軟磁材料課件

關(guān)于軟磁材料第1頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.1衡量軟磁材料的重要指標(biāo)起始磁導(dǎo)率高

矯頑力HC

小飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS

高磁損耗小

穩(wěn)定性好

與MS平方成正比；與K1和λS成反比；與內(nèi)應(yīng)力σ和雜質(zhì)濃度β成反比降低HC的方法與提高μi的方法相一致調(diào)節(jié)配方第2頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.2提高起始磁導(dǎo)率的途徑降低磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)λS

改善材料的顯微結(jié)構(gòu)

降低內(nèi)應(yīng)力σ

提高飽和磁化強(qiáng)度MS

MS很難調(diào)整，效果不明顯是最有效的方法，從配方和工藝上使K1→0，λS→0（FeNi合金）

降低雜質(zhì)和氣孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的織構(gòu)化（MnZn合金）第3頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.3金屬軟磁材料電工純鐵硅鋼坡莫合金其它軟磁合金鐵鋁合金鐵硅鋁合金鐵鈷合金第4頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.3.1電工純鐵指純度在99.8％以上的鐵是最早，最常用的純金屬軟磁材料

面心立方體心立方升溫、加壓降溫、降壓第5頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三結(jié)構(gòu)與磁性的變化相結(jié)構(gòu)隨溫度和壓力變化結(jié)構(gòu)和磁性隨溫度變化相結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致磁性變化第6頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三Fe-C相圖Fe3Cd-Feg-Fea-FeL012345671600140012001000800600400T/℃c/%Fe第7頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三含碳量影響磁性能c增加（↑）主要是因?yàn)樘紝?duì)疇壁移動(dòng)形成阻礙作用Cu、Mn、Si、N、O、S等也會(huì)對(duì)軟磁性能產(chǎn)生不利影響max減少（↓）Hc上升（↑）第8頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三電工純鐵的主要用途磁鐵的鐵芯和磁極繼電器的磁路和各種零件感應(yīng)式和電磁式測(cè)量?jī)x表的各種零件揚(yáng)聲器的磁路電話(huà)中的振動(dòng)膜電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極冶金原料…………電工用純鐵主要用于制造：第9頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.3.2硅鋼電工純鐵只能在直流磁場(chǎng)下工作，在交變磁場(chǎng)中，渦流損耗大電阻率（↑），渦流損耗（↓）硅鋼也稱(chēng)硅鋼片或電工鋼片

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)c在0.02％以下，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％～4.5％的Fe合金在純鐵中加入硅，形成固溶體，這樣第10頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三硅鋼的性能60Hz，B=1T,厚度為0.35mm第11頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三冷軋無(wú)取向硅鋼片第12頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三評(píng)價(jià)和用途添加適量硅，K（↓），s（↓），鐵損（↓）因此是非常優(yōu)秀的軟磁材料和交流電器的理想材料主要用于：扼流圈各種形式的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器電磁機(jī)構(gòu)繼電器測(cè)量?jī)x表…………已經(jīng)成為用量最大的磁性材料第13頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.3.3坡莫合金坡莫合金源于英文permalloy是指鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％～90％的鎳鐵合金坡莫合金具有很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬而且磁性能可以通過(guò)改變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)坡莫合金中含有Ni，因此

磁學(xué)特性?xún)?yōu)于硅鋼

價(jià)格貴于硅鋼第14頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三合金成分與磁學(xué)特性急冷是防止Ni3Fe相析出第15頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三典型成分在Ni為75%~83%的范圍內(nèi)，具有最佳的綜合軟磁性能：Ni在81％附近，磁致伸縮系數(shù)s＝0Ni在76％附近，磁各向異性常數(shù)K＝0

但是，飽和磁通密度較低，Ni又是高價(jià)金屬材料所以通常采用Ni為40％～50％的坡莫合金通過(guò)退火除雜后，具有高磁通，較高磁導(dǎo)率可以滿(mǎn)足實(shí)用要求

第16頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三坡莫合金的用途高磁導(dǎo)率的鐵芯材料磁屏蔽材料恒磁導(dǎo)率脈沖變壓器各種矩磁合金熱磁合金磁致伸縮合金…………坡莫合金主要用于：第17頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.3.4其他軟磁合金鐵鋁合金

鐵鋁合金是以鐵和鋁為主要成分的軟磁材料通過(guò)調(diào)解鋁的含量，可以獲得滿(mǎn)足不同要求的軟磁材料：高的磁導(dǎo)率高的電阻率高的飽和磁致伸縮系數(shù)高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性…………鐵鋁合金價(jià)格低廉，常作為鐵鎳合金的替代品。其主要用于磁屏蔽，小功率變壓器，繼電器，微電機(jī)，訊號(hào)放大鐵芯，超聲波換能器元件，磁頭等第18頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三鐵硅鋁合金又稱(chēng)仙臺(tái)斯特合金，是1932年在日本仙臺(tái)被開(kāi)發(fā)出來(lái)的成分為Fe-9.6Si-5.4Al在該成分時(shí)，合金的磁致伸縮系數(shù)s和磁各向異性常數(shù)K1幾乎同時(shí)趨于零，并且具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力。同時(shí)，不需要高價(jià)的Co和Ni，而且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料材料比較理想。第19頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三鐵鈷合金鐵鈷合金具有高的飽和磁化強(qiáng)度，在Co為35％時(shí)，最大飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到2.45T。在Co為50％左右的鐵鈷合金，具有高的飽和磁化強(qiáng)度，高的初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料以及電話(huà)受話(huà)器的振動(dòng)膜片等。此外，由于鐵鈷合金具有較高的飽和磁致伸縮系數(shù)，也是一種很好的磁致伸縮合金。第20頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.4鐵氧體軟磁材料軟磁鐵氧體最早由Snock于1935年研制成功的這類(lèi)材料具有窄而長(zhǎng)的磁滯回線(xiàn)，矯頑力HC小，既容易獲得磁性，也容易失去磁性。軟磁鐵氧體的磁性來(lái)源于亞鐵磁性，故飽和磁化強(qiáng)度MS較金屬低，但比金屬軟磁的電阻率要高得多，因此具有良好的高頻特性。在弱電高頻技術(shù)領(lǐng)域，軟磁鐵氧體具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于有線(xiàn)通訊、無(wú)線(xiàn)通訊、廣播、電視、航天技術(shù)及其它電子科技中用作電感元件和變壓器等。其應(yīng)用頻率從幾百赫的音頻范圍到千兆赫的微波頻段。發(fā)展最早，應(yīng)用最廣的一類(lèi)鐵氧體材料

第21頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三軟磁鐵氧體材料類(lèi)別軟磁鐵氧體材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石型鐵氧體以及Co2Y，Co2Z等平面六角型鐵氧體。在1MHz頻率下，錳鋅鐵氧體應(yīng)用極廣。其磁滯損耗低，在相同高磁導(dǎo)率的情況下居里溫度較NiZn高，起始磁導(dǎo)率i高，且價(jià)格低廉。在1～100MHz范圍內(nèi)，鎳鋅鐵氧體應(yīng)用最廣。因?yàn)镹i2+不易變價(jià)，電阻率高，適用于作高頻軟磁材料，且頻帶寬。由于鎳的價(jià)格較高，在頻率低于30MHz的情況下，可以用價(jià)格便宜的鎂鋅鐵氧體來(lái)代替，只是性能稍差一些。第22頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三軟磁鐵氧體主要應(yīng)用方向由于晶體結(jié)構(gòu)的限制，立方晶系鐵氧體的使用頻率大體上僅能在數(shù)百兆赫之下。幾百兆赫到數(shù)千兆赫的高頻軟磁材料基本上是以平面型六角晶系鐵氧體為主現(xiàn)代軟磁鐵氧體材料發(fā)展的主要方向：?高磁導(dǎo)率材料，i>104，用于寬頻帶變壓器、低頻變壓器、小型環(huán)形脈沖變壓器和微型電感器等。?高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低功耗材料（又稱(chēng)功率鐵氧體）。用于開(kāi)關(guān)電源、電視機(jī)偏轉(zhuǎn)磁芯及U型磁芯第23頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.5非晶及納米晶軟磁材料晶態(tài)與非晶態(tài)晶態(tài)DE1AEnCE2B晶態(tài)與非晶的原子排布晶態(tài)與非晶的能壘模型第24頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.5.1非晶態(tài)軟磁材料?作為磁性材料，磁導(dǎo)率高，矯頑力低。?原子排布為長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序；?不存在位錯(cuò)及晶粒邊界；?加熱具有結(jié)晶化傾向；?電阻率比晶態(tài)材料高；?機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高；電阻率高，渦流損耗小。所以，非晶態(tài)材料擁有優(yōu)良的綜合軟磁性能非晶態(tài)材料的特征：第25頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三典型的非晶態(tài)磁性材料其中T為Fe，Co；R為Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（光磁記錄材料）。?3d過(guò)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。例如Co-Fe-B-Si非晶薄帶（音頻磁頭等），F(xiàn)e-Si（磁芯材料），F(xiàn)e78Si10B12（高磁致伸縮材料）。?3d過(guò)渡金屬（T）－金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；金屬為T(mén)i，Zr，Nb，Ta等。例如，Co-Nb-Zr系濺射薄膜，Co-Ta-Zr系濺射薄膜（VTR磁頭，薄膜磁頭）。?過(guò)渡金屬（T）－稀土類(lèi)金屬（R）系。第26頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三非晶態(tài)材料的制備方法氣體液體非晶體晶體高能粒子注入（平衡）（獲得非晶態(tài)的途徑用空心箭頭標(biāo)出）非晶材料的制備方法氣相沉積；液相急冷；高能粒子注入非晶材料制備方法通常有：第27頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三非晶軟磁材料的應(yīng)用……

鐵基非晶帶的損耗僅為硅鋼的1/3，在電力工業(yè)中應(yīng)用可以顯著地降低損耗，但由于成本較高，目前尚難以大量取代傳統(tǒng)的材料現(xiàn)在在下列方面獲得應(yīng)用：高功率脈沖變壓器航空變壓器開(kāi)關(guān)電源第28頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三環(huán)型非晶電感線(xiàn)圈第29頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三4.5.2納米晶軟磁材料1988年，Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過(guò)晶化處理開(kāi)發(fā)出納米晶軟磁合金（Finemet）。此類(lèi)合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感應(yīng)強(qiáng)度和鈷基非晶合金的高磁導(dǎo)率、低損耗，并且是成本低廉的鐵基材料。鐵基納米晶合金的發(fā)明是軟磁材料的一個(gè)突破性進(jìn)展。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)或正在開(kāi)發(fā)研究的系統(tǒng)有Fe-Cu-M-Si-B（M為Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、Fe-M-C和Fe-M-V（M為T(mén)a等耐熱金屬）系等納米晶軟磁材料。第30頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三晶粒尺寸與矯頑力的關(guān)系納米晶軟磁發(fā)明之后，才全面認(rèn)識(shí)到晶粒尺寸與矯頑力的關(guān)系第31頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三納米晶與鐵氧體、非晶性能對(duì)比FinemetFT-1KMMnZn鐵氧體Co基非晶Fe基非晶10kHz500005300900004500100kHz1600030%5300180004500飽和磁通密度BST1.350.440.531.56矯頑力HCA/m1.38.00.325.0矩磁比（Br/BS）0.600.230.500.65磁芯損耗PCkW/m335012003002200居里溫度TC℃570150180415飽和磁致伸縮常數(shù)S10-6+2.3~0+27電阻率m1.110-60.201.310-61.410-6密度dSMg/m37.44.857.77.18第32頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三各類(lèi)軟磁材料性能比較Co基非晶合金納米微晶Fe-M-B基合金Mn-Zn鐵氧體Fe基非晶合金硅鋼納米微晶Fe-Si-B-Nb-Cu合金5020105210.50.20.1×1040.501.51.02.03.02.5μiBS（T）坡莫合金第33頁(yè)，講稿共38頁(yè)，2023年5月2日，星期三