軟磁材料及應(yīng)用

2.1概述2.2軟磁材料理論基礎(chǔ)2.3

金屬軟磁材料2.4

非晶、納米晶軟磁材料2.5

鐵氧體軟磁材料Part2

軟磁磁材料軟磁材料：金屬軟磁鐵氧體軟磁特性要求起始磁導(dǎo)率(μi)、磁損耗(tgδ)、溫度穩(wěn)定性(α)、減落(D)、磁老化(Ia)截止頻率(fr)。理論基礎(chǔ)磁性、結(jié)構(gòu)磁化機(jī)制提高磁性能方法、措施配方、工藝目標(biāo)方案技術(shù)途徑2.1概述能夠迅速響應(yīng)外磁場的變化，且能低損耗地獲得高磁感應(yīng)強度的材料。軟磁材料分類及特性要求軟磁材料的磁滯回線窄而長，起始磁導(dǎo)率μi高，矯頑力Hc小，既容易獲得也容易失去磁性，是極其重要的一類磁性材料。按電阻率的不同，軟磁材料可分為金屬軟磁材料和鐵氧體軟磁材料兩大類，金屬軟磁材料由于其電阻率較低而主要應(yīng)用于頻率較低的場合，鐵氧體軟磁材料則在頻率較高的場合被廣泛采用。

衡量軟磁材料性能優(yōu)劣的主要參數(shù)：起始磁導(dǎo)率(μi)、磁損耗(tgδ)、溫度穩(wěn)定性(α)、減落(D)、磁老化(Ia)截止頻率(fr)。起始磁導(dǎo)率(μi)處于交變磁場中的軟磁材料，其磁導(dǎo)率成為復(fù)數(shù)，其中μ表征儲能特性，而μ″表征能量損耗特征。對于環(huán)形軟磁樣品，可等效為串聯(lián)電路，則電感量Lx及表征磁損耗的等效電阻Rx可分別寫為：式中l(wèi)：磁芯有效長度，N：線圈匝數(shù)，A：磁芯有效截面積，ω：工作角頻率一般情況下，μi高的材料，其μe、μm、μΔ也較高。因此，通常把μi作為軟磁材料的基本特性參數(shù)之一，它是一個沒有量綱的系數(shù)。磁損耗處于交變磁場中的軟磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感應(yīng)強度B滯后于外加交變磁場H，滯后角為δ，從而導(dǎo)致軟磁材料在儲存能量的同時也會損耗能量，用tgδ來表征這種磁損耗B=B0sin(ωt-δ)H=H0sinωt

μ=B/μ0H

溫度穩(wěn)定性軟磁材料的溫度穩(wěn)定性用溫度系數(shù)表示，定義為由于溫度的改變而引起的被測量的相對變化與溫度變化之比，最常用的是磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)

μ式中μθ：溫度為θ時的磁導(dǎo)率；μref：溫度為θref時的磁導(dǎo)率在實際應(yīng)用中，也常用比溫度系數(shù)

μ/μi來表征軟磁材料的溫度特性，因為對于某種軟磁材料而言，比溫度系數(shù)u/μi與形狀和尺寸無關(guān)，是一個常數(shù)，希望這個常數(shù)越小越好。磁導(dǎo)率的減落軟磁材料尤其是鐵氧體軟磁材料在受到外加的電、磁、光、熱和機(jī)械等沖擊后，疇壁易于移動，表現(xiàn)出較高的磁導(dǎo)率，當(dāng)沖擊停止后一段時間內(nèi)，離子或空位在自發(fā)磁化的影響下將逐漸向低能態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)遷移，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降，這種磁導(dǎo)率隨時間的減落是一種可逆變化，它是材料的不穩(wěn)定性之一，可以用下面三個參數(shù)來表示材料的減落特征：(1)減落D：定義為在磁正常狀態(tài)化之后，恒定溫度下經(jīng)過

一定的時間間隔(t1-t2)，材料磁導(dǎo)率的相對減小。式中

1、2分別為給定時間間隔開始(t1)和結(jié)束(t2)時的磁導(dǎo)

率值。(2)減落系數(shù)d：定義為在磁正常狀態(tài)化之后出現(xiàn)的減

落除以兩次測量時間之比的對數(shù)(3)減落因子DF：定義為減落系數(shù)與開始測量時間(t1)測

得的磁導(dǎo)率之比磁老化軟磁材料的磁性能隨時間增長而不斷下降，其原因除減落之外，還可能出現(xiàn)由于材料結(jié)構(gòu)變化而引起的不可逆變化，稱為磁老化，用老化系數(shù)Ia表示。式中1、2分別為老化前后測得的磁導(dǎo)率。

老化系數(shù)的大小與材料值和制造工藝有關(guān)，一般地說高材料的老化系數(shù)較大，而如果采用高溫淬火工藝制造的軟磁材料，則由于保持了高溫狀態(tài)下的一些結(jié)構(gòu)，故有一個向穩(wěn)定狀態(tài)過渡的過程，從而造成老化現(xiàn)象較嚴(yán)重。截止頻率由于軟磁材料疇壁共振及自然共振的影響，使軟磁材料的值下降為起始值的一半且達(dá)到峰值時的頻率，稱為截止頻率fr，它與材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)，各類軟磁材料的截止頻率fr不同，其應(yīng)用頻率上限顯然與fr有關(guān)，fr越高則應(yīng)用頻率的上限越高。除了上述六個參數(shù)以外，軟磁材料在不同的應(yīng)用場合還會有一些特殊的要求，如在高頻大功率下工作時，要求材料的飽和磁感應(yīng)強度Bs和最大磁導(dǎo)率m要高，并且衡量軟磁材料性能的其它參數(shù)還有飽和磁致伸縮系數(shù)s，居里點Tc，密度d，電阻率以及介電常數(shù)等，都會因特定的需要而提出相應(yīng)的要求。f小結(jié)貯能高高的飽和磁感應(yīng)強度靈敏度高初始磁導(dǎo)率，最大磁導(dǎo)率，脈沖磁導(dǎo)率效率高Hc低，電阻率高，損耗小回線矩形比高穩(wěn)定性好磁滯回線較窄矯頑力小磁導(dǎo)率高§2.2.1鐵磁金屬和合金的結(jié)構(gòu)和磁性§2.2.2提高軟磁特性的措施2.2軟磁材料理論基礎(chǔ)一、鐵磁金屬的結(jié)構(gòu)和磁性（一）鐵、鎳、鈷的晶體結(jié)構(gòu)和磁性§2.2.1鐵磁金屬和合金的結(jié)構(gòu)和磁性

鐵Fe（常壓下）：⑴溫度＜912℃體心立方（bcc），鐵磁性的α－Fe， 居里溫度為770℃，易磁化方向為<100>,

難磁化方向為<111>⑵912℃＜溫度＜1394℃

面心立方,

順磁性的γ－Fe⑶溫度＞1394℃

體心立方順磁性的δ－Fe熔點:1538℃

[100][111]鎳Ni（常壓下）：

在常壓下，在熔點以溫范圍內(nèi)，均是面心立結(jié)構(gòu)（fcc）;鎳為鐵磁性金屬居里點為358℃易磁化方向為<111>難磁化方向為<100>[100][111]熔點:1453℃

鈷Co（常壓下）：

⑴

溫度＜450℃

簡單六方結(jié)構(gòu) 鐵磁性的ε-Co

居里點為1117℃

易磁化方向為<0001>

難磁化方向為<1120>和1010>⑵溫度＞450℃至熔點 面心立方γ-Co[1120][1010][0001]軸<1120>和1010>簡單六方體心立方面心立方Fe、Ni、Co鐵磁金屬小結(jié)FeNiCo2.2μB1.7μB0.7μB3d過渡族元素的磁性來源Fe、Ni、Co：

3d電子的交換相互作用，鐵磁性（2.2μB,0.6μB,1.7μB)Cr、Mn：

3d電子的直接交換相互作用，反鐵磁性Cr、Mn的合金或化合物：

3d電子的超交換相互作用，亞鐵磁性或鐵磁性㈡、稀土族元素的結(jié)構(gòu)和磁性⑴結(jié)構(gòu)主要指原子序數(shù)為57（La）至71（Lu）的15個元素，加上性質(zhì)類似的Y和Sc；晶體結(jié)構(gòu)大都為密排六方結(jié)構(gòu)。⑵磁性Gd從0K到居里溫度239K只表現(xiàn)出純粹的鐵磁性，但磁矩的取向隨溫度而變。Gd以前的輕稀土Ce、Nd、Sm具有反鐵磁性。重稀土金屬Tb、Dy、Ho、Er、Tm表現(xiàn)為鐵磁性或亞鐵磁性。Y、Sc、La、Yb、Lu為非磁性稀土元素，但Y、Sc、

Yb的離子具有磁矩。Yb思考題：為什么Y、Sc、La、Yb、Lu為非磁性稀土元素，但Y、Sc、Yb的離子具有磁矩？稀土元素用途大多數(shù)稀土元素呈現(xiàn)順磁性。釓在0℃時比鐵具更強的鐵磁性。鋱、鏑、鈥、鉺等在低溫下也呈現(xiàn)鐵磁性，鑭、鈰的低熔點和釤、銪、鐿的高蒸氣壓表現(xiàn)出稀土金屬的物理性質(zhì)有極大差異。釤、銪、釔的熱中子吸收截面比廣泛用于核反應(yīng)堆控制材料的鎘、硼還大。稀土金屬具有可塑性，以釤和鐿為最好。除鐿外，釔組稀土較鈰組稀土具有更高的硬度。稀土元素已廣泛應(yīng)用于電子、石油化工、冶金、機(jī)械、能源、輕工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。應(yīng)用稀土可生產(chǎn)熒光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲氫材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超導(dǎo)材料、磁致伸縮材料、磁致冷材料、磁光存儲材料、光導(dǎo)纖維材料等。常用的氯化物體系為KCl-RECl3他們在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研中有廣泛的用途，在鋼鐵、鑄鐵和合金中加入少量稀土能大大改善性能。用稀土制得的磁性材料其磁性極強，用途廣泛。在化學(xué)工業(yè)中廣泛用作催化劑。稀土氧化物是重要的發(fā)光材料、激光材料。

/view/310591.htm二、合金的組成1、基本概念合金：由一種金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的、獨立的單元。可以是金屬元素，也可以是化合物。相：合金中具有相同的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)并有界面隔開的獨立均勻部分。組織：材料內(nèi)部的微觀形貌圖象。2、合金的基本相

根據(jù)結(jié)構(gòu)的基本特點分為｛固溶體金屬間化合物固溶體：固溶體是溶質(zhì)組元溶于溶劑點陣中而組成的單一均勻固體（合金相）。

溶質(zhì)只能以原子狀態(tài)溶解，在結(jié)構(gòu)上必須保持溶劑組元的點陣類型。工業(yè)上所使用的金屬材料，絕大部分是以固溶體為基體的，有的甚至完全由固溶體所組成。例如，廣泛用的碳鋼和合金鋼，均以固溶體為基體相，其含量占組織中的絕大部分。

據(jù)溶劑類型一次固溶體二次固溶體按固溶度有限固溶體無限固溶體按溶質(zhì)原子的占位置換固溶體間隙固溶體按溶劑、溶質(zhì)原子間相對分布無序固溶體有序固溶體固溶體分類如α黃銅中，鋅置換了銅原子如α鐵中，碳原子處在鐵原子排列的間隙處⑵金屬間化合物

合金中各組元的化學(xué)性質(zhì)和原子半徑彼此相差很大，或者固溶體中溶質(zhì)的濃度超過了溶解度極限，就不可能形成固溶體，這時，金屬與金屬或非金屬之間常按一定比例和一定順序，共同組成一個新的、不同于其任一組元的典型結(jié)構(gòu)的化合物。這些化合物統(tǒng)稱為金屬間化合物。稀土元素和過渡元素可以形成許多金屬間化合物，其中許多是強磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B就是典型的例子。

金屬間化合物可以大約寫出其分子式，但不一定滿足正?；蟽r平衡的規(guī)律。三、合金的磁性3d過渡族合金的結(jié)構(gòu)和磁性稀土族合金的結(jié)構(gòu)和磁性固溶體的結(jié)構(gòu)和磁性1、3d過渡族合金的結(jié)構(gòu)和磁性多為無序固溶體，且多顯示鐵磁性；合金的自發(fā)磁化與平均外層電子數(shù)（3d+4s）成函數(shù)關(guān)系（p215)2.稀土族合金的結(jié)構(gòu)和磁性多為固溶體和金屬間化合物。目前開發(fā)的稀土永磁材料都是以金屬間化合物為基的材料。晶體結(jié)構(gòu)多為復(fù)雜的四方結(jié)構(gòu)和六方結(jié)構(gòu)。輕稀土化合物中3d-4f電子磁矩是屬鐵磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f電子磁矩是亞鐵磁性耦合。3固溶體的結(jié)構(gòu)和磁性

磁性合金，大部分為無序固溶體、有限固溶體和間隙固溶體；少數(shù)有序固溶體；相當(dāng)多的金屬間化合物。形成置換固溶體時，磁性組元間存在同種原子對和異種原子對兩種不同的交換作用，和非磁性組元間不存在交換作用，致使固溶體中交換相互作用的綜合結(jié)果改變，材料基本磁特性就改變。另一方面，由于溶質(zhì)、溶劑原子尺寸的差別，引起晶格畸變，存在應(yīng)力，使材料的二次磁特性改變，特別對軟磁不利。形成間隙固溶體時，產(chǎn)生的應(yīng)力比置換固溶體的大，對二次磁特性影響很大。有序化對磁性的影響很大，一方面是有序和無序固溶體原子環(huán)境不同，其交換相互作用不同，使基本磁特性變化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸變，而有序化后，有、無序共存都會產(chǎn)生應(yīng)力，使二次磁特性也改變。本征磁特性；二次磁特性

影響磁導(dǎo)率的因素；提高磁導(dǎo)率的措施；損耗（一）、影響磁導(dǎo)率的因素機(jī)理：可逆磁疇轉(zhuǎn)動可逆疇壁位移動力：飽和磁化強度阻力：內(nèi)應(yīng)力、參雜、空泡、晶界

1、可逆磁疇轉(zhuǎn)動

2、可逆疇壁位移

其中疇壁厚度雜質(zhì)直徑雜質(zhì)體積濃度μi=μi轉(zhuǎn)+μi位§2.2.2提高軟磁特