2022年磁性材料概念分析

1、2022年磁性材料概念分析1. 磁性材料簡介磁性是物質(zhì)最基本的性質(zhì)之一，來源于不對(duì)稱電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩，其相應(yīng)磁矩分別稱 為自旋磁矩（鐵、鈷、鎳及其合金的磁性）和軌道磁矩（稀土永磁的磁矩）。磁性體根據(jù) 磁化率的大小又可分為： 鐵磁性（包括亞鐵磁性）體：鐵、鈷、鎳、鐵氧體、稀土永磁等，表現(xiàn)很強(qiáng)的磁性； 順磁性體：鋁、鉻、鉑、鈉、氧等，不表現(xiàn)或表現(xiàn)極弱的磁性； 抗磁性體：銅、金、銀、水銀、鋅、氫、氖等，有非常微弱的抗磁性； 完全抗磁性體：超導(dǎo)體磁性材料是應(yīng)用廣泛、品種繁多的重要功能材料，按應(yīng)用類型大致可分為軟磁、永磁等材 料。軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁，如同

2、一個(gè) 可以快速充放水的水池。其主要功能是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸，廣泛用于如電 感、變壓器等各種電能變換設(shè)備中。軟磁材料主要包括金屬軟磁材料、鐵氧體軟磁材 料以及其他軟磁材料。永磁材料，又稱“硬磁材料”，指的是一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，如同一個(gè) 一旦充水就保持常滿的水池。永磁材料廣泛應(yīng)用于電聲、電子電器、電機(jī)、機(jī)械設(shè)備 等領(lǐng)域。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、 稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料等。利用上述功能，人們?cè)诤茉缰氨汩_始制作指南針、變壓器、馬達(dá)、揚(yáng)聲器、磁致伸縮振 子、記錄介質(zhì)、各類傳感器等各種各樣的磁性器件，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、工作母機(jī)等

3、產(chǎn)業(yè)機(jī)械，以及汽車、電腦、音響、電視機(jī)、手機(jī)等我們每天都能接觸到的物件上。圖：一些常見的磁鐵目前，磁性材料已成為支持并促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵材料。近年來，磁性材料在非晶合金、 稀土永磁化合物、超磁致伸縮、巨磁電阻等新材料相繼發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，得益于組織的微細(xì)化、 晶體學(xué)方位的控制、薄膜化、超晶格等新技術(shù)的開發(fā)，其特性顯著提高。這些不僅對(duì)電子、 信息產(chǎn)品等特性的飛躍提高做出了重要貢獻(xiàn)，而且成為新產(chǎn)品開發(fā)的源動(dòng)力?；诓煌拇挪木哂胁煌奶匦裕藗兘o各類磁材定義了其最匹配的工作環(huán)境： 軟磁（硅鋼、合金軟磁、鐵氧體、非晶合金、非晶納米晶）：硅鋼材料因?yàn)楹F量高，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、磁導(dǎo)率高，匹配高壓大電流的高

4、功率 工作環(huán)境。但是同時(shí)也是因?yàn)楹F量高導(dǎo)致電阻率低，在高頻下產(chǎn)生的渦流損耗大、 發(fā)熱嚴(yán)重，更適用于 10kHz 以下低頻的工作環(huán)境。因此，硅鋼軟磁材料被廣泛應(yīng)用于 變壓器、電機(jī)等低頻高功率場(chǎng)景。合金軟磁材料多為鐵硅、鐵硅鋁合金，兼具高飽和磁密、高磁導(dǎo)率與高電阻率的優(yōu)點(diǎn)， 匹配中高頻、中高功率的應(yīng)用場(chǎng)景。但當(dāng)涉及到 1.5MHz 以上的更高頻的工作環(huán)境時(shí)， 渦流損耗成為鐵損的大頭，電阻率變得尤為重要，合金軟磁的電阻率相比于鐵氧體仍 低了不少，便略遜一籌了。因此，合金軟磁適合 20kHz 到 1.5MHz 的中高頻、中高功 率的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、光伏、新能源車等場(chǎng)景中。鐵氧體軟磁主要

5、應(yīng)用于高頻低功率的場(chǎng)景。鐵氧體本質(zhì)為一種陶瓷材料，由三氧化二 鐵組成。歸功于其致密的氧化層，鐵氧體的電阻率是目前所有軟磁材料中相對(duì)最大的， 因而在高頻下可以有效降低變化磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電流帶來的渦流損耗，錳鋅鐵氧體適 合 201000kHz 的中高頻，鎳鋅鐵氧體適合 1M幾百兆 Hz 的高頻。但是同樣由于鐵 氧體中鐵含量不高，使得鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度不高，在大功率環(huán)境下容易飽和。 因此，鐵氧體適合高頻低功率、弱電的工作環(huán)境，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信等場(chǎng)合。非晶合金工作環(huán)境與硅鋼相似，是硅鋼的良好替代產(chǎn)品。非晶合金矯頑力顯著低于硅 鋼，磁導(dǎo)率和電阻率顯著高于硅鋼，具有優(yōu)秀的軟磁特性。目前非晶合金

6、廣泛應(yīng)用于 配電變壓器等領(lǐng)域，非晶變壓器的空載損耗相較硅鋼變壓器可降低 70%，是電網(wǎng)提效 改造的優(yōu)選。納米晶軟磁材料工作環(huán)境與合金軟磁、鐵氧體皆有重疊，是重點(diǎn)發(fā)展的高性能軟磁材 料。得益于較高的磁導(dǎo)率與飽和磁感、較低的矯頑力特性，納米晶材料在 kHz 頻段有 非常好的效果。如在對(duì)磁導(dǎo)率要求極高的無線充電應(yīng)用中，納米晶作為薄且高磁導(dǎo)率 的材料，作為隔磁片被廣泛應(yīng)用。當(dāng)頻率上升到 MHz 段時(shí)，納米晶因?yàn)殡娮杪什患?鐵氧體，損耗略高。永磁（鐵氧體永磁、稀土永磁）：鐵氧體永磁與稀土永磁應(yīng)用場(chǎng)景相近，相較而言，稀土永磁是磁性能更好的永磁材料， 具有更大的磁能積與更高的矯頑力。鐵氧體永磁的缺點(diǎn)是因?yàn)榇?/p>

7、能積相對(duì)較小，導(dǎo)致 電機(jī)體積較大，且材質(zhì)硬而脆不適于加工，主要應(yīng)用于微型電機(jī)如汽車雨刷器馬達(dá)、 電動(dòng)座椅馬達(dá)、搖窗器馬達(dá)等場(chǎng)景。稀土永磁是更有發(fā)展前景的硬磁材料，缺點(diǎn)是溫 度穩(wěn)定性不高且價(jià)格較貴，主要應(yīng)用于對(duì)磁性能要求高的電動(dòng)汽車電機(jī)與體積要求較 高的精密電子等場(chǎng)景。2. 磁性材料的分類2.1. 高性能軟磁材料:：高功率密度趨勢(shì)下的優(yōu)選所謂高功率密度，就是追求電源系統(tǒng)內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換器小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高效的大功率輸 出。要在更小的體積下實(shí)現(xiàn)同樣大小功率的傳輸，便意味著開關(guān)頻率的提高?？梢孕蜗蟮?理解為：需要運(yùn)送 100 噸貨物（總能量需求），大貨車由于速度慢（開關(guān)頻率低）每天只 能運(yùn)送 10 次

8、，每次需要運(yùn)送 10 噸（電感體積大）；但一輛小轎車由于速度快（開關(guān)頻率 高）每天可以運(yùn)送 20 次，每次只需要運(yùn)送 5 噸（電感體積變小）。因此，未來軟磁材料將 要適配更高的工作頻率與功率，也對(duì)于軟磁材料的性能提出了更高的要求。隨著頻率的升高，對(duì)于損耗的要求越來越高，對(duì)于軟磁材料而言，高頻下高電阻率是關(guān)鍵。 高頻中強(qiáng)場(chǎng)下，功率損耗可表達(dá)為渦流損耗+磁滯損耗+剩磁損耗。500 kHz 及以上的中高頻，剩余損耗逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)隨著頻率的增高，渦流損耗 也會(huì)大幅度增高。因此，縮小晶粒尺寸?、提高電阻率?是頻率提高時(shí)降低功率損耗的重 要路徑。除對(duì)于更高電阻率的要求外，還要求：（1）軟磁材料具有

9、高飽和磁化強(qiáng)度以保證元件有較 小的體積；（2）軟磁材料有足夠高的磁導(dǎo)率和較低的矯頑力，以保證元件單位體積的高儲(chǔ) 能和對(duì)外界靈敏的相應(yīng)；（3）軟磁材料的磁導(dǎo)率有較高的熱穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。1. 金屬軟磁材料金屬軟磁材料的優(yōu)點(diǎn)在于高磁導(dǎo)率，高飽和磁化強(qiáng)度，但是因?yàn)殡娮杪瘦^低，渦流損耗較 大，適用于低頻高功率的工作環(huán)境。常見的金屬軟磁材料分為兩組：Fe 系合金和坡莫（Fe-Ni） 合金。硅鋼是 Fe 系合金的代表，是交流電器用的較理想的材料，主要用于制作變壓器、發(fā)電機(jī) 等器材和逆變器等電感元件。在鐵中添加硅可使硅鋼的晶體磁各向異性常數(shù)和磁致伸縮常 數(shù)下降，可以達(dá)到矯頑力低、磁導(dǎo)率高等所期望特性，并可

10、顯著提高電阻率，減少鐵損耗。但是隨著硅含量的增加，加工性變差，因此硅質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5%一般是硅鋼制品的上限。但是 硅鋼因?yàn)殡娮杪市?，在高頻環(huán)境下因感應(yīng)電流產(chǎn)生的渦流損耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，因此主要應(yīng) 用于 50Hz2kHz 的中低頻。硅鋼又分取向硅鋼與無取向硅鋼。取向硅鋼的含硅量高于無取向硅鋼，晶粒朝一個(gè)方向排 列，因而磁感高、鐵損低，主要用于變壓器等場(chǎng)景；無取向硅鋼的晶粒排列雜亂無章，但 韌性更好，主要用于電機(jī)等場(chǎng)景。因取向硅鋼制作工藝更加復(fù)雜，價(jià)格一般為無取向硅鋼 的 3 倍左右。 Fe 系合金還有諸如純鐵（霧化鐵粉、羰基鐵粉等）、鐵硅合金、鐵硅鋁合金、鐵鎳合金等。 諸如鐵硅和鐵硅鋁合金等在高頻率和

11、高功率的工作環(huán)境之中做了權(quán)衡，一方面彌補(bǔ)了硅鋼 在高頻率下?lián)p耗大的問題，一方面彌補(bǔ)了鐵氧體在高功率下飽和磁通密度不足的問題，適 用于 20kHz 到 1.5MHz 的工作環(huán)境，應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能、新能源車充電樁、變頻空調(diào)、UPS 等領(lǐng)域。Fe-Ni 系坡莫合金具有很高的磁導(dǎo)率，但飽和磁通密度較小，且居里溫度較低，溫度穩(wěn)定 性不理想。2. 軟磁鐵氧體材料軟磁鐵氧體是以 Fe2O3 為主成分的磁性氧化物，適用于 MHz 段高頻低功率的工作場(chǎng)景。 主要應(yīng)用于電子系統(tǒng)中電磁信號(hào)的感應(yīng)、耦合、轉(zhuǎn)換、變換、傳輸、隔離、吸收，最大的 用途是制作各種電子變壓器、電感器、濾波器 (EMI)等。軟磁鐵氧體的特點(diǎn)使飽和

12、磁通密度小、矯頑力小，但磁導(dǎo)率大。另外，歸功于其致密的氧 化層，電阻率非常高，故渦流損耗小，因此作為高頻工作環(huán)境的磁性材料被廣泛使用。軟 磁鐵氧體由于是燒結(jié)體，燒結(jié)前易于形成各種形狀，但性質(zhì)脆、易破碎。軟磁鐵氧體還有 優(yōu)良的耐腐蝕性和抗氧化性、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。圖：軟磁鐵氧體材料3. 非晶合金材料：待機(jī)電力損耗小的金屬玻璃非晶合金又名金屬玻璃，是 21 世紀(jì)興起的一種新型功能材料，具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相 較于傳統(tǒng)晶態(tài)合金，非晶合金中原子無規(guī)混亂排列，不再表現(xiàn)為長程有序，故電阻率比晶 態(tài)合金高約三倍，從而大大降低了渦流損耗；同時(shí)非晶合金沒有磁晶各向異性，且也不存 在微觀結(jié)構(gòu)缺陷(如位錯(cuò)、晶界等)，

13、從而磁導(dǎo)率高、矯頑力低，另外非晶合金具有更高的 強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，因而得到廣泛關(guān)注。目前，非晶合金材料主要應(yīng)用于配電變壓器領(lǐng)域。除非晶合金之外，配電變壓器使用的另 一種主要材料是硅鋼材料。與硅鋼材料相比，非晶合金材料具有突出的節(jié)能環(huán)保特性。在 制造側(cè)，非晶采用的是急速冷卻工藝制成，從鋼液到非晶合金薄帶制品一次成型，硅鋼采 用傳統(tǒng)鋼鐵冶金制備工藝制成，非晶合金的生產(chǎn)工藝流程顯著短于硅鋼產(chǎn)品；在應(yīng)用側(cè)， 非晶合金材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率等材料特性，電磁能量轉(zhuǎn)換效率顯著優(yōu) 于硅鋼材料，非晶變壓器空載損耗較硅鋼變壓器降幅可達(dá)到 70%左右，實(shí)現(xiàn)使用節(jié)能；在 回收側(cè)，廢舊的非晶鐵心可通

14、過中頻爐重熔后制成非晶合金薄帶，非晶鐵心中的硅、硼元 素基本可以實(shí)現(xiàn)回收再利用，實(shí)現(xiàn)回收節(jié)能。4. 納米晶軟磁材料納米晶主要指鐵基納米晶合金，是由鐵、硅、硼和少量的銅、鈮等元素經(jīng)急速冷卻工藝形 成非晶態(tài)合金后，再經(jīng)過高度控制的退火環(huán)節(jié)，形成具有納米級(jí)微晶體和非晶混合組織結(jié) 構(gòu)的材料。納米晶材料得益于其高飽和磁密、高磁導(dǎo)率、高居里溫度的優(yōu)點(diǎn)，在追求小型化、輕量化、 復(fù)雜溫度的場(chǎng)景下，相比較于鐵氧體軟磁材料有著顯著優(yōu)勢(shì)，主要用于生產(chǎn)電感元件、電 子變壓器、互感器、傳感器等產(chǎn)品，可以應(yīng)用于新能源汽車、消費(fèi)電子、新能源發(fā)電、家 電以及粒子加速器等領(lǐng)域，特別是近年來納米晶合金材料在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域無線充電模

15、塊和 新能源汽車電機(jī)等應(yīng)用的逐步推廣，納米晶合金材料有望迎來廣闊的市場(chǎng)增長空間。2.2. 永磁材料永磁材料一般是指對(duì)鐵等的吸引力強(qiáng)，殘留磁通密度、矯頑力都大，溫度特性優(yōu)異的永磁 體。永磁體可以認(rèn)為是不從外部供給能量，也可以使外部磁場(chǎng)持續(xù)發(fā)生的一類部件，其實(shí) 質(zhì)是擁有高矯頑力，一經(jīng)外部磁場(chǎng)磁化后，即使在相當(dāng)大的反向磁場(chǎng)中也能保持大部分原 磁化方向的磁性。永磁材料同時(shí)還要兼顧優(yōu)良的加工性能，而且小型、輕量、低價(jià)等也是 考慮的因素。當(dāng)然，滿足全部性能要求的永磁體并不存在。磁力強(qiáng)的材料往往溫度穩(wěn)定性差，如稀土永 磁在高溫下退磁嚴(yán)重，而磁力弱的材料往往價(jià)格較低，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)往往相互折中。因此在 選擇永磁體

16、時(shí)往往要根據(jù)使用目的、性能要求和價(jià)格因素等選擇最合適的品種。從材料的角度分類，永磁體可分為非稀土類金屬磁體（金屬永磁）、鐵氧體永磁及稀土永 磁三類。按實(shí)現(xiàn)塊體化的方法分類，永磁體可分為非稀土類金屬磁體（鑄造永磁）、黏結(jié) 永磁、燒結(jié)永磁及熱加工永磁四類。在實(shí)用永磁體中，金屬永磁（鋁鎳鈷永磁體）磁通密度高，溫度特性優(yōu)良，但矯頑力低容 易退磁，且價(jià)格較貴；鐵氧體永磁磁通密度低，溫度特性差，但矯頑力高，價(jià)格便宜；稀 土永磁（釹系永磁、釤系永磁）磁通密度高、矯頑力高，但溫度特性各異、且價(jià)格昂貴。 綜合看，對(duì)于一般應(yīng)用來說，鐵氧體永磁屬于現(xiàn)有使用永磁體中性價(jià)比較為優(yōu)秀的一類。永磁體的應(yīng)用極為廣泛，從揚(yáng)聲器

17、、話筒、電表、按鍵等小型部件，到大型部件如風(fēng)能系 統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及 MRI 的磁場(chǎng)施加裝置等。近年來，新能源車用小型電動(dòng)機(jī)更是為永磁體 的應(yīng)用開辟了廣闊的市場(chǎng)。根據(jù)使用場(chǎng)景的需要，永磁材料可有不同的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。1. 鐵氧體永磁材料鐵氧體以氧化鐵為主成分，一般顯示亞鐵磁性，作為電力、電子相關(guān)的磁性材料被廣泛使 用。鐵氧體按晶體結(jié)構(gòu)不同，大體可以分為三種類型： 1）尖晶石鐵氧體：最常見的鐵氧體軟磁材料，典型的有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、銅鋅 鐵氧體等，特點(diǎn)是磁導(dǎo)率高、電阻大，從而使磁性體中產(chǎn)生的渦流損耗小，因而被高頻線 圈及變壓器中的磁芯材料廣泛應(yīng)用； 2）六方晶鐵氧體：六方晶鐵氧體基于其六方結(jié)構(gòu)，磁各向異性大，從而擁有較大的矯頑 力。代表性的有鍶鐵氧體和鋇鐵氧體，作為永磁體有廣泛應(yīng)用； 3）石榴石鐵氧體：這種鐵氧體也成為稀土類鐵石榴石，