磁性材料介紹

1、磁性資料.磁性資料的基本特點磁性資料的磁化曲線磁性資料是由鐵磁性物質(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)組成的，在外加磁場H作用下，必有相應(yīng)的磁化強(qiáng)度M或磁感覺強(qiáng)度B，它們隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線稱為磁化曲線（MH或BH曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，擁有2個特點：磁飽和現(xiàn)象及磁滯現(xiàn)象。即當(dāng)磁場強(qiáng)度H足夠大時，磁化強(qiáng)度M達(dá)到一個確定的飽和值Ms，連續(xù)增大H，Ms保持不變；以及當(dāng)資料的M值達(dá)到飽和后，外磁場H降低為零時，M其實不恢復(fù)為零，而是沿MsMr曲線變化。資料的工作狀態(tài)相當(dāng)于MH曲線或BH曲線上的某一點，該點常稱為工作點。軟磁資料的常用磁性能參數(shù)飽和磁感覺強(qiáng)度Bs：其大小取決于資料的成分，它所對應(yīng)的物理狀態(tài)是

2、資料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。節(jié)余磁感覺強(qiáng)度Br：是磁滯回線上的特點參數(shù)，H回到0時的B值。矩形比：BrBs矯頑力Hc：是表示資料磁化難易程度的量，取決于資料的成分及弊端（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。磁導(dǎo)率：是磁滯回線上任何點所對應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)親近相關(guān)。初始磁導(dǎo)率i、最大磁導(dǎo)率m、微分磁導(dǎo)率d、振幅磁導(dǎo)率a、有效磁導(dǎo)率e、脈沖磁導(dǎo)率p。居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度高升而下降，達(dá)到某一溫度時，自覺磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。耗費P：磁滯耗費Ph及渦流耗費PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPef2t2/，降低，磁滯耗費Ph的方法是降

3、低矯頑力Hc；降低渦流耗費Pe的方法是減薄磁性資料的厚度t及提高資料的電阻率。在自由靜止空氣中磁芯的耗費與磁芯的溫升關(guān)系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）軟磁資料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的變換在設(shè)計軟磁器件時，第一要依照電路的要求確定器件的電壓電流特點。器件的電壓電流特點與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)親近相關(guān)。設(shè)計者必定熟悉資料的磁化過程并拿握資料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的變換關(guān)系。設(shè)計軟磁器件平時包括三個步驟：正確采用磁性資料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；依照磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)獲取相應(yīng)的電氣參數(shù)。二、軟磁資料的發(fā)展及種類軟磁資料的發(fā)展軟磁資料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)

4、末。隨著電力工及電訊技術(shù)的流行，開始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了微小的鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等。到20世紀(jì)初，研制出了硅鋼片取代低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了耗費。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁資料中仍居首位。到20年代，無線電技術(shù)的流行，促進(jìn)了高導(dǎo)磁資料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁資料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體資料。進(jìn)入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又流行了另一類資

5、料非晶態(tài)軟磁合金。常用軟磁磁芯的種類鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是組成磁性資料的基本組元。按（主要成分、磁性特點、結(jié)構(gòu)特點）制品形態(tài)分類：(1)粉芯類：磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯（HighFlux）、坡莫合金粉芯（MPP）、鐵氧體磁芯帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金三常用軟磁磁芯的特點及應(yīng)用(一)粉芯類磁粉芯磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混雜壓制而成的一種軟磁資料。由于鐵磁性顆粒很小（高頻下使用的為0.55微米），又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)分開，因此，一方面可以間隔渦流，資料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的縫隙效應(yīng)，以致資料擁有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特點；又由于顆粒尺寸

6、小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為牢固。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒資料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱辦理工藝等。常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。磁芯的有效磁導(dǎo)率e及電感的計算公式為：e=DL/4N2S109其中：D為磁芯平均直徑（cm），L為電感量（享），N為繞線匝數(shù)，S為磁芯有效截面積（cm2）。鐵粉芯常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉組成。在粉芯中價格最低。飽和磁感覺強(qiáng)度值在1.4T左右；磁導(dǎo)率范圍從22100；初始磁導(dǎo)率i隨頻率的變化牢固性好；直流電流疊加性能好；但高頻下耗費高。鐵

7、粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場強(qiáng)度的變化鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化(2).坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（MPP）及高磁通量粉芯（HighFlux）。MPP是由81%Ni、2%Mo及Fe粉組成。主要特點是：飽和磁感覺強(qiáng)度值在7500Gs左右；磁導(dǎo)率范圍大，從14550；在粉末磁芯中擁有最低的耗費；溫度牢固性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等；磁致伸縮系數(shù)湊近零，在不同樣的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高質(zhì)量因素Q濾波器、感覺負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度牢固性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等,在AC電路中常用,粉芯中價格最貴。高磁通粉芯HF是由

8、50%Ni、50%Fe粉組成。主要特點是：飽和磁感覺強(qiáng)度值在15000Gs左右；磁導(dǎo)率范圍從14160；在粉末磁芯中擁有最高的磁感覺強(qiáng)度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等,在DC電路中常用，高DC偏壓、高直流電和低交流電上用得多。價格低于MPP。(3)鐵硅鋁粉芯（KoolMCores）鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si,85%Fe粉組成。主若是取代鐵粉芯，耗費比鐵粉芯低80%，可在8kHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T左右；導(dǎo)磁率從26125；磁致伸縮系數(shù)湊近0，在不同樣的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；擁有最

9、正確的性能價格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也取代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。2.軟磁鐵氧體（Ferrites）軟磁鐵氧體是以Fe2O3為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為110歐姆-米，一般在100kHZ以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102104歐姆-米，在100kHz10兆赫的無線電頻段的耗費小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、

10、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺資料也能獲取高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適合于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又由于是燒結(jié)物硬度大、對應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特點牢固，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)大大減少了，好多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所取代。國內(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家好多，在此僅以美國的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本資料：電信用基本資料、寬帶及EMI資料、功率型資料。電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從7502300,擁有低耗費因子、高質(zhì)量因素Q、牢

11、固的磁導(dǎo)率隨溫度/時間關(guān)系,是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗般配變壓器、湊近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特點為擁有低耗費因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特點。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體擁有高的飽和磁感覺強(qiáng)度，為40005000Gs。別的擁有低耗費/頻率關(guān)系和低耗費/溫度關(guān)系。也就是說，隨頻率增大、耗費上升不大；隨溫度提高、耗費變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾

12、波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。(二)帶繞鐵芯硅鋼片鐵芯硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅（一般在4.5%以下）形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯擁有最高的飽和磁感覺強(qiáng)度值為20000Gs；由于它們擁有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價格低價，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)中獲取極為廣泛的應(yīng)用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。是軟磁資料中產(chǎn)量和使用量最大的資料。也是電源變壓器用磁性資料中用量最大的資料。特別是在低頻、大功率下最為適用。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各種電子系統(tǒng)、家用電器中的中、小功率低

13、頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下耗費急劇增加，一般使用頻率不高出400Hz。從應(yīng)用角度看，對硅鋼的選綱要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片；對變壓器常采用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.20.35毫米；在400Hz下使用時，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價格越高。坡莫合金坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在3090%范圍內(nèi)。是應(yīng)用特別廣泛的軟磁合金。經(jīng)過適合的工藝，可以有效地控制磁性能，比方高出10

14、5的初始磁導(dǎo)率、高出106的最大磁導(dǎo)率、低到2奧斯特的矯頑力、湊近1或湊近0的矩形系數(shù)，擁有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的坡莫合金擁有很好的塑性，可以加工成1m的超薄帶及各種使用形態(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50的飽和磁感覺強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低23倍。做成較高頻率(4008000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79擁有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬105以上，適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互

15、感器等。非晶及納米晶軟磁合金（AmorphousandNanocrystallinealloys）硅鋼和坡莫合金軟磁資料都是晶態(tài)資料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯、縫隙原子、磁晶各向異性等弊端，對軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲取優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個新式資料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完好不同樣于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大體為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了好多中間工序，這類新工藝被人們稱之為對傳統(tǒng)冶金工

16、藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結(jié)晶，獲取的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金資料學(xué)的一項革命。這類非晶合金擁有好多獨到的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外資料科學(xué)界的研究開發(fā)重點。目前美、日、德國已擁有完滿的生產(chǎn)規(guī)模，而且大批的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。我國自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過“六五”、“七五”、“八五”時期的重要科技攻關(guān)項目的完成，共獲取科研成就134項，國家

17、發(fā)明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現(xiàn)擁有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護(hù)器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元?！熬盼濉闭诮⑶嵓夎F基非晶生產(chǎn)線，進(jìn)入國際先進(jìn)水平行列。目前，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項性能水平為：初始磁導(dǎo)率o=14104鈷基非晶最大磁導(dǎo)率m=220104鈷基非晶矯頑力Hc=0.001Oe鈷基非晶矩形比Br/Bs=0.995鈷基非晶飽和磁化強(qiáng)度4Ms=18300Gs鐵基非晶電阻率=270/cm常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基

18、、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于比較，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同樣的特點，在不同樣的方面獲取應(yīng)用。牌號基本成分和特點：1K101Fe-Si-B系快淬軟磁鐵基合金1K102Fe-Si-B-C系快淬軟磁鐵基合金1K103Fe-Si-B-Ni系快淬軟磁鐵基合金1K104Fe-Si-B-NiMo系快淬軟磁鐵基合金1K105Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金1K106高頻低耗費Fe-Si-B系快淬軟磁鐵基合金1K107高頻低耗費Fe-Nb-Cu-Si-B系快淬軟磁鐵基納米晶合金1K201高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金1K202高剩磁比快淬軟磁鈷基合金1K203高磁感低耗費快淬軟磁鈷基合金1K204高頻低耗