软磁材料课件

关于软磁材料第1页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.1衡量软磁材料的重要指标起始磁导率高

矫顽力HC

小饱和磁感应强度MS

高磁损耗小

稳定性好

与MS平方成正比；与K1和λS成反比；与内应力σ和杂质浓度β成反比降低HC的方法与提高μi的方法相一致调节配方第2页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.2提高起始磁导率的途径降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λS

改善材料的显微结构

降低内应力σ

提高饱和磁化强度MS

MS很难调整，效果不明显是最有效的方法，从配方和工艺上使K1→0，λS→0（FeNi合金）

降低杂质和气孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的织构化（MnZn合金）第3页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.3金属软磁材料电工纯铁硅钢坡莫合金其它软磁合金铁铝合金铁硅铝合金铁钴合金第4页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.3.1电工纯铁指纯度在99.8％以上的铁是最早，最常用的纯金属软磁材料

面心立方体心立方升温、加压降温、降压第5页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三结构与磁性的变化相结构随温度和压力变化结构和磁性随温度变化相结构的变化导致磁性变化第6页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三Fe-C相图Fe3Cd-Feg-Fea-FeL012345671600140012001000800600400T/℃c/%Fe第7页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三含碳量影响磁性能c增加（↑）主要是因为碳对畴壁移动形成阻碍作用Cu、Mn、Si、N、O、S等也会对软磁性能产生不利影响max减少（↓）Hc上升（↑）第8页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三电工纯铁的主要用途磁铁的铁芯和磁极继电器的磁路和各种零件感应式和电磁式测量仪表的各种零件扬声器的磁路电话中的振动膜电机中用以导引直流磁通的磁极冶金原料…………电工用纯铁主要用于制造：第9页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.3.2硅钢电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场中，涡流损耗大电阻率（↑），涡流损耗（↓）硅钢也称硅钢片或电工钢片

碳的质量分数c在0.02％以下，硅的质量分数为1.5％～4.5％的Fe合金在纯铁中加入硅，形成固溶体，这样第10页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三硅钢的性能60Hz，B=1T,厚度为0.35mm第11页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三冷轧无取向硅钢片第12页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三评价和用途添加适量硅，K（↓），s（↓），铁损（↓）因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料主要用于：扼流圈各种形式的电动机、发电机和变压器电磁机构继电器测量仪表…………已经成为用量最大的磁性材料第13页，讲稿共38页，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是指镍的质量分数为30％～90％的镍铁合金坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节坡莫合金中含有Ni，因此

磁学特性优于硅钢

价格贵于硅钢第14页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三合金成分与磁学特性急冷是防止Ni3Fe相析出第15页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三典型成分在Ni为75%~83%的范围内，具有最佳的综合软磁性能：Ni在81％附近，磁致伸缩系数s＝0Ni在76％附近，磁各向异性常数K＝0

但是，饱和磁通密度较低，Ni又是高价金属材料所以通常采用Ni为40％～50％的坡莫合金通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率可以满足实用要求

第16页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三坡莫合金的用途高磁导率的铁芯材料磁屏蔽材料恒磁导率脉冲变压器各种矩磁合金热磁合金磁致伸缩合金…………坡莫合金主要用于：第17页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.3.4其他软磁合金铁铝合金

铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料：高的磁导率高的电阻率高的饱和磁致伸缩系数高的硬度、强度和耐磨性…………铁铝合金价格低廉，常作为铁镍合金的替代品。其主要用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放大铁芯，超声波换能器元件，磁头等第18页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三铁硅铝合金又称仙台斯特合金，是1932年在日本仙台被开发出来的成分为Fe-9.6Si-5.4Al在该成分时，合金的磁致伸缩系数s和磁各向异性常数K1几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。同时，不需要高价的Co和Ni，而且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。第19页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三铁钴合金铁钴合金具有高的饱和磁化强度，在Co为35％时，最大饱和磁化强度达到2.45T。在Co为50％左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强度，高的初始磁导率和最大磁导率。铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，也是一种很好的磁致伸缩合金。第20页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.4铁氧体软磁材料软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易获得磁性，也容易失去磁性。软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性，故饱和磁化强度MS较金属低，但比金属软磁的电阻率要高得多，因此具有良好的高频特性。在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。发展最早，应用最广的一类铁氧体材料

第21页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三软磁铁氧体材料类别软磁铁氧体材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石型铁氧体以及Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体。在1MHz频率下，锰锌铁氧体应用极广。其磁滞损耗低，在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高，起始磁导率i高，且价格低廉。在1～100MHz范围内，镍锌铁氧体应用最广。因为Ni2+不易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。由于镍的价格较高，在频率低于30MHz的情况下，可以用价格便宜的镁锌铁氧体来代替，只是性能稍差一些。第22页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三软磁铁氧体主要应用方向由于晶体结构的限制，立方晶系铁氧体的使用频率大体上仅能在数百兆赫之下。几百兆赫到数千兆赫的高频软磁材料基本上是以平面型六角晶系铁氧体为主现代软磁铁氧体材料发展的主要方向：☞高磁导率材料，i>104，用于宽频带变压器、低频变压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器等。☞高饱和磁感应强度低功耗材料（又称功率铁氧体）。用于开关电源、电视机偏转磁芯及U型磁芯第23页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.5非晶及纳米晶软磁材料晶态与非晶态晶态DE1AEnCE2B晶态与非晶的原子排布晶态与非晶的能垒模型第24页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.5.1非晶态软磁材料☞作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。☞原子排布为长程无序、短程有序；☞不存在位错及晶粒边界；☞加热具有结晶化倾向；☞电阻率比晶态材料高；☞机械强度较高且硬度较高；电阻率高，涡流损耗小。所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能非晶态材料的特征：第25页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三典型的非晶态磁性材料其中T为Fe，Co；R为Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（光磁记录材料）。►3d过渡金属（T）－非金属系。其中T为Fe，Co，Ni等；非金属为B，C，Si，P等。例如Co-Fe-B-Si非晶薄带（音频磁头等），Fe-Si（磁芯材料），Fe78Si10B12（高磁致伸缩材料）。►3d过渡金属（T）－金属系。其中T为Fe，Co，Ni等；金属为Ti，Zr，Nb，Ta等。例如，Co-Nb-Zr系溅射薄膜，Co-Ta-Zr系溅射薄膜（VTR磁头，薄膜磁头）。►过渡金属（T）－稀土类金属（R）系。第26页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三非晶态材料的制备方法气体液体非晶体晶体高能粒子注入（平衡）（获得非晶态的途径用空心箭头标出）非晶材料的制备方法气相沉积；液相急冷；高能粒子注入非晶材料制备方法通常有：第27页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三非晶软磁材料的应用……

铁基非晶带的损耗仅为硅钢的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现在在下列方面获得应用：高功率脉冲变压器航空变压器开关电源第28页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三环型非晶电感线圈第29页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三4.5.2纳米晶软磁材料1988年，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）。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感应强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且是成本低廉的铁基材料。铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展。目前已经开发或正在开发研究的系统有Fe-Cu-M-Si-B（M为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、Fe-M-C和Fe-M-V（M为Ta等耐热金属）系等纳米晶软磁材料。第30页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三晶粒尺寸与矫顽力的关系纳米晶软磁发明之后，才全面认识到晶粒尺寸与矫顽力的关系第31页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三纳米晶与铁氧体、非晶性能对比FinemetFT-1KMMnZn铁氧体Co基非晶Fe基非晶10kHz500005300900004500100kHz1600030%5300180004500饱和磁通密度BST1.350.440.531.56矫顽力HCA/m1.38.00.325.0矩磁比（Br/BS）0.600.230.500.65磁芯损耗PCkW/m335012003002200居里温度TC℃570150180415饱和磁致伸缩常数S10-6+2.3~0+27电阻率m1.110-60.201.310-61.410-6密度dSMg/m37.44.857.77.18第32页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三各类软磁材料性能比较Co基非晶合金纳米微晶Fe-M-B基合金Mn-Zn铁氧体Fe基非晶合金硅钢纳米微晶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页，讲稿共38页，2023年5月2日，星期三