高二物理竞赛课件软磁材料

软磁材料

软磁材料软磁材料概述电工纯铁铁硅合金－硅钢片铁镍合金－坡莫合金铁氧体软磁材料

软磁材料概述

定义和应用范围

软磁材料是具有低矫顽力、高磁导率的合金。其磁滞回线是细长的。

HC400A/m叫软磁；HC：400-20000A/m叫半永磁；HC20000A/m叫永磁。除少数用在直流磁化状态外，大多数用于交流磁化状态。例如，电磁铁极头、极靴、磁屏蔽、磁导体、电机和变压器铁心、继电器、扼流圈、电感器、磁头放大器等的铁心、磁头、微波器件等等。功能：能量、信息的转换、传输和存储的作用。

矫顽力是材料在正向加磁场使磁化强度达到饱和，然后去掉磁场，再反向加磁场直到磁化强度为零，其相对应的磁场称为矫顽力HC。软磁材料性能的要求1）高饱和磁感应强度（Bs）。这样单位体积中储存的磁能量高（Em∝BS2），既节省材料又减小体积。2）损耗小。对交变磁场下使用的软磁材料来说，损耗小，就可以节能、延长寿命等。为减小损耗，要求矫顽力小（磁滞损耗小）；电阻率ρ高、塑性好（可加工成薄带，涡流损耗小，

，d-带厚，f-频率，-电阻率）。3）于在弱磁场下工作的材料要求有较高的初始磁导率、最大磁导率、脉冲磁导率(μp=（B-Br）/H，磁感应强度B与对应的剩余磁感Br的差与把样品磁化到B的脉冲磁场强度H的比值)等。这样，在应用（特别是信息处理）时可以有高灵敏度。4）磁性能随外界条件(温度、时间、应力、辐射等)的变化率小，提高使用的稳定性。上述仅是基本要求。但软磁材料用途多样，种类繁多，不同用途的要求也有差别。如，不同磁场（恒定、交变、脉冲）下，不同电流（强、弱）下工作要求不同。继电器铁心要求Br低。磁放大器开关和记忆元件要求矩形比（Br/Bs→1）高，使噪音小、信号不失真。互感器、扼流圈要求恒导磁（在一定的磁场范围内）。提高起始磁导率i=(1+i)的途径1）提高饱和磁化强度Ms(iMs2)2）降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数s3）降低内应力4）改善材料的显微结构内应力模型：含杂模型：响软磁材料性能的冶金和物理因素

Ms、Tc、HK（各向异性场）等参数是结构不敏感参量，属内禀特性；磁导率、HC、损耗、剩磁比等参数是结构敏感参量，其性能与杂质含量、应力、晶体取向、晶粒大小、晶体缺陷、各向异性等参数有关，是由制备条件和工艺决定的，为非内禀特性。1）杂质一般情况下，杂质对软磁性是有害的，特别是形成间隙固溶体的杂质（C、N、O、H等），因为晶格畸变造成的应力是畴壁移动的阻力。如果不固溶而形成化合物夹杂则更有害，使Hc提高，磁导率下降。若是代位固溶杂质（Mn、Cu、Si等）影响较小。但并非一切杂质都是有害的。在一定情况下也可起到有利的作用。如硅钢中的MnS、AlN等为有利夹杂，有利于获得再结晶织构。在工业生产上要特别注意控制杂质的含量。原材料要纯净，采用真空熔炼，氢气退火等。2）合金元素合金化是发展磁性合金的必由之路，因为纯金属显然不能满足磁性材料的各种特性要求。对于软磁合金来说，加入的合金元素应能满足以下条件之一。(1)提高电阻率,减小涡流效应。例如在纯Fe中加入3%Si，提高了电阻率，发展成为硅钢片；在79%Ni-Fe合金中加入4-5%Mo发展成为钼坡莫合金。(2)提高饱和磁感应强度。对于Ni基合金，加入Fe或Co可以提高Bs值；对于Fe基合金，能提高其磁感的元素仅有Co，加入35%Co可使其Bs值从纯FeTT以上，这是目前Bs值最高的合金。(3)提高磁导率，降低矫顽力。要求加入的合金元素应能使合金的磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数下降，最好能使两者或其中之一趋近于零。选择Fe-Ni、Fe-Si等系列的基本考虑即如此。3）晶体织构利用晶体取向获得磁晶各向异性，可大大改善磁性能。如硅钢取得合理的织构可大大降低损耗，提高性能；Fe-Ni合金（Ni较低）形成（100）[001]的立方织构也可改善磁性。但并不是一切织构都好，如电机硅钢片要求各向同性，否则反而有害。4）有序—无序转变合金发生有序—无序转变时，磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数发生明显的变化。有序度不同，其值不同。通过热处理（冷却速率、Tc以下的保温时间等）可以改变有序度，使K1、λs→0，使软磁性能提高。有序结构的种类如图。

(1)CsCl型结构。如含50%(at)的Fe-Co合金，Co原子位子体心立方点阵的中心位置，Fe原子位于尖角端点，如图（a）所示。(2)AuCu3型结构。如含75%(at)的Ni-Fe合金，可形成Ni3Fe有序结构，其中Ni位于面心立方晶胞的面心位置，Fe原子位于晶胞的尖角位置，如图（b）所示。(3)Fe3Al型有序结构。单位晶胞如图（c）所示。在完全的Fe3Al有序结构中，Fe原子占据点阵中的a、c、d位置，Al原子占据b位置。在无序的Fe3Al中，a、b、c、d位置可以任意为Fe或Al原子占据。当Al原子数高于34%时，在合金中形成部分FeAl型有序结构。此时Fe原子占据a、c位置：Al原子占据b、d位置。

软磁合金中的有序结构5）磁场退火磁性材料在居里温度以下退火时加外磁场有可能形成感生各向异性。即形成人工控制的磁各向异性，从而改变磁性能。

如65Ni-Fe合金*在缓冷时，K1→0。*纵向磁场退火后，沿外加磁场方向的磁滞回线为矩形（矩磁合金）。*垂直于磁场方向（横向退火）磁滞回线接近直线----恒导磁。65Ni-Fe合金经不同热处理后的磁滞回线（a）1000℃退火，快冷；（b）1000℃缓冷；（c）从1000℃在纵向磁场中冷却；（d）从1000℃横向磁场中冷却。6）应力当磁性材料加以宏观的弹性应力时，通过弹性应力和磁致伸缩的耦合而使磁化强度的方向发生变化。磁弹性能为：对于正磁致伸缩材料，s0，施加张力（0）时，=0时，E最低。即易磁化方向沿张力方向；施加压力时，沿压力方向的磁化困难。s0的材料，结果正相反。注意：应力变形或退火使性能改善或恶化。而软磁材料残留应力则更为有害。因此软磁材料生产要注意成品退火以消除应力；使用中也要予以注意。7）塑性变形软磁材料的生产大多需要塑性变形。但变形后，晶格扭曲，产生应力将损害软磁性能。伴随塑性变形，必须配合以退火处理(中间退火、最终退火)，以保证应力减到最小。此外，变形产生的应力会造成感生各向异性，对磁性能产生明显的影响。

电工纯铁纯铁是最便宜、易加工、应用最早的软磁材料，也是其他软磁材料的原材料。纯铁包括：工业纯铁、电解铁、羟基铁几类。工业纯铁是用电炉、平炉或转炉冶炼的，杂质总含量0.2%，C0.04%。电解铁是工业纯铁电解产物，纯度较高，C0.006%。羟基铁是化学提纯的产物，纯度高，但价格高，用作磁介质的原料。T，磁导率较高，矫顽力较低（70-90A/m），但电阻率低（），铁损较大。纯铁主要用在直流磁场下。如电磁铁铁心和极头继电器铁心和衔铁、磁屏蔽罩等。

铁硅合金（硅钢片）纯铁的Bs高，但电阻率低，铁损大，使用受限制。Fe