磁性材料-第二章PPT課件

1、2021/6/71第二章第二章 軟磁材料軟磁材料定義：定義：能夠迅速響應外磁場的變化，且能低損耗地獲能夠迅速響應外磁場的變化，且能低損耗地獲得高磁感應強度的材料。得高磁感應強度的材料。特點：特點：既容易受外加磁場磁化，又容易退磁。既容易受外加磁場磁化，又容易退磁。*對軟磁材料的基本要求有：對軟磁材料的基本要求有：（1）初始磁導率）初始磁導率 i和最大磁導率和最大磁導率 max要高；要高；（2）矯頑力）矯頑力Hc要小；要??；（3）飽和磁感應強度）飽和磁感應強度MS要高；要高；（4）功率損耗）功率損耗P要低要低;（5）高的穩(wěn)定性。）高的穩(wěn)定性。2021/6/72*主要的軟磁材料：主要的軟磁材料：（

2、1）合金如硅鋼（）合金如硅鋼（Fe-Si）、）、坡莫合金（坡莫合金（Fe-Ni）、）、仙臺斯仙臺斯特合金（特合金（Fe-Si-Al）；）；（2）軟磁鐵氧體）軟磁鐵氧體Mn-Zn系、系、Ni-Zn系、系、Mg-Zn系等；系等；（3）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。*發(fā)展史：發(fā)展史：（1）鐵氧體問世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信）鐵氧體問世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信各領域。各領域。優(yōu)點：優(yōu)點：其其MS遠高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、遠高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機等至今仍是電機等至今仍是Fe-Si合金材料。合金材料。缺點：缺點：渦流損耗限制

3、了其在高渦流損耗限制了其在高頻段的應用。頻段的應用。（2）20世紀世紀40年代開始，軟磁鐵氧體由實驗室走向工業(yè)生產。年代開始，軟磁鐵氧體由實驗室走向工業(yè)生產。 50年代至年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨占鰲頭。年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨占鰲頭。2021/6/73（3）1970年，年，F(xiàn)e-Ni-B非晶態(tài)合金研制成功，非晶態(tài)合金研制成功， 1988年，年，F(xiàn)e-Ni-B-Nb-Cu納米微晶軟磁材料問世，納米微晶軟磁材料問世， 90年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵 氧體的新的競爭對手。氧體的新的競爭對手。 優(yōu)點：優(yōu)點：性能上遠優(yōu)于

4、鐵氧體；性能上遠優(yōu)于鐵氧體；缺點：缺點：性價比上尚處于劣勢。性價比上尚處于劣勢。2.1 衡量軟磁材料的重要指標衡量軟磁材料的重要指標1、起始磁導率、起始磁導率位轉iii2SiMSiK1,111,1i2021/6/74主要因素：主要因素： 基本上不隨加工條件和應用情況變化?；旧喜浑S加工條件和應用情況變化。,1sSKM次要因素：次要因素： 會隨加工條件和應用情況而變化。會隨加工條件和應用情況而變化。,2、矯頑力、矯頑力HC量級：量級：10-1A/m 102A/m*材料內部應力起伏和雜質的含量與分布是影響材料內部應力起伏和雜質的含量與分布是影響HC的主要因素。的主要因素。*降低降低HC的方法與提高

5、的方法與提高 i的方法相一致。的方法相一致。3、飽和磁感應強度、飽和磁感應強度MS*高的高的MS 高的高的 i值；節(jié)省資源，實現(xiàn)器件的小型化值；節(jié)省資源，實現(xiàn)器件的小型化*提高提高MS的方法：的方法：選擇適當?shù)呐浞匠煞?，但實際上選擇適當?shù)呐浞匠煞?，但實際上MS值一般值一般不可能有很大的變動。不可能有很大的變動。2021/6/754、磁損耗、磁損耗*軟磁材料多用于交流磁場，因此動態(tài)磁化造成的磁損軟磁材料多用于交流磁場，因此動態(tài)磁化造成的磁損耗不可忽視。耗不可忽視。5、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性*高穩(wěn)定性是指磁導率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，高穩(wěn)定性是指磁導率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，隨時間的老化要盡可能地

6、小，以保證其長壽命工作于隨時間的老化要盡可能地小，以保證其長壽命工作于太空、海底、地下和其他惡劣環(huán)境。太空、海底、地下和其他惡劣環(huán)境。*影響軟磁材料穩(wěn)定工作的因素：影響軟磁材料穩(wěn)定工作的因素：低溫、潮濕、電磁場、機械負荷、電離輻射等低溫、潮濕、電磁場、機械負荷、電離輻射等2021/6/762.2 提高起始磁導率的途徑提高起始磁導率的途徑必要條件：必要條件：提高提高MS并降低并降低K1、 S的值的值充分條件：充分條件：降低雜質濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，降低雜質濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結構均勻化，消除內應力和氣孔的影響。結構均勻化，消除內應力和氣孔的影響。1、提高、提高MS*選擇合適的配

7、方可提高材料的選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動不大。值，但往往變動不大。2SiM*選擇配方時更要考慮選擇配方時更要考慮K1、 S對對 i的作用。的作用。*例：例：CoFe2O4、Fe3O4的的MS雖然較高，但其雖然較高，但其K1和和 S值太大，值太大，因而不宜作為配方的基本成分。因而不宜作為配方的基本成分。2021/6/772、降低降低K1和和 S*提高提高 i 的最有效方法的最有效方法從配方和工藝上使從配方和工藝上使K1 0、 S 0*鐵氧體軟磁材料：配方時選擇鐵氧體軟磁材料：配方時選擇K1和和 S很小的基本成分，如很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4

8、、NiFe2O4等。然后再采用等。然后再采用正負正負K1、 S補償或添加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的補償或添加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的耦合作用。耦合作用。*例：例：Fe-Ni合金合金質量分數(shù)質量分數(shù) Ni 81%時，時， S 0； Ni 76%時，時， K1 0； Ni 78.5%Fe-Ni合金經過熱處理后，合金經過熱處理后， i可達可達104 *選擇適當合金成分和熱處理條件可以控制選擇適當合金成分和熱處理條件可以控制K1和和 S在較低值在較低值2021/6/783、改善材料的顯微結構改善材料的顯微結構*材料的顯微結構是指結晶狀態(tài)材料的顯微結構是指結晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性、晶

9、粒大小、完整性、均勻性、織構等織構等)、晶界狀態(tài)、雜質和氣孔的大小與分布等。、晶界狀態(tài)、雜質和氣孔的大小與分布等。*雜質、氣孔雜質、氣孔的含量與分布是影響的含量與分布是影響 i的重要因素。的重要因素。 降低雜質、氣孔的方法：原材料、燒結溫度及熱處理條件的選擇降低雜質、氣孔的方法：原材料、燒結溫度及熱處理條件的選擇*平均晶粒尺寸平均晶粒尺寸對對 i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對疇壁的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，位移的阻滯作用減小， i升高。升高。例：例：MnZn鐵氧體鐵氧體尺寸尺寸5 m以下時，以下時， i500；尺寸在尺寸在5 m以以上時，上時， i3000 *晶粒

10、尺寸長大的方法：適當提高燒結溫度，但溫度過高，便晶粒尺寸長大的方法：適當提高燒結溫度，但溫度過高，便會形成氣孔，導致會形成氣孔，導致 i下降。下降。*材料的織構化，包括結晶織構和磁疇織構，都可提高材料的織構化，包括結晶織構和磁疇織構，都可提高 i2021/6/794、降低內應力、降低內應力 *根據內應力的不同來源，可采用不同的方法：根據內應力的不同來源，可采用不同的方法：(1) 磁致伸縮引起的內應力，與磁致伸縮引起的內應力，與 S成正比，可通過降低成正比，可通過降低 S來來減小此應力。減小此應力。(2) 燒結后冷卻速度太快，會造成晶格畸變，產生內應力。燒結后冷卻速度太快，會造成晶格畸變，產生內

11、應力?？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖??？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖?。(3) 氣孔、雜質、晶格缺陷等因素在材料內部產生應力?？蓺饪?、雜質、晶格缺陷等因素在材料內部產生應力。可通過原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴格控制來消除。通過原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴格控制來消除。2021/6/7102.3 金屬軟磁材料金屬軟磁材料2.3.1 電工純鐵電工純鐵*純度在純度在99.8%以上的鐵，不含任何故意添加的合金化元素。以上的鐵，不含任何故意添加的合金化元素。*制備方法：平爐冶煉時，首先用氧化渣除去碳、硅、制備方法：平爐冶煉時，首先用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時在鋼包錳等元素，再

12、用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時在鋼包中添加脫氧劑獲得。經過退火熱處理中添加脫氧劑獲得。經過退火熱處理 i（300500）, max（600012000）, HC（39.895.5）*含碳量是影響磁性能的主要因素。含碳量是影響磁性能的主要因素。除碳方法：高溫用除碳方法：高溫用H2處理除碳，以消除鐵中碳對疇壁移動的阻處理除碳，以消除鐵中碳對疇壁移動的阻礙作用。礙作用。2021/6/7112021/6/712*電工純鐵存在時效現(xiàn)象電工純鐵存在時效現(xiàn)象原因：原因：高溫時鐵固溶體內溶解有較多的碳或氮，產品快速高溫時鐵固溶體內溶解有較多的碳或氮，產品快速冷卻到室溫時，溶解度減小，冷卻到室溫時，溶解度減小，

13、Fe3C或或Fe4N由固溶體中以細由固溶體中以細微彌散形式析出，從而微彌散形式析出，從而HC增加，增加， i降低。降低。消除方法：消除方法：保溫后，采用緩慢冷卻到保溫后，采用緩慢冷卻到100-300的退火措施，的退火措施，這樣在這樣在650-300之間之間Fe3C有足夠的時間析出有足夠的時間析出、長大為對磁長大為對磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。性能影響不大的大顆粒夾雜物。*應用：應用：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀表的各種零件，揚聲器的各種磁路，電話應式和電磁式測量儀表的各種零件，揚聲器的各種磁路，電話中的振動膜、

14、磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極，冶金中的振動膜、磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極，冶金原料等。原料等。2021/6/7132021/6/7142.3.2 硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）*在純鐵中加入少量硅，形成固溶體，這樣提高了合金電阻在純鐵中加入少量硅，形成固溶體，這樣提高了合金電阻率，減少了材料的渦流損耗。率，減少了材料的渦流損耗。*缺點：缺點：電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作時渦流損耗大。作時渦流損耗大。*碳的質量分數(shù)在碳的質量分數(shù)在0.02以下，硅的質量分數(shù)為以下，硅的質量分數(shù)為1.5-4.5。常溫下

15、，常溫下，Si在在Fe中的固溶度大約為中的固溶度大約為15，但，但Fe-Si系合金隨系合金隨Si含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質量百分含量含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質量百分含量5為一般硅鋼制品的上限。為一般硅鋼制品的上限。2021/6/715*隨硅含量的增加，不足之隨硅含量的增加，不足之處在于：處在于：BS和和TC降低；好降低；好處：處：K1 和和 S 降低降低 i增加，增加，HC降低，降低， 增加增加降低鐵損降低鐵損2021/6/716*按照材料的生產方法、結晶織構和磁性能，電工用硅鋼片按照材料的生產方法、結晶織構和磁性能，電工用硅鋼片可分為：可分為：熱軋非織構熱軋非織構

16、(無取向無取向)、冷軋非織構、冷軋非織構(無取向無取向)、冷軋、冷軋高斯織構高斯織構(單取向單取向)、冷軋立方織構、冷軋立方織構(雙取向雙取向)的硅鋼片。的硅鋼片。*例：高斯織構符號例：高斯織構符號(110)001；立方織構符號；立方織構符號(100)001。*電工硅鋼片制造工藝電工硅鋼片制造工藝：熱軋和冷軋兩種，以在結晶溫度為：熱軋和冷軋兩種，以在結晶溫度為區(qū)分點。區(qū)分點。*應用應用：電動機、發(fā)電機、變壓器、電磁機構、繼電器電子：電動機、發(fā)電機、變壓器、電磁機構、繼電器電子器件及測量儀表中。器件及測量儀表中。2021/6/7172021/6/7182.3.3 坡莫合金坡莫合金*1913年被開

17、發(fā)出來，鎳的質量分數(shù)為年被開發(fā)出來，鎳的質量分數(shù)為30-90的鎳鐵合金。的鎳鐵合金。*優(yōu)點：優(yōu)點：很高的磁導率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變很高的磁導率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變成分和熱處理工藝等進行調節(jié)，延展性好，低的損耗。成分和熱處理工藝等進行調節(jié)，延展性好，低的損耗。*缺點：缺點：BS低，低，Ni是高價金屬。是高價金屬。* Ni：7583%范圍時，具有最佳的綜合磁性能，但這一范范圍時，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時圍時BS較低。較低。*應用：應用：可用作在弱磁場下具有很高可用作在弱磁場下具有很高 的鐵芯材料和磁屏蔽材的鐵芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁導率的脈

18、沖變壓器材料；還可料；也可用作要求低剩磁和恒磁導率的脈沖變壓器材料；還可用作各種磁致伸縮合金、熱磁合金、矩磁合金等。用作各種磁致伸縮合金、熱磁合金、矩磁合金等。2021/6/7192021/6/7202021/6/7212.3.4 其它軟磁合金其它軟磁合金*應用：應用：由于價格優(yōu)勢，常用作由于價格優(yōu)勢，常用作Fe-Ni合金的替代品合金的替代品。1、鐵鋁合金、鐵鋁合金*優(yōu)點：優(yōu)點：價格低；通過調解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的價格低；通過調解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料；合金具有較高的電阻率；具有較高的硬度、強度和耐軟磁材料；合金具有較高的電阻率；具有較高的硬度、強度和耐磨性；合金

19、密度低，可減輕元件重量；對應力不敏感，適于在沖磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對應力不敏感，適于在沖擊、振動等環(huán)境下工作；較好的溫度穩(wěn)定性；抗核輻射性能好。擊、振動等環(huán)境下工作；較好的溫度穩(wěn)定性；抗核輻射性能好。2、鐵硅鋁合金、鐵硅鋁合金*1932年在日本仙臺被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺斯特合金，年在日本仙臺被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺斯特合金，成分為成分為Fe9.6Si5.4Al。該成分時，。該成分時， K1和和 S幾乎同時趨于幾乎同時趨于零，且具有高零，且具有高 和低和低HC。不需要高價的不需要高價的Co和和Ni，且電阻率高、且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料比較理想。耐磨性好，所以

20、作為磁頭磁芯材料比較理想。2021/6/722*應用：應用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機定子材料、直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機定子材料、電話受話器的振動膜片，磁致伸縮材料。電話受話器的振動膜片，磁致伸縮材料。3、鐵鈷合金、鐵鈷合金*優(yōu)點：優(yōu)點：高的高的MS； Co50，同時有高的同時有高的MS， i， max*缺點：缺點：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；Co價格貴價格貴2021/6/7232.4 鐵氧體軟磁材料鐵氧體軟磁材料*最早由荷蘭菲利普實驗室最早由荷蘭菲利普實驗室Snock于于1935年研制成功。其磁年研制成功。其磁

21、性來源于亞鐵磁性，故性來源于亞鐵磁性，故MS較金屬低，但比金屬的較金屬低，但比金屬的 要高很多，要高很多，因此具有良好的高頻特性。因此具有良好的高頻特性。*軟磁鐵氧體材料的特性要求（四高）：軟磁鐵氧體材料的特性要求（四高）：高高 i，高品質因數(shù)高品質因數(shù)Q，高（時間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率高（時間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率fr。*除基本要求外，對應不同的應用場合還有不同的特殊要求。除基本要求外，對應不同的應用場合還有不同的特殊要求。比如電波吸收材料希望在工作頻率范圍內損耗越大越好。比如電波吸收材料希望在工作頻率范圍內損耗越大越好。*按晶體結構進行分類：按晶體結構進行分類：2021/6/724

22、2021/6/725*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結構的鐵氧休是具有尖晶石結構的mMnFe2O4nZnFe2O4與與少量少量Fe3O4組成的單相固溶體。組成的單相固溶體。*低頻段應用極廣（低頻段應用極廣（500kHz以下），優(yōu)點：磁滯損耗低，以下），優(yōu)點：磁滯損耗低，相同磁導率情況下居里溫度較相同磁導率情況下居里溫度較NiZn高，高， i高高(可達可達4104 1105)，價格低廉。，價格低廉。*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，鐵氧體：高頻軟磁材料，1100MHz。1MHz以下時，以下時，其性能不如其性能不如MnZn鐵氧體，而在鐵氧體，而在1MHz以上時，優(yōu)于以上時，優(yōu)于MnZn鐵鐵氧體，因它具有

23、多孔性及高電阻率。氧體，因它具有多孔性及高電阻率。*特點：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；特點：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；Ni價格高，小于價格高，小于30MHz時，可用時，可用MgZn鐵氧體替代（性能鐵氧體替代（性能稍差）。稍差）。2021/6/726*立方晶系鐵氧體的使用頻率：數(shù)百兆赫之下；立方晶系鐵氧體的使用頻率：數(shù)百兆赫之下；平面型六角晶系鐵氧體：在平面型六角晶系鐵氧體：在 i值相同的情況下值相同的情況下，fr較立方晶較立方晶系高系高510倍。倍。* 從應用角度軟磁鐵氧體大致可分為：從應用角度軟磁鐵氧體大致可分為：（1）高磁導率材料，）高磁導率材料， i

24、 104；（2）低損耗、高穩(wěn)定性材料，高低損耗、高穩(wěn)定性材料，高 Q值，低值，低DF值；值；（3）高頻、大磁場用的材料；）高頻、大磁場用的材料；（4）高飽和）高飽和Bs低功耗材料（功率鐵氧體）；低功耗材料（功率鐵氧體）；（5）甚高頻六角鐵氧體；）甚高頻六角鐵氧體；（6）其他鐵氧體：如溫感、濕感、電波吸收、電極等材料。）其他鐵氧體：如溫感、濕感、電波吸收、電極等材料。2021/6/7272.5 納米晶軟磁材料納米晶軟磁材料*特征：特征：（1）短程有序，長程無序；）短程有序，長程無序；（2）不存在位錯和晶界，具有高磁導率和低矯頑力；）不存在位錯和晶界，具有高磁導率和低矯頑力；（3）電阻率比同種晶態(tài)

25、材料高，適用高頻）電阻率比同種晶態(tài)材料高，適用高頻(渦流損耗小渦流損耗小)；（4）體系自由能高，結構不穩(wěn)定，加熱時有結晶化傾向；）體系自由能高，結構不穩(wěn)定，加熱時有結晶化傾向；（5）機械強度較高且硬度較高；）機械強度較高且硬度較高；（6）抗化學腐蝕能力強，抗）抗化學腐蝕能力強，抗 射線及中子等輻射能力強。射線及中子等輻射能力強。2.5.1 非晶態(tài)軟磁材料非晶態(tài)軟磁材料(具有優(yōu)良的綜合磁性能具有優(yōu)良的綜合磁性能)一、非晶態(tài)軟磁材料的結構和性能一、非晶態(tài)軟磁材料的結構和性能2021/6/728*目前已達到實用化的非晶軟磁材料的分類：目前已達到實用化的非晶軟磁材料的分類：1) 3d過渡金屬過渡金屬(

26、T)非金屬系。其中非金屬系。其中T為為Fe，Co，Ni等；非等；非金屬為金屬為B，C，Si、P等。等。鐵基：鐵基：BS較高；鐵鎳基：磁導率較高；鈷基：適宜作為高頻較高；鐵鎳基：磁導率較高；鈷基：適宜作為高頻開關電源變壓器。開關電源變壓器。2) 3d過渡金屬過渡金屬(T)金屬系。金屬為金屬系。金屬為Ti，Zr，Nb，Ta等。等。3) 過渡金屬過渡金屬(T)稀土類金屬稀土類金屬(RE)系。其中系。其中T為為Fe，Co；RE為為Gd，Tb，Dy，Nd等。等。 二、制備與應用二、制備與應用非晶態(tài)：結晶化前的中間狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)。冷卻速度足夠快且非晶態(tài)：結晶化前的中間狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)。冷卻速度足夠快且冷至足夠低

27、的溫度，以致原子來不及形核結晶便凝固下來。冷至足夠低的溫度，以致原子來不及形核結晶便凝固下來。2021/6/729制備方法：制備方法：1、氣相沉積法、氣相沉積法晶態(tài)材料原子晶態(tài)材料原子（離解）（離解）氣相氣相（無規(guī)沉積）（無規(guī)沉積）到低溫冷卻基體上到低溫冷卻基體上形成非晶態(tài)形成非晶態(tài)此類技術主要有：此類技術主要有：真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學沉積等真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學沉積等2021/6/7302、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（用加壓惰性氣體）（用加壓惰性氣體）液態(tài)合金從石英噴嘴中噴出液態(tài)合金從石英噴嘴中噴出形成均勻的熔融金屬細流形成均勻的熔融金屬細流連續(xù)噴射到高速旋轉的冷卻輥表連續(xù)噴射到高速旋轉的冷卻輥表面面液態(tài)合金以液態(tài)合金以10