电子材料：第四章 软磁材料

1电子材料II2磁性材料的分类磁性材料软磁硬磁金属软磁：包括硅钢片、坡莫合金等，特点是磁导率和Bs、居里温度高，电阻率小铁氧体软磁：主要包括尖晶石系和六角晶系铁氧体，特点是磁导率和Bs不太高，居里温度较低，但电阻率高，价格较低，特别适合中高频使用非晶/纳米晶软磁：包括Co基/Fe基非晶/纳米晶材料，特点是磁导率和Bs大，居里温度高，电阻率较低，价格昂贵。金属硬磁：钢系、铁铬钴系、铝镍钴系稀土硬磁：钴基稀土永磁、NdFeB系、双相纳米晶复合永磁（软磁相与硬磁相复合）铁氧体硬磁：主要包括六角晶系Ba铁氧体。信磁材料（旋磁等）特磁材料5软磁材料特性要求起始磁导率(μi)、磁损耗(tgδ)、温度稳定性(α

)、减落(D)、磁老化(Ia)截止频率(fr)。理论基础磁性、结构磁化机制提高磁性能方法、措施配方、工艺技术途径目标方案目标方案6第四章软磁材料4.1软磁材料概述4.2衡量软磁材料的重要指标4.3软磁材料的理论基础4.4金属软磁材料4.5软磁铁氧体材料4.6纳米晶软磁材料7

软磁材料：能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。4.1软磁材料概述8软磁材料用途：软磁材料是应用最广，品种丰富的一类磁性功能材料1.高磁导率材料:μi>10000，

电感元件；抗电磁干扰（EMI)；滤波器；宽带脉冲变压器2.低功耗材料：高饱和磁通密度，宽频、宽温、低损耗开关电源变压器;变压器

3.电力工业用的软磁材料:电机等发展趋势：高频，低损耗，宽温吸波/屏蔽9软磁材料的发展历史Fe-Ni-B非晶态合金Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世软磁铁氧体进入工业生产软磁铁氧体软磁铁氧体

VS纳米晶、微晶金属软磁在一定尺度范围晶粒尺寸小，纳米量级结构均匀，晶粒尺寸大194019701988199010软磁材料分类金属软磁材料优点：其MS远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是Fe-Si合金材料

缺点：低电阻率限制了高频应用铁氧体软磁材料优点：高电阻率，应用广泛

缺点：饱和磁化强度较低非晶、纳米微晶软磁材料优点：性能优于铁氧体软磁

缺点：性价比尚处于劣势11软磁材料特性要求磁滞回线窄而长起始磁导率μi高，矫顽力Hc小？？？贮能高灵敏度高效率高稳定性好12衡量软磁材料性能优劣的主要参数：磁导率（起始）(μi)、矫顽力（Hc）饱和磁化强度（Ms）磁损耗(tgδ)、稳定性（温度稳定性(α

)、减落(D)、磁老化(Ia）截止频率(fr)。

4.2衡量软磁材料的重要指标13起始磁导率(μi)问题1与哪些因素有关？问题2处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率如何表征？要求：高的起始磁导率14处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率成为复数，其中μ

表征储能特性，而μ″表征能量损耗特征。对于环形软磁样品，可等效为串联电路，则电感量Lx及表征磁损耗的等效电阻Rx可分别写为：

式中l：磁芯有效长度，N：线圈匝数，A：磁芯有效截面积，

ω：工作角频率一般情况下，μi高的材料，其μe、μm、μΔ也较高。因此，通常把μi作为软磁材料的基本特性参数之一，它是一个没有量纲的系数。15矫顽力(Hc)要求：低的Hc，量级：10-1A/m~102A/m

快速响应外磁场的变化软磁材料的反磁化机制：通过畴壁位移实现，材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响Hc的主要因素降低Hc的方法：应力不易消除的材料：重点降低λs杂质含量较多的材料：重点降低K116饱和磁化强度（Ms）要求：高的饱和磁化强度

提高μi,节省资源，实现磁性器件的小型化提高Ms方法：选择适当的配方比，但一般很难有较大变动17磁损耗（P110)损耗因子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，可用tgδ来表征这种磁损耗。磁性材料在交变磁场中产生能量损耗，称为磁损耗。18温度稳定性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

µ式中μθ：温度为θ时的磁导率；μref：温度为θref时的磁导率在实际应用中，也常用比温度系数

µ/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。19磁导率的减落软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降。这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化，它是材料的不稳定性之一。(1)

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

1、

2分别为给定时间间隔开始(t1)和结束(t2)时的磁导

率值。(2)

减落系数d：定义为在磁正常状态化之后出现的减

落除以两次测量时间之比的对数。(3)减落因子DF：定义为减落系数与开始测量时间(t1)测

得的磁导率之比。20磁老化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。老化系数的大小与材料

值和制造工艺有关，一般地说高

材料的老化系数较大.式中

1、

2分别为老化前后测得的磁导率。

21截止频率由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的

值下降为起始值的一半且

达到峰值时的频率，称为截止频率fr.截止频率fr时与哪些因素有关？

除了上述参数以外，软磁材料在不同的应用场合还会有一些特殊的要求，如在高频大功率下工作时，要求材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率

m要高。衡量软磁材料性能的其它参数还有饱和磁致伸缩系数

s，居里点Tc，密度d，电阻率

以及介电常数

等，都会因特定的需要而提出相应的要求。f22贮能高灵敏度高效率高稳定性好

小结软磁材料的基本要求高的饱和磁感应强度初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率(磁导率高)Hc低，电阻率高，损耗小温度稳定性、环境稳定性好4.3软磁材料理论基础4.3.1铁磁金属和合金的结构和磁性(已介绍）一、铁磁金属的结构和磁性（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性Fe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构

Fe：

⑴常压下，温度＜910℃为体心立方（bcc），铁磁性的α－Fe， 居里温度为770℃，易磁化方向为<100>,

难磁化方向为<111>⑵910℃＜温度＜1400℃

面心立方,

顺磁性的γ－Fe⑶温度＜1400℃

体心立方顺磁性的δ－FeNi:在常压下，在熔点以下温范围内，均是面心立结构（fcc）为铁磁性的γ-Ni居里点为358℃易磁化方向为<111>难磁化方向为<100>Co：⑴

温度＜450℃

简单六方结构 铁磁性的ε-Co

居里点为1117℃

易磁化方向为<0001>

难磁化方向为<2110>和1010>⑵温度＞450℃至熔点 面心立方γ-Co[1120][1010][0001]㈡、稀土族元素的结构和磁性⑴结构主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素，加上性质类似的Y和Sc；晶体结构大都为密排六方结构。⑵磁性Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁矩的取向随温度而变。Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁磁性。Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、Yb的离子具有磁矩。二、合金的组成1、基本概念合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也可以是化合物。相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀部分。组织：材料内部的微观形貌图象。2、合金的基本相固溶体金属间化合物据结构的基本特点可分为｛⑴固溶体定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组元的点阵类型。分类据溶剂类型一次固溶体二次固溶体按固溶度有限固溶体无限固溶体按溶质原子的占位置换固溶体间隙固溶体按溶剂、溶质原子间相对分布无序固溶体有序固溶体实例：如铁硅合金，铁镍合金，仙台斯合金⑵金属间化合物合金中各组元的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。

稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。金属间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律。三、合金的磁性3d过渡族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性固溶体的结构和磁性1、3d过渡族合金的结构和磁性多为无序固溶体，且多显示铁磁性；合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系（slater-pauling)2、稀土族合金的结构和磁性多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。3、固溶体的结构和磁性

磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物。形成置换固溶体时，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大。有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变。本征磁特性；二次磁特性33磁化机理：可逆磁畴转动可逆畴壁位移 µi=µi转+µi位4.3.2影响磁导率的因素

1、可逆磁畴转动

2、可逆畴壁位移

其中畴壁厚度直径杂质体积浓度动力：饱和磁化强度阻力：K、内应力、

、掺杂、空泡、晶界34决定磁性材料的因素？？Ms;K;;材料微观结构(晶体缺陷,杂质，第二相的存在);热处理(施加或未施加磁场);晶粒尺寸;磁化机制(畴壁运动和畴转)35磁晶各向异性场(1)WithK2<<K1:ForCubicCrystal:Forsmallangle36磁晶各向异性场(2)

磁晶各向异性场是一个假想的场,作用在Ms上,这时候的torque等于:HMs令

=137磁晶各向异性对的影响Hence:38什么是磁弹性能Eme?

是指在磁致伸缩过程中磁性与弹性之间的耦合作用能。磁性材料在磁化过程中产生的，不管是自发磁化还是外加磁场下磁化！又称为磁致伸缩能。磁应力能：当磁性晶体受到外加应力或其内部本来存在的内应力时（如铁磁体制备过程中，由高温冷却下来，一般总有内应力存在),铁磁体还将产生由应力引起的形变，从而产生一项磁应力能。

当

111=100=s时，上式变为：其中为应力方向（1，2，3）与磁化矢量（1，2，3）之间的夹角。对于拉应力，取正值；对于压应力，取负值。应力张量应变张量注意：磁应力能与磁弹性能具有不同的概念！磁弹性能对的影响(1)39Eme如何影响对domainmagnetization的取向?内应力或外应力对M的取向均有影响

s

s

M的取向+++平行于

-+-垂直于

+--垂直于

--+平行于

4041磁弹性能对的影响(2)

应力会诱发一个等效的单轴磁弹性各向异性,M的取向在其它各向异性可忽略的情况下由磁晶各向异性决定，从而对hysteresisloop产生较大的影响。42合金成分对磁晶各向异性的影响因素43

理论上提高磁导率的条件:1.必要条件：

Ms要高(

Ms2);K1，

s

0;2.充分条件:降低杂质浓度，

；密度要提高(P

)，即材料晶粒尺寸要大(D

);结构要均匀(晶界阻滞

)；消除内应力

s•σ

；气孔

，另相

(退磁场

)44(1)、提高饱和磁化强度Ms;(2)、有效方法，使K→0，λs→0;(3)、高温退火;(4)、真空热处理;(5)、氢气热处理;(6)、使材料杂质相对集中;(7)、真空熔炼、精炼;(8)、进行织构化具体办法：45(1)、提高饱和磁化强度MsMs主要由材料的成分决定，而所有软磁材料都含有铁，要想在很大程度上提高饱和磁化强度是不可能的。提高Ms不能作为改善磁性能的主要途径。

例如：

含镍量为79%左右的镍铁合金经特殊的热处理后，初始磁导率和最大磁导率可以比铁-硅合金高几倍至几百倍，但其Ms却只有后者的一半左右。46(2)、有效方法，使K1→0，λs→0

控制成分，使K1→0，λs→0，甚至同时为零。使磁导率大大提高

选择适当合金成分和热处理条件可以控制K1和

S在较低值例如：

Fe-Ni合金：质量分数Ni81%时，S0；

Ni76%时，K1

0；

Ni78.5%Fe-Ni合金经过热处理后，

i可达10000铁氧体软磁材料：配方上选用K1和λs很小的铁氧体作为基本成分，才采用正负补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。47(3)、改善材料的显微结构以及降低内应力材料的显微结构是指结晶状态（晶粒大小、完整性、均匀性、织构等）、晶界状态、杂质和气孔的大小与分布。例如：平均晶粒尺寸对

i的影响很大，晶粒尺寸增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，i升高。MnZn铁氧体：晶粒尺寸5m以下时，晶粒近似单畴，

i

～500；晶粒尺寸在5m以上时，

i

～300048(4)、高温退火

将磁性材料加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却到室温，得到接近平衡组织的热处理过程。作用：消除应力，改善金属和合金的内部组织结构。退火过程中，材料结构变化分为两个阶段：恢复和再结晶恢复——原子在晶粒范围内活动，晶格恢复完整，晶粒大小不变。再结晶——在高温下，晶粒长大，材料应力进一步下降。49(5)、真空热处理 在真空气氛（托以下）保护下进行高温退火，可消除材料的应力，并去除部分杂质，比普通退火好。作用：防止材料在热处理中氧化防止在材料热处理中渗入杂质在热处理中帮助去除杂质，特别是气态杂质消除应力缺点：在真空气氛下，合金某些成分易挥发，使成分偏离工艺复杂，成本高50(6)、氢气热处理

在H2气氛保护下进行高温退火作用：防止材料在热处理中氧化防止在材料在热处理中渗入杂质在热处理中去除杂质消除应力缺点：要求氢气纯高，成本高温度和氢气流量较难控制(6)、使材料杂质相对集中(7)、真空熔炼、精炼(8)、进行织构化514.4金属软磁材料4.4.1工业纯铁4.4.2硅钢4.4.3坡莫合金4.4.4其他软磁合金524.4.1工业纯铁一、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：居里点Tc=770℃,μi:300-500,μm:6000-12000,ρ=0.1×10-6(Ω.m)。杂质对其性能有较大影响碳含量低矫顽力低磁导率高导热性和加工性好有一定的耐腐蚀性和价格便宜电阻率低，不能在交流磁场中应用二、应用作金属磁性材料的重要原料在恒定磁场中，作为优良的磁导体和磁屏蔽材料。535455三、分类1、电解铁 含有0.05~0.02%C、Mn≤0.01%、P≤0.005%、S≤0.004%、Al≤0.01%、Cu≤0.015%。电磁性能：μi=500、μm=1500、Br=1.05(T)、Hc=0.35(×79.6A/m)、ρ=9.6(×10-8Ω.m)2、阿姆柯铁 含C≤0.025%、Mn≤0.035%、P≤0.015%、S≤0.05%、Cu≤0.08%。磁性能：μi=2000~5000、μm=6000~15000、Hc=0.5~1.5(×79.6A/m)3、羰基铁 由Fe（Co）5分解而成，纯度高。磁性能：μi=2000~3000、μm=20000~21500、Br=0.5~1.0(T)、Hc=0.08(×79.6A/m)、ρ=9.6(×10-8Ω.m)564.4.2铁硅合金（硅钢）

铁硅合金，通常又称为硅钢片、电工钢。碳的质量分数Wc<0.02%,硅的质量分数在1.5%-4.5%之间的合金。在电力的产生和传输过程中,最大的需求是变压器磁芯;电压通常是50Hz/60Hz,低频涡流损耗是一个主要的考虑因素;原先是用纯铁,但是纯铁的电阻率较低,涡流损耗较大,所以考虑通过合金化的方法来增大它的电阻率;

57应用：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。58一、硅对合金性能的影响59利：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。有利---------提高磁导率和降低矫顽力。提高合金的电阻率。有利---------降低涡流损耗特别。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。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。硅钢的磁性对温度、振动及应力等敏感性较少，有利---------稳定性弊：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。加硅对合金性能的影响60二、硅钢片的退火普通退火：800~900℃高温退火：1050~1200℃作用：削除了加工硬化现象，减少了杂质或改变了碳的形态，磁性因而获得改善。6162三、硅钢片的制备非取向硅钢片：热轧硅钢片冷轧硅钢片晶粒取向硅钢片：单取向硅钢片戈斯织构双取向硅钢片立方织构6364Fe-Si合金在磁芯中以薄片形式存在使迭片与磁场方向平行,不会干扰B的通道;只允许涡流存在于某个薄层中;在迭片上涂敷一层绝缘材料,可以阻止电流从一层流向另一层,也可减低涡流损耗;在50,60Hz下,t=0.3-0.7mm.通过制作晶粒取向硅钢,热轧、冷轧和退火使[001]方向位于迭片的长度方向。<001>方向是易轴;65664.4.3铁镍合金(permalloy)一、概述

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）。1915年发明,将78%Ni的合金从600C急冷就得到高磁导率.特点分类1、特点成份范围很宽，性能可以通过成份和热处理工艺来调整，可以满足各种要求加工性能好低和中等磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力672、分类含Ni量：低镍合金小于45%

中镍合金45%~70%

高镍合金70%~80%用途：磁芯材料热敏材料磁头材料磁性能：高磁导率铁镍合金高矩磁铁镍合金恒磁导率铁镍合金68二、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。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中。69二、合金成分对电磁性能的影响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发生突变而迅速下降。饱和磁化强度在50%取得最大值。饱和磁化强度在50%附近最大70二、合金成分对电磁性能的影响磁晶各向异性常数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。71当20%-35%期间，出现了非磁性r相结构，含镍量为35%左右时合金由100%的r相构成，由于非磁性相的出现，居里温度，饱和磁化强度都急剧下降。-Fe+非磁相72三、热处理对铁镍合金磁性的影响1、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。2、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。737475四、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).76合金元素对高磁导率Fe-Ni合金性能

成分设计的原则是使λs≈0，通过调整热处理工艺使K1≈0，而获得高磁导率1、钼 钼小于15%时，在Ni