软磁材料基础知识.docx

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软磁材料基础知识

二、基本内容概述

10.1软磁材料的重要指标

重点掌握的几个概念：

起始磁导率（μi）、磁损耗（tgδ）、温度稳定性（αμ）、减落（D）、磁老化（Ia）、截止频率（fr）。

1、起始磁导率（μi）：

，是磁中性状态（H＝0，M＝0）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，μi是一重要参数。

2、磁损耗（tgδ）：

，处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为δ，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会损耗能量，用tgδ来表征这种磁损耗。

3、温度稳定性（αμ）：

，软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比，最常用的是磁导率的温度系数αµ。

在实际应用中，也常用比温度系数αµ/μi来表征软磁材料的温度特性，因为对于某种软磁材料而言，比温度系数u/μi与形状和尺寸无关，是一个常数，希望这个常数越小越好。

4、减落（D）：

，定义为在磁正常状态化之后，恒定温度下经过一定的时间间隔（t1-t2），材料磁导率的相对减小。

式中μ1、μ2分别为给定时间间隔开始（t1）和结束（t2）时的磁导率值。

5、磁老化（Ia）：

，软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示。

式中μ1、μ2分别为老化前后测得的磁导率。

6、截止频率（fr）：

由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的μ'值下降为起始值的一半且μ"达到峰值时的频率，称为截止频率fr。

截止频率fr与材料的组成和显微结构有关，各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高则应用频率的上限越高。

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,λs→0;

●        充分条件

①    原料杂质少，β↓；

②    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λs•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。

③    饱和磁感应强度和居里温度均随含硅量的增加而下降。

④   硬度增加、延伸率、冲击韧性下降。

加工困难。

⑤   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

✧       降低合金的μ0Ms和居里温度。

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----µi、Q、fr、稳定性（αM、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（µi=2000--4⨯104）：

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

①   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λs

✓       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,λs

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→μi↓，fr

✓       .选k1较高的材料为高频材料；

✓       f≤1MHz,以MnZn为主；

✓       f>1MHz,以NiZn为主；

✓       f>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150～200︒C;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（λs<0）材料加张力;k1>0（λs>0）压力；

                     ii.             ②开气隙,使µi↓；

                   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