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，來源于不對稱電子的運動產(chǎn)生的磁矩，其相應磁矩分別稱 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：超導體磁性材料是應用廣泛、品種繁多的重要功能材料，按應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率的磁性材料，易于磁化，也易于退磁，如同

2、一個 可以快速充放水的水池。其主要功能是導磁、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 一旦充水就保持常滿的水池。永磁材料廣泛應用于電聲、電子電器、電機、機械設備 等領域。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、 稀土永磁材料和復合永磁材料等。利用上述功能，人們在很早之前便開始制作指南針、變壓器、馬達、揚聲器、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，被廣泛應用于機器人、計算機、工作母機等

3、產(chǎn)業(yè)機械，以及汽車、電腦、音響、電視機、手機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社會發(fā)展的關鍵材料。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，得益于組織的微細化、 晶體學方位的控制、薄膜化、超晶格等新技術的開發(fā)，其特性顯著提高。這些不僅對電子、 信息產(chǎn)品等特性的飛躍提高做出了重要貢獻，而且成為新產(chǎn)品開發(fā)的源動力?；诓煌拇挪木哂胁煌奶匦?，人們給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）：硅鋼材料因為含鐵量高，其飽和磁感應強度高、磁導率高，匹配高壓大電流的高

4、功率 工作環(huán)境。但是同時也是因為含鐵量高導致電阻率低，在高頻下產(chǎn)生的渦流損耗大、 發(fā)熱嚴重，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用于 變壓器、電機等低頻高功率場景。合金軟磁材料多為鐵硅、鐵硅鋁合金，兼具高飽和磁密、高磁導率與高電阻率的優(yōu)點， 匹配中高頻、中高功率的應用場景。但當涉及到 1.5MHz 以上的更高頻的工作環(huán)境時， 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，廣泛應用于消費電子、光伏、新能源車等場景中。鐵氧體軟磁主要

5、應用于高頻低功率的場景。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最大的， 因而在高頻下可以有效降低變化磁場引起的感應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強度不高，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，廣泛應用于消費電子、通信等場合。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、廣泛應用于 配電變壓器等領域，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，是重點發(fā)展的高性能軟磁材 料。得益于較高的磁導率與飽和磁感、較低的矯頑力特性，納米晶材料在 kHz 頻段有 非常好的效果。如在對磁導率要求極高的無線充電應用中，納米晶作為薄且高磁導率 的材料，作為隔磁片被廣泛應用。當頻率上升到 MHz 段時，納米晶因為電阻率不及 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用場景相近，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。鐵氧體永磁的缺點是因為磁

7、能積相對較小，導致 電機體積較大，且材質(zhì)硬而脆不適于加工，主要應用于微型電機如汽車雨刷器馬達、 電動座椅馬達、搖窗器馬達等場景。稀土永磁是更有發(fā)展前景的硬磁材料，缺點是溫 度穩(wěn)定性不高且價格較貴，主要應用于對磁性能要求高的電動汽車電機與體積要求較 高的精密電子等場景。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，實現(xiàn)高效的大功率輸 出。要在更小的體積下實現(xiàn)同樣大小功率的傳輸，便意味著開關頻率的提高。可以形象地 理解為：需要運送 100 噸貨物（總能量需求），大貨車由于速度慢（開關頻率低）每天只 能運送 10 次

8、，每次需要運送 10 噸（電感體積大）；但一輛小轎車由于速度快（開關頻率 高）每天可以運送 20 次，每次只需要運送 5 噸（電感體積變?。Ｒ虼?，未來軟磁材料將 要適配更高的工作頻率與功率，也對于軟磁材料的性能提出了更高的要求。隨著頻率的升高，對于損耗的要求越來越高，對于軟磁材料而言，高頻下高電阻率是關鍵。 高頻中強場下，功率損耗可表達為渦流損耗+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)主導地位，同時隨著頻率的增高，渦流損耗 也會大幅度增高。因此，縮小晶粒尺寸?、提高電阻率?是頻率提高時降低功率損耗的重 要路徑。除對于更高電阻率的要求外，還要求：（1）軟磁材料具有

9、高飽和磁化強度以保證元件有較 小的體積；（2）軟磁材料有足夠高的磁導率和較低的矯頑力，以保證元件單位體積的高儲 能和對外界靈敏的相應；（3）軟磁材料的磁導率有較高的熱穩(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)點在于高磁導率，高飽和磁化強度，但是因為電阻率較低，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 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，可以達到矯頑力低、磁導率高等所期望特性，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)量分數(shù) 5%一般是硅鋼制品的上限。但是 硅鋼因為電阻率小，在高頻環(huán)境下因感應電流產(chǎn)生的渦流損耗大、發(fā)熱嚴重，因此主要應 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，晶粒朝一個方向排 列，因而磁感高、鐵損低，主要用于變壓器等場景；無取向硅鋼的晶粒排列雜亂無章，但 韌性更好，主要用于電機等場景。因取向硅鋼制作工藝更加復雜，價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)境之中做了權衡，一方面彌補了硅鋼 在高頻率下?lián)p耗大的問題，一方面彌補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，應用于光伏儲能、新能源車充電樁、變頻空調(diào)、UPS 等領域。Fe-Ni 系坡莫合金具有很高的磁導率，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景。 主要應用于電子系統(tǒng)中電磁信號的感應、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。軟磁鐵氧體的特點使飽和

12、磁通密度小、矯頑力小，但磁導率大。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體，燒結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、價格便宜等優(yōu)點。圖：軟磁鐵氧體材料3. 非晶合金材料：待機電力損耗小的金屬玻璃非晶合金又名金屬玻璃，是 21 世紀興起的一種新型功能材料，具有獨特的內(nèi)部結構。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；同時非晶合金沒有磁晶各向異性，且也不存 在微觀結構缺陷(如位錯、晶界等)，

13、從而磁導率高、矯頑力低，另外非晶合金具有更高的 強度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，因而得到廣泛關注。目前，非晶合金材料主要應用于配電變壓器領域。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，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；在應用側， 非晶合金材料具有高磁導率、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到 70%左右，實現(xiàn)使用節(jié)能；在 回收側，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 素基本可以實現(xiàn)回收再利用，實現(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)，形成具有納米級微晶體和非晶混合組織結 構的材料。納米晶材料得益于其高飽和磁密、高磁導率、高居里溫度的優(yōu)點，在追求小型化、輕量化、 復雜溫度的場景下，相比較于鐵氧體軟磁材料有著顯著優(yōu)勢，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，可以應用于新能源汽車、消費電子、新能源發(fā)電、家 電以及粒子加速器等領域，特別是近年來納米晶合金材料在新興產(chǎn)業(yè)領域無線充電模

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

16、時往往要根據(jù)使用目的、性能要求和價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 永磁、燒結永磁及熱加工永磁四類。在實用永磁體中，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，且價格較貴；鐵氧體永磁磁通密度低，溫度特性差，但矯頑力高，價格便宜；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、且價格昂貴。 綜合看，對于一般應用來說，鐵氧體永磁屬于現(xiàn)有使用永磁體中性價比較為優(yōu)秀的一類。永磁體的應用極為廣泛，從揚聲器

17、、話筒、電表、按鍵等小型部件，到大型部件如風能系 統(tǒng)的風力發(fā)電機及 MRI 的磁場施加裝置等。近年來，新能源車用小型電動機更是為永磁體 的應用開辟了廣闊的市場。根據(jù)使用場景的需要，永磁材料可有不同的形態(tài)和結構。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、電子相關的磁性材料被廣泛使 用。鐵氧體按晶體結構不同，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，特點是磁導率高、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用； 2）六方晶鐵氧體：六方晶鐵氧體基于其六方結構，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用； 3）石榴石鐵氧體：這種鐵氧體也成為稀土類鐵石榴石，