，再经过高度控制的退火环节，形成具有纳米级微晶体和非晶混合组织结 构的材料。纳米晶材料得益于其高饱和磁密、高磁导率、高居里温度的优点，在追求小型化、轻量化、 复杂温度的场景下，相比较于铁氧体软磁材料有着显著优势，主要用于生产电感元件、电 子变压器、互感器、传感器等产品，可以应用于新能源汽车、消费电子、新能源发电、家 电以及粒子加速器等领域，特别是近年来纳米晶合金材料在新兴产业领域无线充电模

15、块和 新能源汽车电机等应用的逐步推广，纳米晶合金材料有望迎来广阔的市场增长空间。2.2. 永磁材料永磁材料一般是指对铁等的吸引力强，残留磁通密度、矫顽力都大，温度特性优异的永磁 体。永磁体可以认为是不从外部供给能量，也可以使外部磁场持续发生的一类部件，其实 质是拥有高矫顽力，一经外部磁场磁化后，即使在相当大的反向磁场中也能保持大部分原 磁化方向的磁性。永磁材料同时还要兼顾优良的加工性能，而且小型、轻量、低价等也是 考虑的因素。当然，满足全部性能要求的永磁体并不存在。磁力强的材料往往温度稳定性差，如稀土永 磁在高温下退磁严重，而磁力弱的材料往往价格较低，优点和缺点往往相互折中。因此在 选择永磁体

16、时往往要根据使用目的、性能要求和价格因素等选择最合适的品种。从材料的角度分类，永磁体可分为非稀土类金属磁体（金属永磁）、铁氧体永磁及稀土永 磁三类。按实现块体化的方法分类，永磁体可分为非稀土类金属磁体（铸造永磁）、黏结 永磁、烧结永磁及热加工永磁四类。在实用永磁体中，金属永磁（铝镍钴永磁体）磁通密度高，温度特性优良，但矫顽力低容 易退磁，且价格较贵；铁氧体永磁磁通密度低，温度特性差，但矫顽力高，价格便宜；稀 土永磁（钕系永磁、钐系永磁）磁通密度高、矫顽力高，但温度特性各异、且价格昂贵。 综合看，对于一般应用来说，铁氧体永磁属于现有使用永磁体中性价比较为优秀的一类。永磁体的应用极为广泛，从扬声器

17、、话筒、电表、按键等小型部件，到大型部件如风能系 统的风力发电机及 MRI 的磁场施加装置等。近年来，新能源车用小型电动机更是为永磁体 的应用开辟了广阔的市场。根据使用场景的需要，永磁材料可有不同的形态和结构。1. 铁氧体永磁材料铁氧体以氧化铁为主成分，一般显示亚铁磁性，作为电力、电子相关的磁性材料被广泛使 用。铁氧体按晶体结构不同，大体可以分为三种类型： 1）尖晶石铁氧体：最常见的铁氧体软磁材料，典型的有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铜锌 铁氧体等，特点是磁导率高、电阻大，从而使磁性体中产生的涡流损耗小，因而被高频线 圈及变压器中的磁芯材料广泛应用； 2）六方晶铁氧体：六方晶铁氧体基于其六方结构，磁各向异性大，从而拥有较大的矫顽 力。代表性的有锶铁氧体和钡铁氧体，作为永磁体有广泛应用； 3）石榴石铁氧体：这种铁氧体也成为稀土类铁石榴石，