磁性材料第二章

1、磁性材料第二章第1頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*主要的軟磁材料：（1）合金如硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙臺(tái)斯特合金（Fe-Si-Al）；（2）軟磁鐵氧體Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等；（3）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。*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、通信各領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：其MS遠(yuǎn)高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機(jī)等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點(diǎn)：渦流損耗限制了其在高頻段的應(yīng)用。（2）20世紀(jì)40年代開始，軟磁鐵氧體由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)生產(chǎn)。 50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨(dú)占鰲頭。第2頁，共35頁，2

2、022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五（3）1970年，F(xiàn)e-Ni-B非晶態(tài)合金研制成功， 1988年，F(xiàn)e-Ni-B-Nb-Cu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 氧體的新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。 優(yōu)點(diǎn)：性能上遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體；缺點(diǎn)：性價(jià)比上尚處于劣勢(shì)。2.1 衡量軟磁材料的重要指標(biāo)1、起始磁導(dǎo)率第3頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五主要因素： 基本上不隨加工條件和應(yīng)用情況變化。次要因素： 會(huì)隨加工條件和應(yīng)用情況而變化。2、矯頑力HC量級(jí)：10-1A/m 102A/m*材料內(nèi)部應(yīng)力起伏和雜質(zhì)的含量與分布是影響HC的主要因素。*降低HC的方

3、法與提高i的方法相一致。3、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS*高的MS 高的i值；節(jié)省資源，實(shí)現(xiàn)器件的小型化*提高M(jìn)S的方法：選擇適當(dāng)?shù)呐浞匠煞郑珜?shí)際上MS值一般不可能有很大的變動(dòng)。第4頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五4、磁損耗*軟磁材料多用于交流磁場(chǎng)，因此動(dòng)態(tài)磁化造成的磁損耗不可忽視。5、穩(wěn)定性*高穩(wěn)定性是指磁導(dǎo)率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，隨時(shí)間的老化要盡可能地小，以保證其長(zhǎng)壽命工作于太空、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：低溫、潮濕、電磁場(chǎng)、機(jī)械負(fù)荷、電離輻射等第5頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.2 提高起始磁導(dǎo)率的途徑必

4、要條件：提高M(jìn)S并降低K1、S的值充分條件：降低雜質(zhì)濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力和氣孔的影響。1、提高M(jìn)S*選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動(dòng)不大。*選擇配方時(shí)更要考慮K1、S對(duì)i的作用。*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS雖然較高，但其K1和S值太大，因而不宜作為配方的基本成分。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2、降低K1和S*提高i 的最有效方法從配方和工藝上使K1 0、S 0*鐵氧體軟磁材料：配方時(shí)選擇K1和S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正負(fù)K1、S補(bǔ)償或添

5、加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的耦合作用。*例：Fe-Ni合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ni81%時(shí)，S0；Ni76%時(shí)， K10；Ni78.5%Fe-Ni合金經(jīng)過熱處理后，i可達(dá)104 *選擇適當(dāng)合金成分和熱處理?xiàng)l件可以控制K1和S在較低值第7頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五3、改善材料的顯微結(jié)構(gòu)*材料的顯微結(jié)構(gòu)是指結(jié)晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性、織構(gòu)等)、晶界狀態(tài)、雜質(zhì)和氣孔的大小與分布等。*雜質(zhì)、氣孔的含量與分布是影響i的重要因素。 降低雜質(zhì)、氣孔的方法：原材料、燒結(jié)溫度及熱處理?xiàng)l件的選擇*平均晶粒尺寸對(duì)i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對(duì)疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。例：M

6、nZn鐵氧體尺寸5m以下時(shí)，i500；尺寸在5m以上時(shí)，i3000 *晶粒尺寸長(zhǎng)大的方法：適當(dāng)提高燒結(jié)溫度，但溫度過高，便會(huì)形成氣孔，導(dǎo)致i下降。*材料的織構(gòu)化，包括結(jié)晶織構(gòu)和磁疇織構(gòu)，都可提高i第8頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五4、降低內(nèi)應(yīng)力*根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的不同來源，可采用不同的方法：(1) 磁致伸縮引起的內(nèi)應(yīng)力，與S成正比，可通過降低S來減小此應(yīng)力。(2) 燒結(jié)后冷卻速度太快，會(huì)造成晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力?？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖?yīng)力。(3) 氣孔、雜質(zhì)、晶格缺陷等因素在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力?？赏ㄟ^原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴(yán)格控制來消除。第9頁，共35頁，2022年，

7、5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.3 金屬軟磁材料2.3.1 電工純鐵*純度在99.8%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(shí)，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(shí)在鋼包中添加脫氧劑獲得。經(jīng)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。除碳方法：高溫用H2處理除碳，以消除鐵中碳對(duì)疇壁移動(dòng)的阻礙作用。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第11頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*電工純鐵存在時(shí)效現(xiàn)象原因：高溫時(shí)鐵固

8、溶體內(nèi)溶解有較多的碳或氮，產(chǎn)品快速冷卻到室溫時(shí)，溶解度減小，F(xiàn)e3C或Fe4N由固溶體中以細(xì)微彌散形式析出，從而HC增加，i降低。消除方法：保溫后，采用緩慢冷卻到100-300的退火措施，這樣在650-300之間Fe3C有足夠的時(shí)間析出、長(zhǎng)大為對(duì)磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。*應(yīng)用：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應(yīng)式和電磁式測(cè)量?jī)x表的各種零件，揚(yáng)聲器的各種磁路，電話中的振動(dòng)膜、磁屏蔽，電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極，冶金原料等。第12頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第13頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.3.2 硅鋼（硅鋼片或

9、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率，減少了材料的渦流損耗。*缺點(diǎn)：電工純鐵只能在直流磁場(chǎng)下工作，在交變磁場(chǎng)下工作時(shí)渦流損耗大。*碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02以下，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5-4.5。常溫下，Si在Fe中的固溶度大約為15，但Fe-Si系合金隨Si含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質(zhì)量百分含量5為一般硅鋼制品的上限。第14頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*隨硅含量的增加，不足之處在于：BS和TC降低；好處：K1 和S 降低 i增加，HC降低，增加降低鐵損第15頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*按照材料的生產(chǎn)

10、方法、結(jié)晶織構(gòu)和磁性能，電工用硅鋼片可分為：熱軋非織構(gòu)(無取向)、冷軋非織構(gòu)(無取向)、冷軋高斯織構(gòu)(單取向)、冷軋立方織構(gòu)(雙取向)的硅鋼片。*例：高斯織構(gòu)符號(hào)(110)001；立方織構(gòu)符號(hào)(100)001。*電工硅鋼片制造工藝：熱軋和冷軋兩種，以在結(jié)晶溫度為區(qū)分點(diǎn)。*應(yīng)用：電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、電磁機(jī)構(gòu)、繼電器電子器件及測(cè)量?jī)x表中。第16頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第17頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.3.3 坡莫合金*1913年被開發(fā)出來，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30-90的鎳鐵合金。*優(yōu)點(diǎn)：很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改

11、變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)，延展性好，低的損耗。*缺點(diǎn)：BS低，Ni是高價(jià)金屬。*Ni：7583%范圍時(shí)，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時(shí)BS較低。*應(yīng)用：可用作在弱磁場(chǎng)下具有很高的鐵芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁導(dǎo)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。第18頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第19頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第20頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.3.4 其它軟磁合金*應(yīng)用：由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)，常用作Fe-Ni合金的替代品。1、鐵鋁合金*優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低；通

12、過調(diào)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(qiáng)度和耐磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對(duì)應(yīng)力不敏感，適于在沖擊、振動(dòng)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*1932年在日本仙臺(tái)被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺(tái)斯特合金，成分為Fe9.6Si5.4Al。該成分時(shí)， K1和S幾乎同時(shí)趨于零，且具有高和低HC。不需要高價(jià)的Co和Ni，且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料比較理想。第21頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*應(yīng)用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料、電話受話器的振動(dòng)膜片，磁致伸縮材料。3、鐵

13、鈷合金*優(yōu)點(diǎn)：高的MS； Co50，同時(shí)有高的MS， i，max*缺點(diǎn)：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場(chǎng)合用；Co價(jià)格貴第22頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.4 鐵氧體軟磁材料*最早由荷蘭菲利普實(shí)驗(yàn)室Snock于1935年研制成功。其磁性來源于亞鐵磁性，故MS較金屬低，但比金屬的要高很多，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）：高i，高品質(zhì)因數(shù)Q，高（時(shí)間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率fr。*除基本要求外，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(nèi)損耗越大越好。*按晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：第23頁，共35頁，2022

14、年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五第24頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的mMnFe2O4nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。*低頻段應(yīng)用極廣（500kHz以下），優(yōu)點(diǎn)：磁滯損耗低，相同磁導(dǎo)率情況下居里溫度較NiZn高，i高(可達(dá)4104 1105)，價(jià)格低廉。*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，1100MHz。1MHz以下時(shí)，其性能不如MnZn鐵氧體，而在1MHz以上時(shí)，優(yōu)于MnZn鐵氧體，因它具有多孔性及高電阻率。*特點(diǎn)：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國(guó)外差距大；Ni價(jià)格高，小于30MHz時(shí)，可用MgZn鐵氧體替代（

15、性能稍差）。第25頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*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i值相同的情況下，fr較立方晶系高510倍。* 從應(yīng)用角度軟磁鐵氧體大致可分為：（1）高磁導(dǎo)率材料， i 104；（2）低損耗、高穩(wěn)定性材料，高Q值，低DF值；（3）高頻、大磁場(chǎng)用的材料；（4）高飽和Bs低功耗材料（功率鐵氧體）；（5）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。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.5 納米晶軟磁材料*特征：（1）短程有序，長(zhǎng)程無序；（2）不存在位錯(cuò)和晶界，具有高

16、磁導(dǎo)率和低矯頑力；（3）電阻率比同種晶態(tài)材料高，適用高頻(渦流損耗小)；（4）體系自由能高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加熱時(shí)有結(jié)晶化傾向；（5）機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高；（6）抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，抗射線及中子等輻射能力強(qiáng)。2.5.1 非晶態(tài)軟磁材料(具有優(yōu)良的綜合磁性能)一、非晶態(tài)軟磁材料的結(jié)構(gòu)和性能第27頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五*目前已達(dá)到實(shí)用化的非晶軟磁材料的分類：1) 3d過渡金屬(T)非金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；非金屬為B，C，Si、P等。鐵基：BS較高；鐵鎳基：磁導(dǎo)率較高；鈷基：適宜作為高頻開關(guān)電源變壓器。2) 3d過渡金屬(T)金屬系。金屬為Ti，Zr，N

17、b，Ta等。3) 過渡金屬(T)稀土類金屬(RE)系。其中T為Fe，Co；RE為Gd，Tb，Dy，Nd等。 二、制備與應(yīng)用非晶態(tài)：結(jié)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的溫度，以致原子來不及形核結(jié)晶便凝固下來。第28頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五制備方法：1、氣相沉積法晶態(tài)材料原子（離解）氣相（無規(guī)沉積）到低溫冷卻基體上形成非晶態(tài)此類技術(shù)主要有：真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學(xué)沉積等第29頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2、液相急冷法（大多采用此法）熔融合金（用加壓惰性氣體）液態(tài)合金從石英噴嘴中噴出形成均勻的熔融金屬細(xì)流連續(xù)噴

18、射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥表面液態(tài)合金以106108K/S高速冷卻形成非晶態(tài)第30頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五3、高能粒子注入采用大功率高能粒子輸入加熱晶態(tài)材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶態(tài)。高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄層非晶材料，常用于改善表面特性。*鐵基非晶帶的損耗僅為傳統(tǒng)Fe-Si合金的1/3，但由于成本較高，目前尚難以大量取代傳統(tǒng)的材料，但在高功率脈沖變壓器、航空變壓器、開關(guān)電源等方面已獲得應(yīng)用。鈷基和鐵鎳基非晶：防盜標(biāo)簽（圖書館、超市）第31頁，共35頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)20分，星期五2.5.2 納米晶軟磁材料1988年，日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過晶化處理開發(fā)出納米晶軟磁合金（Finemet）。特點(diǎn)：高BS，高i，低損耗，鐵基原材料成本低廉； 晶粒尺寸減小，矯頑力降低*目前已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)研究的系統(tǒng)：Fe-Cu