磁性材料-第二章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 软磁材料,定义：,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。,特点：,既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。,*对软磁材料的基本要求有：,（1）初始磁导率,i,和最大磁导率,max,要高；,（2）矫顽力,H,c,要小；,（3）饱和磁感应强度,M,S,要高；,（4）功率损耗,P,要低;,（5）高的稳定性。,*主要的软磁材料：,（1）合金如硅钢（,Fe-Si）、,坡莫合金（,Fe-Ni）、,仙台斯特合金（,Fe-Si-Al）；,（2）软磁铁氧体,Mn,-Zn,系、,Ni-Zn,系、,Mg-Zn,系等；,（3）非晶态、纳米晶、薄膜等。,*发展史：,（1）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域。,优点：,其,M,S,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：,涡流损耗限制了其在高频段的应用。,（2）20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。,50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。,（3）,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，,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。,优点：,性能上远优于铁氧体；,缺点：,性价比上尚处于劣势。,2.1 衡量软磁材料的重要指标,1、起始磁导率,主要因素：,基本上不随加工条件和应用情况变化。,次要因素：,会随加工条件和应用情况而变化。,2、矫顽力,H,C,量级：10,-1,A/m,10,2,A/m,*材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响,H,C,的主要因素。,*降低,H,C,的方法与提高,i,的方法相一致。,3、饱和磁感应强度,M,S,*高的,M,S,高的,i,值；节省资源，实现器件的小型化,*提高,M,S,的方法：,选择适当的配方成分，但实际上,M,S,值一般不可能有很大的变动。,4、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。,5、稳定性,*,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：,低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等,2.2 提高起始磁导率的途径,必要条件：,提高,M,S,并降低,K,1,、,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。,1、提高,M,S,*选择合适的配方可提高材料的,M,S,值，但往往变动不大。,*选择配方时更要考虑,K,1,、,S,对,i,的作用。,*例：,CoFe,2,O,4,、Fe,3,O,4,的,M,S,虽然较高，但其,K,1,和,S,值太大，因而不宜作为配方的基本成分。,2、,降低,K,1,和,S,*提高,i,的最有效方法,从配方和工艺上使,K,1,0、,S,0,*铁氧体软磁材料：配方时选择,K,1,和,S,很小的基本成分，如,MnFe,2,O,4,、MgFe,2,O,4,、CuFe,2,O,4,、NiFe,2,O,4,等。然后再采用正负,K,1,、,S,补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。,*例：,Fe-Ni,合金,质量分数,Ni,81%,时，,S,0；,Ni,76%,时，,K,1,0；,Ni,78.5%,Fe-Ni,合金经过热处理后，,i,可达10,4,*,选择适当合金成分和热处理条件可以控制,K,1,和,S,在较低值,3、,改善材料的显微结构,*,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等。,*,杂质、气孔,的含量与分布是影响,i,的重要因素。,降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择,*,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。,例：,MnZn,铁氧体,尺寸5,m,以下时，,i,500；,尺寸在5,m,以上时，,i,3000,*,晶粒尺寸长大的方法：适当提高烧结温度，但温度过高，便会形成气孔，导致,i,下降。,*材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高,i,4、降低内应力,*,根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：,(1) 磁致伸缩引起的内应力，与,S,成正比，可通过降低,S,来,减小此应力。,(2) 烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。可采用低温退火处理来消除应力。,(3) 气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。可通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。,2.3 金属软磁材料,2.3.1 电工纯铁,*纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。,*制备方法：平炉冶炼时，首先用氧化渣除去碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，并在出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。经过退火热处理,i,（300500）,max,（600012000）,H,C,（39.895.5）,*含碳量是影响磁性能的主要因素。,除碳方法：高温用,H,2,处理除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻碍作用。,*,电工纯铁存在时效现象,原因：,高温时铁固溶体内溶解有较多的碳或氮，产品快速冷却到室温时，溶解度减小，,Fe,3,C,或,Fe,4,N,由固溶体中以细微弥散形式析出，从而,H,C,增加，,i,降低。,消除方法：,保温后，采用缓慢冷却到100-300的退火措施，这样在650-300之间,Fe,3,C,有足够的时间析出,、,长大为对磁性能影响不大的大颗粒夹杂物。,*,应用：,电磁铁的铁芯和磁极，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。,2.3.2 硅钢（硅钢片或电工钢片）,*在纯铁中加入少量硅，形成固溶体，这样提高了合金电阻率，减少了材料的涡流损耗。,*,缺点：,电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作时涡流损耗大。,*碳的质量分数在0.,02,以下，硅的质量分数为1.5-4.5。常温下，,Si,在,Fe,中的固溶度大约为15，但,Fe-Si,系合金随,Si,含量的增加加工性能变差（变脆），因此硅质量百分含量5为一般硅钢制品的上限。,*随硅含量的增加，不足之处在于：,B,S,和,T,C,降低；好处：,K,1,和,S,降低,i,增加，,H,C,降低，增加降低铁损,*按照材料的生产方法、结晶织构和磁性能，电工用硅钢片可分为：,热轧非织构(无取向)、冷轧非织构(无取向)、冷轧高斯织构(单取向)、冷轧立方织构(双取向),的硅钢片。,*例：高斯织构符号,(110)001；立方织构符号(100)001,。,*,电工硅钢片制造工艺,：热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。,*,应用,：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。,2.3.3 坡莫合金,*1913年被开发出来，镍的质量分数为30-90的镍铁合金。,*,优点：,很高的磁导率，成分范围宽，而且磁性能可通过改变成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。,*,缺点：,B,S,低，,Ni,是高价金属。,*,Ni,：7583%,范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范围时,B,S,较低。,*,应用：,可用作在弱磁场下具有很高的铁芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器材料；还可用作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等。,2.3.4 其它软磁合金,*,应用：,由于价格优势，常用作,Fe-Ni,合金的替代品,。,1、铁铝合金,*,优点：,价格低；通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料；合金具有较高的电阻率；具有较高的硬度、强度和耐磨性；合金密度低，可减轻元件重量；对应力不敏感，适于在冲击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。,2、铁硅铝合金,*1932年在日本仙台被开发出来，因此又称为仙台斯特合金，成分为,Fe9.6Si5.4Al,。该成分时，,K,1,和,S,几乎同时趋于零，且具有高,和低,H,C,。,不需要高价的,Co,和,Ni，,且电阻率高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。,*,应用：,直流电磁铁铁芯、极头材料、航空发电机定子材料、电话受话器的振动膜片，磁致伸缩材料。,3、铁钴合金,*,优点：,高的,M,S,；,Co,50，,同时有高的,M,S,，,i,，,max,*,缺点：,加工性能较差；电阻率低，不适合在高频场合用；,Co,价格贵,2.4 铁氧体软磁材料,*最早由荷兰菲利普实验室,Snock,于1935年研制成功。其磁性来源于亚铁磁性，故,M,S,较金属低，但比金属的,要高很多，因此具有良好的高频特性。,*软磁铁氧体材料的特性要求（四高）：,高,i,，,高品质因数,Q，,高（时间、温度）稳定性，高截止频率,f,r,。,*除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。,比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。,*,按晶体结构进行分类：,*,MnZn,铁氧休是具有尖晶石结构的,mMnFe,2,O,4,n,ZnFe,2,O,4,与少量,Fe,3,O,4,组成的单相固溶体。,*,低频段应用极广（500,kHz,以下），优点：磁滞损耗低，相同磁导率情况下居里温度较,NiZn,高，,i,高(可达410,4, 110,5,)，价格低廉。,*,NiZn,铁氧体：高频软磁材料，1100,MHz。,1,MHz,以下时，其性能不如,MnZn,铁氧体，而在1,MHz,以上时，优于,MnZn,铁氧体，因它具有多孔性及高电阻率。,*,特点：频带宽，体积小，重量轻；起步晚，与国外差距大；,Ni,价格高，小于30,MHz,时，可用,MgZn,铁氧体替代（性能稍差）。,*立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；,平面型六角晶系铁氧体：在,i,值相同的情况下,，,f,r,较立方晶系高510倍。,* 从应用角度软磁铁氧体大致可分为：,（1）高磁导率材料，,i, 10,4,；,（2）,低损耗、高稳定性材料，高,Q,值，低,DF,值；,（3）高频、大磁场用的材料；,（4）高饱和,B,s,低功耗材料（功率铁氧体）；,（5）甚高频六角铁氧体；,（6）其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料。,2.5 纳米晶软磁材料,*,特征：,（,1,）短程有序，长程无序；,（,2,）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；,（,3,）电阻率比同种晶态材料高，适用高频,(,涡流损耗小,),；,（,4,）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；,（,5,）机械强度较高且硬度较高；,（,6,）抗化学腐蚀能力强，抗射线及中子等辐射能力强。,2.5.1 非晶态软磁材料,(,具有优良的综合磁性能,),一、非晶态软磁材料的结构和性能,*目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：,1) 3,d,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。,铁基：,B,S,较高；铁镍基：磁导率较高；钴基：适宜作为高频开关电源变压器。,2) 3,d,过渡金属(,T),金属系。金属为,Ti,，,Zr，Nb，Ta,等。,3) 过渡金属(,T),稀土类金属(,RE),系。其中,T,为,Fe,，,Co；RE,为,Gd,，,Tb,，,Dy，Nd,等。,二、制备与应用,非晶态：结晶化前的中间状态，亚稳态。冷却速度足够快且冷至足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。,制备方法：,1,、气相沉积法,晶态材料原子,（离解）,气相,（无规沉积）,到低温冷却基体上形成非晶态,此类技术主要有：,真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等,2、液相急冷法（大多采用此法）,熔融合金,（用加压惰性气体）,液态合金从石英喷嘴中喷出形成均匀的熔融金属细流,连续喷射到高速旋转的冷却辊表面,液态合金以10,6,10,8,K/S,高速冷却形成非晶态,3,、高能粒子注入,采用大功率高能粒子输入加热晶态材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶态。,高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄层非晶材料，常用于改善表面特性。,*,铁基非晶带的损耗仅为传统,Fe-Si,合金的,1/3,，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。,钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）,2.5.,2,纳米晶软磁材料,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,）。,特点：高,B,S,，高,i,，低损耗，铁基原材料成本低廉；,晶粒尺寸减小，矫顽力降低,*目前已经开发或正在开发研究的系统：,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）,最著名的为,Finemet,纳米微晶软磁材料，其组成为,Fe,73.5,Cu,1,Nb,3,Si,13.5,B,9,，,晶粒尺寸约为10,nm,。,*制备方法：非晶晶化法非晶条带，在略高于非晶晶化温度下退火一 定时间，使之纳米晶化。,Thank you!,