软磁材料1教案资料

1、软磁材料1主要磁性材料简介主要磁性材料简介 1. 1. 永磁材料：永磁材料：永磁铁氧体、稀土永磁. 2.2. 软磁材料：软磁材料：铁氧体软磁、纳米微晶软磁、块体非晶、软磁颗粒膜. 3.3. 磁记录材料磁记录材料 4.4. 高温磁制冷材料高温磁制冷材料 5. 5. 自旋电子学材料自旋电子学材料第4章 软磁材料4.1 衡量软磁材料的重要指标 l144.2 提高起始磁导率的途径 1154.3 金属软磁材料 l16 4.3.1 电工纯铁 116 4.3.2 硅钢 118 4.3.3 坡莫合金 12D 4.3.4 其他软磁合金 1224.4 铁氧体软磁材料 1234.5 纳米晶软磁材料 (非晶态/纳米晶

2、)软磁材料软磁材料用途：用途：变压器、电机、电感与继电器的铁(磁)心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。定义定义:能够迅速响应外磁场的变化，能低损耗地获得高磁感应强度，既容易受外加磁场磁化和退磁的材料。Hc100A/m(1.25 Oe)对软磁材料的基本要求有：a. 初始磁导率i和最大磁导率 max要高；b.饱和磁感应强度Ms要高c. 矫顽力Hc小；d. 功率损耗P要低；e. 高的稳定性。软磁材料的种类和用途 合金: 硅钢(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙台斯 特 合金(Fe- Si-A1); 发电机、变压器、马达 软磁铁氧体： MnZn系、NiZn系、MgZn系等，多用于变压器、线圈、天

3、线、磁头、开关等。 非晶态、纳米晶和薄膜: 可以根据需要制备特殊用途的磁性材料，如超晶格。软磁材料的发展历史 铁氧体尚未问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域。金属磁饱和磁化强度远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是铁硅合金材料。金属软磁材料低电阻率的特性导致趋肪效应，涡流损耗限制了其在高频段的应用。 20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产，金属软磁材料慢慢退出应用市场，仅局限于某些特殊的应用。 50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。软磁材料的性能常因应用而异，但通常希望高磁导率、低损耗。因矫顽力与晶粒尺寸成反比，因此以往追求的是材料的显微结构

4、尽可能均匀，晶粒尺寸尽可能大。软磁材料的发展历史 1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，均发现了非常优异的软磁特性。人们发现，在定尺、十范国内，矫顽力与晶粒尺寸的六次方成正比。于是软磁材料的研制又朝着另外一个方向发展，要求晶粒尺寸尽可能小，以致达到纳米数量级。 90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁氧体的新的竞争对手，在性能上它远优于铁氧体，但在性价比上尚处于劣势，在市场占有率上一时还不会对铁氧体构成威胁，但在高技术领域的应用中它将大显身手。4.1 衡量软磁材料的重要指标一、起始磁导率 二、矫顽力 Hc三、饱和磁

5、感压强度Ms四、磁损耗五、稳定性一、起始磁导率在实际磁化过程中，起始磁导率应是畴转磁化和畴壁位移磁化这两个过程的迭加:决定磁导率的主要因素 主要因素: (Ms, K1, s, 等基本磁特性参数) 起始磁导率i都有一个共同的特点: 即与材料的饱和磁化强度Ms的平方成正比; 与材料的K1和s成反比; 与材料中的内应力，和杂质浓度成反比。 次要因素: (， ) 和的大小及其对磁导率的影响会随加工条件和实际情况而变化。二、矫顽力 Hc 软磁材料的基本性能要求是，能快速地响应外磁场变化，这就要求材料具有低矫顽力值。 图为在低磁场时就表现出灵敏的响应。软磁材料典型的磁滞回线示意图影响矫顽力Hc的因素 软磁

6、材料的矫顽力较低: 通常约为0.1-100 A/m数量级。 软磁材料的反磁化过程主要是通过畴壁位移来实现的，因此材料内部应力起伏和杂质的含量与分布成为影响矫顽力Hc的主要因素。对于内应力不易消除的材料，应着重考虑降低 s；对于杂质含量较多的材料应着重考虑降低Kl值。 对于软磁材料，在提高i 的同时可以实现降低Hc的目的。三、饱和磁感压强度Ms 饱和磁感应强度地是软磁材料的又一重要磁性参量。软磁材料通常要求其具有高的饱和磁感应强度Ms，这样不仅可以获得高的i 值，还可以节省资源，实现磁性器件的小型化。 在软磁材料中可以通过选择适当的配方成分，来提高材料的Ms值。然而，实际情况是，材料的Ms值一般

7、不可能有很大的变动。四、磁损耗 软磁材料多用于交流磁场，因此动态磁化造成的磁损耗不可忽视。 动态磁化所造成的磁损耗包括3个部分：涡流损耗，磁滞损耗和剩余损耗。 随着交流磁场频率的增加，软磁材料动态磁化所造成的磁损耗增大。动态磁化特性 瑞利磁滞回线：当外磁场的振幅不大（磁化基本上为可逆）时，得到在原点附近具有正负对称变化的磁滞回线。 磁滞损耗：Wh = (3/4)f(Hm)3 涡流损耗：P = (r02/8)(dM/dt)2 (均匀磁化) (趋肤效应) P = (r02/2)(dM/dt)2 (非均匀磁化) 磁后效应：磁化强度M(或B)跟不上磁场变化的延迟现象。(扩散磁后效、约旦磁后效: M(T

8、) M(0) = dSVlogt ，SV磁后效系数， d微分磁导率。复数磁导率 交变磁场中的磁体：存在磁滞效应、涡流效应、磁后效应、畴壁共振等。 交变磁场：H = Hmeit B = Bmei（t-） 复数磁导率： = (1/0)(B/H) = (Bm/0Hm)e-i = - i 磁损耗功率密度：P耗 = (1/T)0THdB = f0Hm2 储能密度：WC = (1/T) 0THBdt = (1/2) 0Hm2 品质因子：Q = 2 f(Wc/P耗) = / 磁损耗系数(损耗角正切): tan = 1/Q = /五、稳定性 高科技特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁材料不但要高i ,低损耗等

9、，更重要的是高稳定性。 软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高，减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。 影响软磁材料稳定工作的因素有低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等，在这些因素的影响下，软磁材料的基本特性参数发生变化，从而导致性能的变化。4.2 提高起始磁导率的途径 必要条件：提高Ms并降低K1、s ：的值. 充分条件：降低杂质浓度，提高密度，增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响。这都与配方的选择和工艺条件密切相关。提高起始磁导率i的途径一、提高Ms降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数s 材料的起始磁导率i 与Ms的

10、平方成正比。 最有效方法是从配方和工艺上使K10，s 0. 例如：CoFe2O4、Fe3O4Ms虽高，但K1和s太大。Fe19Ni81： s 0；Fe24Ni76： K10；Fe21.5Ni78.5： i 104. 选用K1和s很小的铁氧体作为基本成分：MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4。二、改善材料的显微结构 选择原料纯度高、活性好、适当的热处理条件，可以使烧成的材科结构均匀、杂质和气孔较少。 晶粒增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，i 升高。 材料的织构化：结晶织构是将各晶粒易磁化轴排列在同一方向；磁畴织构是使磁畴沿磁场方向取向，从而提高i 值。三、降低内应力

11、由磁化过程的磁致伸缩引起的内应力，它与s 成正比。 烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。可以采用低温退火消除。 气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。原材料的优选以及工艺过程的严格拉制来消除。4.3 金属软磁材料4.3.1 电工纯铁 1164.3.2 硅钢 1184.3.3 坡莫合金 12D4.3.4 其他软磁合金 1224.3.1 4.3.1 电工纯铁电工纯铁 纯度：纯度：电工纯铁是指纯度在99.8以上。冶炼时，首先用氧化渣除之碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。 软磁性能：软磁性能：经过退火热处理，起始磁导率i 为300500，最大磁导

12、率max为(612)103, Hc为39.895.5 A/m。(0.51.2Oe) 1 A/m =4p p/ 103 Oe 主要用途：主要用途：在直流磁场下工作的器件。制造电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路，感应式和电磁式测量仪表的零件，扬声器的各种磁路，电话中的振动膜、磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。去应力退火：去应力退火：消除加工应力。保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。去除杂质处理：去除杂质处理：纯铁中的杂质（ C，Mn

13、，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。软磁材料软磁材料电工纯铁电工纯铁工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能软磁材料软磁材料纯铁的磁时效人工时效处理：人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。纯铁的自然磁时效现象：纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附近特别明显。引起时

14、效的原因是由于在Fe中含有N，逐渐形成铁的氮化物所致。纯铁的缺点：纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。 我国电工纯铁的磁性和用途4.3.2 电工硅钢电工硅钢 电工硅钢片（电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）：软磁合金）：电工纯铁只能在直流磁场下工作，为了克服在交变磁场下涡流损耗大的缺点，加入少量硅，形成固溶体，提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数。Si含量的增大会使材料变脆。 成分：成分：碳的质量分数Wc在0.02%以下，硅的质量分数为（1.54.5）%

15、。 主要用途：主要用途：广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。主要用于制造大电流、频率50400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等。 制造工艺：制造工艺：分为热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。 热轧的温度与锻造温度相近，如钢材的热压温度在8001250。 冷轧一般用于生产带材，其轧速较高。轧制过程中都需要使用润滑剂，其作用是减少摩擦和轧辊的磨损以及温度的控制。电工硅钢电工硅钢 软磁

16、材料软磁材料电工硅钢电工硅钢与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。 电工硅钢片热轧硅钢片（DR）冷轧无取向硅钢片（ DW）冷轧单取向硅钢片（ DQ）电讯用冷轧单取向硅钢片（ DG）软磁材料软磁材料冷轧硅钢带在冷轧单取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成高斯(GOSS)织构，如图示意，晶体的(110)面与轧制平面平行，易磁化的001轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的110轴。

17、最难磁化的111轴与轧制方向成54.79角。 冷轧单取向硅钢的晶粒取向 软磁材料软磁材料电工硅钢电工硅钢单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。 织构取向度的影响：取向度7o加微量Al等、形成AlN,可使范围减小，取向度 105 K/s 铁基非晶最大厚度: tmax25m;铁镍基: tmax50 m. 块体金属玻璃块体金属玻璃(BMGBMG)冷却速度: RcZrMgLnTi-Cu-FeNi=CoCa. Inoue经验法则:由3种以上组

18、元形成多元合金系;主要组元间原子尺寸差异大于12%; 3种主要组元混合热为负值(放热反应) 铁基非晶带的损耗仅为传统FeSi合金的1/3，在电力工业中应用可以显著地降低损耗.但由于成本较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用。另外，钴基和铁镍基非晶作为防盗标签在图书馆和超级市场中获得了大量的应用。纳米晶软磁材料 历史：1988年，日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金(Finemet)。 优点：突出优点在于兼备了铁基铁基非晶合金的高Ms和钴基钴基非晶合金的高磁导率、低损耗高磁导率、低损耗，并且是成本低廉的铁基材料。 原因： 纳米晶合金具有优良的软磁性质与其特殊的组织结构是分不开的。纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换相互作用长度，导致平均磁晶各向异性很小各向异性很小。同时，通过调整合金成分，可以使其磁致伸缩趋近于零磁致伸缩趋近于零。FeCuNbSiB非晶合金晶化过程示意图各类软磁材料性能比较软磁材料矫顽力与晶粒尺寸的关系铁氧体、非晶材料与纳米微晶材料的特性对比习题1. 对