磁性材料第二章

磁性材料第二章第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*主要的軟磁材料：（1）合金－－如硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙臺斯特合金（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、通信各領域。優(yōu)點：其MS遠高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點：渦流損耗限制了其在高頻段的應用。（2）20世紀40年代開始，軟磁鐵氧體由實驗室走向工業(yè)生產。50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨占鰲頭。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二（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爭對手。

優(yōu)點：性能上遠優(yōu)于鐵氧體；缺點：性價比上尚處于劣勢。2.1衡量軟磁材料的重要指標1、起始磁導率第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二主要因素：基本上不隨加工條件和應用情況變化。次要因素：會隨加工條件和應用情況而變化。2、矯頑力HC量級：10-1A/m~102A/m*材料內部應力起伏和雜質的含量與分布是影響HC的主要因素。*降低HC的方法與提高i的方法相一致。3、飽和磁感應強度MS*高的MS

高的i值；節(jié)省資源，實現(xiàn)器件的小型化*提高MS的方法：選擇適當?shù)呐浞匠煞?，但實際上MS值一般不可能有很大的變動。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二4、磁損耗*軟磁材料多用于交流磁場，因此動態(tài)磁化造成的磁損耗不可忽視。5、穩(wěn)定性*高穩(wěn)定性是指磁導率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，隨時間的老化要盡可能地小，以保證其長壽命工作于太空、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、機械負荷、電離輻射等第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.2提高起始磁導率的途徑必要條件：提高MS并降低K1、S的值充分條件：降低雜質濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結構均勻化，消除內應力和氣孔的影響。1、提高MS*選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動不大。*選擇配方時更要考慮K1、S對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，2023年，2月20日，星期二2、降低K1和S*提高i的最有效方法從配方和工藝上使K1

0、S0*鐵氧體軟磁材料：配方時選擇K1和S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正負K1、S補償或添加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的耦合作用。*例：Fe-Ni合金質量分數(shù)Ni81%時，S0；Ni76%時，K10；Ni78.5%Fe-Ni合金經過熱處理后，i可達104

*選擇適當合金成分和熱處理條件可以控制K1和S在較低值第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二3、改善材料的顯微結構*材料的顯微結構是指結晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性、織構等)、晶界狀態(tài)、雜質和氣孔的大小與分布等。*雜質、氣孔的含量與分布是影響i的重要因素。

降低雜質、氣孔的方法：原材料、燒結溫度及熱處理條件的選擇*平均晶粒尺寸對i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對疇壁位移的阻滯作用減小，i升高。例：MnZn鐵氧體尺寸5m以下時，i～500；尺寸在5m以上時，i～3000

*晶粒尺寸長大的方法：適當提高燒結溫度，但溫度過高，便會形成氣孔，導致i下降。*材料的織構化，包括結晶織構和磁疇織構，都可提高i第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二4、降低內應力*根據(jù)內應力的不同來源，可采用不同的方法：(1)磁致伸縮引起的內應力，與S成正比，可通過降低S來減小此應力。(2)燒結后冷卻速度太快，會造成晶格畸變，產生內應力?？刹捎玫蜏赝嘶鹛幚韥硐龖?。(3)氣孔、雜質、晶格缺陷等因素在材料內部產生應力?？赏ㄟ^原材料的優(yōu)選以及工藝過程的嚴格控制來消除。第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.3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，首先用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時在鋼包中添加脫氧劑獲得。經過退火熱處理i（300~500）,max（6000~12000）,HC（39.8~95.5）*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，以消除鐵中碳對疇壁移動的阻礙作用。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*電工純鐵存在時效現(xiàn)象原因：高溫時鐵固溶體內溶解有較多的碳或氮，產品快速冷卻到室溫時，溶解度減小，F(xiàn)e3C或Fe4N由固溶體中以細微彌散形式析出，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有足夠的時間析出、長大為對磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。*應用：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀表的各種零件，揚聲器的各種磁路，電話中的振動膜、磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極，冶金原料等。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.3.2硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）*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：電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作時渦流損耗大。*碳的質量分數(shù)在0.02％以下，硅的質量分數(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），因此硅質量百分含量5％為一般硅鋼制品的上限。第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*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，2023年，2月20日，星期二*按照材料的生產方法、結晶織構和磁性能，電工用硅鋼片可分為：熱軋非織構(無取向)、冷軋非織構(無取向)、冷軋高斯織構(單取向)、冷軋立方織構(雙取向)的硅鋼片。*例：高斯織構符號(110)[001]；立方織構符號(100)[001]。*電工硅鋼片制造工藝：熱軋和冷軋兩種，以在結晶溫度為區(qū)分點。*應用：電動機、發(fā)電機、變壓器、電磁機構、繼電器電子器件及測量儀表中。第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.3.3坡莫合金*1913年被開發(fā)出來，鎳的質量分數(shù)為30％-90％的鎳鐵合金。*優(yōu)點：很高的磁導率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變成分和熱處理工藝等進行調節(jié)，延展性好，低的損耗。*缺點：BS低，Ni是高價金屬。*Ni：75％~83%范圍時，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時BS較低。*應用：可用作在弱磁場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，2023年，2月20日，星期二第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.3.4其它軟磁合金*應用：由于價格優(yōu)勢，常用作Fe-Ni合金的替代品。1、鐵鋁合金*優(yōu)點：價格低；通過調解鋁的含量，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、強度和耐磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對應力不敏感，適于在沖擊、振動等環(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年在日本仙臺被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺斯特合金，成分為Fe－9.6Si－5.4Al。該成分時，K1和S幾乎同時趨于零，且具有高和低HC。不需要高價的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，2023年，2月20日，星期二*應用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機定子材料、電話受話器的振動膜片，磁致伸縮材料。3、鐵鈷合金*優(yōu)點：高的MS；Co~50％，同時有高的MS，i，max*缺點：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；Co價格貴第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2.4鐵氧體軟磁材料*最早由荷蘭菲利普實驗室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，高品質因數(shù)Q，高（時間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率fr。*除基本要求外，對應不同的應用場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損耗越大越好。*按晶體結構進行分類：第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結構的mMnFe2O4?nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。*低頻段應用極廣（～500kHz以下），優(yōu)點：磁滯損耗低，相同磁導率情況下居里溫度較NiZn高，i高(可達4×104～1×105)，價格低廉。*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，1－100MHz。1MHz以下時，其性能不如MnZn鐵氧體，而在1MHz以上時，優(yōu)于MnZn鐵氧體，因它具有多孔性及高電阻率。*特點：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；Ni價格高，小于30MHz時，可用MgZn鐵氧體替代（性能稍差）。第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*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5－10倍。*從應用角度軟磁鐵氧體大致可分為：（1）高磁導率材料，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，2023年，2月20日，星期二2.5納米晶軟磁材料*特征：（1）短程有序，長程無序；（2）不存在位錯和晶界，具有高磁導率和低矯頑力；（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，結構不穩(wěn)定，加熱時有結晶化傾向；（5）機械強度較高且硬度較高；（6）抗化學腐蝕能力強，抗射線及中子等輻射能力強。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)軟磁材料的結構和性能第27頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二*目前已達到實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：磁導率較高；鈷基：適宜作為高頻開關電源變壓器。2)3d過渡金屬(T)－金屬系。金屬為Ti，Zr，Nb，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、制備與應用非晶態(tài)：結晶化前的中間狀態(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晶便凝固下來。第28頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二制備方法：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)此類技術主要有：真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學沉積等第29頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二2、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流連續(xù)噴射到高速旋轉的冷卻輥表面液態(tài)合金以106～108K/S高速冷卻形成非晶態(tài)第30頁，共35頁，2023年，2月20日，星期二3、高能粒子注入采用大功率高能粒子輸入