软磁材料基础知识文档格式.docx
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10.2提高起始磁导率的途径
1、影响磁导率的因素
首先是从磁化的机理(可逆磁畴转动、可逆畴壁位移)分析磁化的动力(饱和磁化强度)和阻力(内应力、参杂、空泡、晶界)。
对于可逆磁畴转动,
,对于可逆畴壁位移,
,其中
,由此可知,磁导率为材料的二级磁参数,不仅与其内禀参数(如Ms、K、λ等)相关,而且与其工艺参数等相关。
2、提高磁导率的条件
必要条件
①
Ms要高(Ms2);
②
k1,s0;
充分条件
原料杂质少,;
密度要提高(P),即材料晶粒尺寸要大(D);
③
结构要均匀(晶界阻滞);
④
消除内应力s•σ;
⑤
.气孔,另相(退磁场)。
10.3金属软磁材料
10.3.1工业纯铁
1、特点
纯度在99.8%以上的铁,不含任何故意添加的合金元素。
室温性能:
Bs=2.15(T),居里点θf=770℃,μm=20000,ρ=0.1×
10-6(Ω.m)。
杂质对其性能有较大影响
2、应用
作金属磁性材料的重要原料;
在直流磁场中,作为恒定磁场中的磁导体。
如作磁极和磁屏蔽。
3、分类
10.3.2铁硅合金
铁硅合金,通常又称为硅钢片、电工钢。
在变压器、电动机、和发电机等电力设备和通信设备中,它是最重要的铁芯材料,在国民经济中占有重要的地位。
1、硅对合金性能的影响
①硅的加入可以降低铁硅合金的磁晶各向异性常数,同时随着硅含量的增大,饱和磁致伸缩系数可以逐渐趋于零。
这对提高磁导率和降低矫顽力是有利的
②添加硅可以提高合金的电阻率。
这对降低涡流损耗特别重要。
饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。
硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。
加工困难。
铁硅合金的密度随含硅量增大而下降,制成铁芯后,对减轻变压器和电机的重量有利。
⑥
硅促进钢中碳的石墨化,退火时钢的脱碳倾向增加,同时还可以与钢中的O2合成SiO2,使钢脱氧。
这样可使损耗下降,磁性能改善,而且避免碳和氧所引起的老化现象。
⑦
硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少,具有较高的稳定性。
2、硅钢片的退火
3、硅钢片的制备
10.3.3铁镍合金(permalloy)
含Ni为30%~90%的铁-镍系软磁合金一般统称为坡莫合金(或叵姆合金)。
1、特点与分类
2、铁镍合金相图
含镍量从30%到100%的镍铁合金在室温下是由单一的面心立方结构的γ相组成。
在合金含量小于30%时,γ相在较低温度下可通过马氏体相变转变为体心立方的α相,这种结构转变有明显的热滞现象,即升温时的α→γ转变a温度和降温时γ→α的转变温度不重合。
两相区难以确定。
在相当于FeNi3、FeNi、Fe3Ni成分处会发生有序和无序相转变。
有序化转变温度在506℃
3、合金成分对电磁性能的影响
电阻率的最大值出现在含Ni量30~40%的范围。
在纯金属中加入杂质元素后,由于电子运动的自由程缩短,电阻率必然增加。
加入的杂质元素愈多,则电阻率值愈高。
对铁镍合金而言,含Ni35%以下,是Ni原子固溶在Fe中。
而Ni35%以上,是Fe原子固溶在Ni
居里温度
在含Ni量为0~10%和65~100%两个成分范围内,居里温度随镍含量的增加而下降。
当含镍量为35%左右时,由于非磁性相的出现,居里温度急剧下降。
在67%Ni附近,由于点阵距离刚好满足出现最大的交换能,故居里温度出现最大值。
饱和磁感应强度
由于镍原子的玻尔磁子数比铁小,所以0~20%Ni之间,Bs随含镍量的增加而下降。
在20~35%Ni范围内,由于出现了非磁性相,Bs发生突变而迅速一降。
磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs
通过控制冷却速度和成分可有效地控制K1和λs,从而达到提高磁性能的目的。
4、热处理对铁镍合金磁性的影响
叵姆处理
获得高磁导率的材料,要使软磁材料呈单相的固溶体、低的K1和s值、高的Bs。
为了避免有序化,同时减少内应力。
一般采用双重热处理(叵姆处理)的方法:
将坡莫合金退火后从600将样品放在铜板上,在空气中急冷,或在随炉冷却后,再加热到600,然后快速冷却,即进行双重热处理。
磁场热处理
将坡莫合金在其居里温度附近加磁场冷却,或进行磁场热处理,在平行所加磁场的方向上测量的磁化曲线均呈出矩形磁滞回线,而在垂直方向上为平直的磁化曲线。
5、多元系坡莫合金
在Ni-Fe合金中加入钼、铬、铜等元素的多元系坡莫合金,可不进行急冷处理,只要冷却速度适当,其初始磁导率可比二元系坡莫合金高几倍。
而且电阻率也比78.5%Ni坡莫合金要高3倍,为0.60×
10-3(Ω.m),但饱和磁感应强度从1.3(T)降到0.6~0.8(T)。
合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能
钼
钼小于15%时,在Ni大于50%铁-镍合金中完全固溶,它使:
电阻率上升
含78.5%Ni的铁-镍合金的K1和λs更接近零
钼可以阻止有序相FeNi3的形成,因而可以降低热处理的冷却速度
钼使K1=0的合金镍含量增加。
4Mo-79Ni
5Mo-80Ni
6Mo-81Ni
降低合金的μ0Ms和居里温度。
铜
改善合金的冷加工性能
铜使合金的μa及μm值提高,且降低了磁导率对成分的敏感性,即当合金成分偏离最佳成分时,对μa及μm值影响不大
铜可抑制合金中有序相FeNi3的形成,因而可以降低热处理的冷却速度
其它元素
锰可提高电阻率、降低矫顽力值,可以脱硫、脱氧、改善热加工性能。
铬使铁镍合金的居里温度降低,抑制有序相的形成,提高合金的电阻率值
钒、铌、钛等可提高合金的硬度,改善耐磨性。
碳可以脱氧,但C含量大于0.05%时使磁性急剧下降。
硅加入0.05%左右对合金磁性有利,因其和锰可复合脱氧,使脱氧颗粒呈大颗粒。
磷大于0.06%时,使合金的μ值急剧下降。
10.3.4纳米晶软磁材料(NanocrystallineSoftMagneticMaterials)
1、纳米晶软磁材料的发展历史
1988Fe-Si-B-Nb-Cu
byYoshizawaetal;
1989Fe-Si-B-Nb-Au
byKataokaetal;
1989Fe-Zr-B(NANOPERM)byMasamotoetal;
1990Fe-Si-B-V-Cu,bySawaandTakahashi;
1991Fe-(Ti,Zr,Hf,Nb,Ta)-B-Cu,bySuzukietal
1991Fe-Si-B-(Nb,Ta,Mo,W)-CubyYoshizawa
1992Fe-Ge-B-Nb-Cu,Fe-Si-B-(Al,P,Ga,Ge)-Nb-CubyYoshizawa
1993Fe-Al-Si-Nb-B,byChouetal;
1994Fe-Si-B-Nb-Ga,byTomida;
1995Fe-Si-B-U-Cu,bySovak;
1996Fe-Si-B-Nd-CubyMulleretal;
1997,HITPERMbyMcHenryinCarnegieMellonUniversity
…
2、纳米晶软磁材料及优异性能的原因
随机备向异性模型
非晶铁磁体随机各向异性模型
纳米晶合金中的随机各向异性模型
Herzer模型
扩展随机各向异性模型
由于超微纳米晶粒间的铁磁交换耦合作用,使纳米晶粒内的局域磁晶各向异性被有效地平均掉了,显著降低了合金的磁各向异性,因而合金具有高软磁性能。
3、几类典型的纳米晶软磁材料
①FINEMET软磁合金
②NANOPERM软磁合金
③HITPERM软磁合金
4、纳米晶软磁材料制备方法
5、纳米晶软磁材料的应用
10.4铁氧体软磁材料
10.4.1软磁铁氧体材料特性要求
四高----µ
i、Q、fr、稳定性(M、DF);
1、软磁铁氧体材料的分类
按晶体结构:
尖晶石型;
平面六角晶系;
按材料应用性能分:
.高磁导率材料(µ
i=2000--4104):
低频、宽频带变压器及小型脉冲变压器;
低损耗材料:
电源磁芯,高功率场合;
低损耗高温定性材料:
通信滤波器磁芯;
高频大磁场材料:
空腔谐振器、高功率变压器等;
功率铁氧体(高Bs)材料:
开关电源及低频功率变压器;
高密度记录材料:
用做录音,录象磁头;
电波吸收体材料:
吸收电磁波能量,广泛应用于抗干扰电子技术。
2、如何提高软磁铁氧体材料的磁导率
提高材料的Ms
选高Ms的单元铁氧体
加入Zn,使MAs降低
②降低k1和s
选L=0的单元铁氧体,MnFe2O4,Li0.5Fe2.5O4
选择L被淬灭;
NiFe2O4
CuFe2O4
离子取代降低k1,s
③显微结构
结晶状态:
晶粒大小、完整性、均匀性;
晶界状态:
厚薄、气孔、另相;
晶粒内气孔,另相:
大小、多少和分布;
高µ
材料:
大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气孔和另相。
2、如何提高软磁铁氧体材料的截止频率
降低ZnO含量→i,fr
.选k1较高的材料为高频材料;
f1MHz,以MnZn为主;
f>
1MHz,以NiZn为主;
100MHz,以平面六角结构材料为主;
3.加入磁晶各向异性很强的离子Co2+;
1>
.冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率;
2>
.形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向异性;
加入低熔点物质PbO、CuO;
掺入低熔点物质,可使T烧降低150~200C;
提高密度;
细化晶粒,磁化过程主要以畴转为主,在MnZn,NiZn;
中都可以运用;
降低烧结温度,细化晶粒;
形成多孔细晶粒结构:
利用形状各向异性,退磁场作用;
(气孔),在NiZn中普遍采用;
应用时:
i.
①对k1<
0(s<
0)材料加张力;
k1>
0(s>
0)压力;
ii.
②开气隙,使µ
i;
iii.
③加直流偏磁场(固定畴壁)。
3、软磁铁氧体的损耗
4、软磁铁氧体的稳定性
磁导率的温度稳定性及其影响因素
磁导率的减落及影响因素