非晶态软磁合金

题目：非晶态软磁合金材料

摘要：本文以非晶态软磁材料为主要阐述对象，并就其定义、晶体结构特征、磁性性能及其产生机理、制备工艺、国内外发展过程、实际应用和未来应用前景等方面进行了分段阐述,其中着重介绍了非晶材料的结构特征及其相应性能产生的机理、材料制备、发展及其在不同领域的应用。从而使自己能够对这一磁性材料有一个全面详细的了解。

关键字：长程有序短程无序过冷各项同性电磁转换

1.材料定义及其基本性能与其产生机理

1.1软磁材料

软磁材料是指具有低的矫顽力，高的磁导率的磁性材料，在交流磁化状态下应用要求具有低的功率损耗。软磁材料在外磁场作用下迅速被磁化，去掉外磁场后，磁性消失。软磁材料按结构分为晶体、非晶体、纳米晶体磁性薄膜、磁泡、磁性液体与铁粉芯等类型。

1.2非晶合金结构特点

非晶态合金是指原子不是长程有规则排列的物质。一般晶态金属的原子密集规则排列切具有周期性，这种结构特征叫作原子排列的长程有序。和晶态金属相比，非晶态合金结构没有长程有序、间隙较多、但是均质、各项同性。其原子结构和各种特性表明,非晶无序并不是“混乱”，而是破坏了长城有序系统的周期性和平移对称性，形成一种有缺陷的，不完整的有序即最近邻或局域短程有序。这种短程序只是由于原子间的相互关联作用，是其在小于几个原子间距的小区间内仍然保持着位形和组分的某些有序特征，故具有短程序。

1.3非晶态软磁合金的基本性能及其产生机理

作为软磁材料，希望它有高的饱和磁感应强度和磁导率，低的矫顽力。这些软磁性能又和材料的磁晶各向异性，磁致伸缩系数有关。磁晶各向异性系数和磁致伸缩系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性能就越好。非晶态磁性合金没有长程有序，因此非晶磁性材料的磁晶各向异性为零，而且非晶磁性材料组织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物，这样，非晶结构决定了其具有良好的软磁性能。但非晶态磁性材料的磁致伸缩一般不为零，因为磁致伸缩起源于短程相互作用。所以，非晶磁性材料的软

磁特性主要取决于磁致伸缩系数λ

s 的大小。当λ

s

≈0时，则可得到高磁导率，低矫顽

力的非晶软磁材料。除此之外，非晶态合金的电阻率较高，因此涡流损耗低，频率特性好，可应用在较高的频率范围。非晶态的结构均匀，各向同性特点也决定了非晶材料具

有高强度，一定的韧性，并具有很强的抗腐蚀性等。

1.4非晶态软磁合金基本类别

3d过渡金属—非金属系主要有三类：铁基，铁镍基和钴基合金。铁基非晶合金主要用作中，小功率的变压器铁心。铁镍基非晶合金是国内开发最早，用量最大的非晶合金。主要用途是代替Fe—Ni78坡莫合金作环形铁心。钴基非晶合金的饱和磁致伸缩系数接

近于0，因而具有极高μ

i 和μ

m

,很低的矫顽力和高频损耗。主要用传感器材料。

3d过渡金属—金属系，金属为Ti,Zr,Nb,Ta等，用做溅射薄膜材料。

3d过渡金属—稀土类金属系，稀土金属为Cd,Tb,Dy,Nd等，主要用作磁光薄膜材料。

2.非晶软磁合金材料产业发展历程和现状

2.1发展历程

第一阶段，1967年～1988年：1967年Duwez教授率先开发出Fe-P-C系非晶软磁合金，带动了第一个非晶合金研究开发热潮。1979年美国Allied Signal公司开发出非晶合金宽带的平面流铸带技术，并于1982年建成非晶带材连续生产厂，先后推出命名为Metglas的Fe基、Co基和FeNi基系列非晶合金带材，标志着非晶合金产业化和商品化的开始。1984年美国四个变压器厂家在IEEE会议上展示了实用的非晶配电变压器，从而将非晶合金应用开发推向高潮。

第二阶段，1988年～至今：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）。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感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。因此铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展，从而把非晶态合金研究开发又推向一个新高潮。1988年当年，日立金属公司纳米晶合金既实现了产业化，并有产品推向市场。1992年德国VAC公司开始推出纳米晶合金替代钴基非晶合金，尤其在网络接口设备上，如ISDN，大量采用纳米晶磁心制作接口变压器和数字滤波器件。在此期间，美国Allied Signal公司（现被Honeywell公司兼并）也加强了非晶合金在电力电子领域的推广应用，先后推出4个系列的铁心制品。

2.2国内研究开发现状

国内非晶材料研究始于1976年，国家科委从“六五”开始连续5个五年计划均将非晶、纳米晶合金研究开发和产业化列入重大科技攻关项目。其中标志性的成果分别是：“七五”期间建成百吨级非晶带材中试生产线，带材宽度达到100mm；“八五”期间突破了非晶带材在线自动卷取技术，并建成年产20万只非晶铁心中试生产线；“九五”期间，

成立了国家非晶微晶合金工程技术研究中心，建成了千吨级铁基非晶带材生产线，带材宽度达到220mm，同时建成年产600吨非晶配电变压器铁心生产线。通过前4个五年科技攻关计划的实施，我国基本实现了非晶合金带材及制品产业化。目前,国内从事非晶软磁合金材料生产的单位约20多家,其中安泰科技股份有限公司（原钢铁研究总院部分转制上市）是国内非晶材料研究开发力量最强、产业规模最大的单位，也是上述国家科技攻关项目的主要承担单位。目前具有年产非晶带材3000吨，纳米晶带材300吨的生产能力。

3.非晶态软磁材料的制备

结合非晶态物质长程无序，短程有序以及是亚稳态的结构特点，在制备非晶态物质需解决的关键问题如下：

①抑制熔体中的形核和长大，保持液态结构。

②使非晶亚稳态结构在一定温度范围内保持稳定，不向晶态转化。

③如何在晶态固体中引入或造成无序，是晶体转变变成非晶态。

到目前为止非晶材料的制备方法大致可分为三类：第一类为快速凝固和从稀释态凝聚（如溅射、沉积、蒸发等）方法。常用的有液态急冷法。此法基本原理是熔融合金，用加压惰性气体将液态合金从直径为0.2～0.5μm的石英喷嘴中喷出，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106～108K/s的高速冷却，形成非晶态。

第二类为固相反应方法。如多层膜界面互扩散反应非晶法、机械合金化法、离子混合法、反熔化法、氢致非晶化法。其基本原理是通过具有很强混溶趋势组元之间的非对称互扩散，抑制组元在混合反应过程中金属间化合物的形成，在低于玻璃化转变温度以下获得非晶态材料。

第三类为大块非晶制备方法，此法不同于以上两类方法，是通过成分设计，将具有不同尺寸的多个元素均匀混合在一起，使得金属熔体具有很大的过冷度和粘滞系数，使熔态合金在凝固过程中长程扩散受到强烈抑制，转变成非晶所需的临界冷却速率大大降低，从而得到三维大尺寸的非晶合金材料。

经验和理论分析表明非晶形成的主要条件可概括为如下几点：

①多组元体系较容易制备非晶态，单元素特别是单质金属极难制备成非晶态。

②体系主要组元间要有较大的负的混合热，从而使得体系有较大的非晶化驱动力。

③熔体晶核形成的热力学、动力学势垒要大，这样在凝固的过程中易抑制晶态相的

形成。

④在共晶点附近，低熔点处的组成容易获得非晶相。

⑤组元间的原子半径差大，熔体粘滞系数大的体系易形成非晶。

⑥熔体结晶长大需要求原子作较大的重新分配核迁移的体系易获得非晶。

4.非晶纳米晶合金带材的典型性能和一些主要应用。

在电机转换领域，a.配电变压器铁心。铁基非晶合金铁心具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低激磁电流、良好的温度稳定性，使非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器。这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。 b.开关电源变压器及电感铁心。开关电源是自20世纪70年代发展起来的新型电源技术，它采用20千赫兹以上的工作频率，大大缩小了变压器的体积、减轻了重量、提高了效率。在开关电源中使用非晶微晶合金作为铁心的元器件有：主变压器、控制变压器、共模电感、噪声滤波器、滤波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、尖峰抑制器、饱和电感、脉冲压缩器、开关管保护电感等。

在电子防窃系统中，早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标签在图书馆中获得了大量应用。最近利用铁镍基非晶带材的声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场。

在电子信息领域，随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展，对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接口设备的需求日益增长、要求越来越高。因此，在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件。非晶、纳米晶合金在此大有用武之地。

在民用产品中，变频技术有利于节约电能、并减小体积和重量，正在大量普及。但如果变频器中缺少必要的抑制干扰环节，会有大量高次谐波注入电网，使电网总功率因素下降。减少电网污染最有效的办法之一是在变频器中加入功率因数校正（PFC）环节，其中关键部件是高频损耗低、饱和磁感大的电感铁心。铁基非晶合金在此类应用中有明显优势，将在变频家电绿色化方面发挥重要作用。目前在变频空调中使用非晶PFC电感已经成为一个热点。

5.未来展望

在非晶合金的产业化发展过程中，非晶纳米晶合金带材及其铁心制品一直是主流，非晶丝材的研究开发和产业化是重要分支。1980年，日本Hagiwara首先提出采用内圆

水纺法制备非晶合金丝材，随后日本的Unitika公司开始利用此法商业生产Fe基和Co 基非晶丝，作为产业化的软磁材料，应用重点集中在图书馆和超市用防盗标签。此外，利用非晶丝材各种独特的物理效应开发各类高性能传感器一直受到特别关注。尤其最近在钴基非晶丝材中发现巨磁阻抗效应以来，高精度磁敏传感器的开发成为热点。1999年日本科学技术振兴事业团委托名古屋大学和爱知钢铁公司联合开发MI微型磁传感器和专用集成电路心片，目标是将非晶丝MI传感器用于高速公路汽车自动导航和安全监测系统。随着纳米科学技术和快淬技术的迅速发展，非晶纳米晶软磁合金材料也在不断进步，不仅现已产业化的薄带产品性能和质量大大提高，而且还在研制开发非晶纳米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、复合材料等，这些新型纳米材料的研制开发及产业化将对电子变压器行业产生极大的潜在影响。

6.文献综述:

【1】连法增《工程材料学》 2005年08月第一版

【2】黄永杰《非晶态磁性物理与材料》 1991年05月第一版

【3】龙毅，张正义《新功能磁性材料及其应用》1997年04月第一版

【4】吴承建《金属材料学》 2009年08月第二版

【5】翁兴园《国际电子变压器》 2004年第8期

【6】严密彭晓领《磁学基础与磁性材料》 2006年04月第一版

【7】张占松《开关电源的原理与设计》（修订版）2004年09月

【8】王绪威《非晶态材料及应用》 1992年10月第一版

【9】师昌绪《材料科学与工程手册》（上卷）第3篇组织结构篇2004年01月第1版