磁性材料-第二章

*降低HC的方法与提高i的方法相一致。
3、饱和磁感应强度MS *高的MS 高的i值；节省资源，实现器件的小型化 *提高MS的方法：选择适当的配方成分，但实际上MS值一般
不可能有很大的变动。 2020/4/19
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。
2.1 衡量软磁材料的重要指标
1、起始磁导率
i
i转 i位
i
MS2
i
1 K1
,
1
S
1,1 i
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主要因素：M,K,,基本上不随加工条件和应用情况变化。 S 1s
次要因素： , , 会随加工条件和应用情况而变化。
2、矫顽力HC 量级：10-1A/m~ 102A/m
*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。
性来源于亚铁磁性，故MS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fr。
*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：
*NiZn铁氧体：高频软磁材料，1－100MHz。1MHz以下时， 其性能不如MnZn铁氧体，而在1MHz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30MHz时，可用MgZn铁氧体替代（性能 稍差）。
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K10；Ni78.5%Fe-Ni合金经过热处理后，i可达104 *铁氧体软磁材料：配方时选择K1和S很小的基本成分，如
MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4 等 。 然 后 再 采 用
正负K1、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。
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3、改善材料的显微结构
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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：BS低，Ni是高价金属。
*Ni：75％~83%范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范 围时BS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。
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。
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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
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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106～108K/S高速冷却形成非晶态
*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
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2.2 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。
1、提高MS
M2
i
S
*选择合适的配方可提高材料的MS值，但往往变动不大。
*含碳量是影响磁性能的主要因素。
除碳方法：高温用H2处理除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻 碍作用。
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*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，Fe3C或Fe4N由固溶体中以细
微弥散形式析出，从而HC增加，i降低。
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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）
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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（300~500）, max（6000~12000）, HC（39.8~95.5）
3、铁钴合金 *优点：高的MS； Co~50％，同时有高的MS， 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 *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。
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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
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*目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类： 1) 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。 铁基：BS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) 3d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。
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Fe3C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。
*应用：由于价格优势，常用作Fe-Ni合金的替代品。
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Fe－9.6Si－5.4Al。该成分时， K1和S几乎同时趋于 零，且具有高和低HC。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。
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*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5m以下时，i～500；尺寸在5m以 上时，i～3000
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Hc要小； （3）饱和磁感应强度MS要高； （4）功率损耗P要低; （5）高的稳定性。
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2.5 纳米晶软磁材料 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
*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。
50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。
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（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。
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2.3.4 其它软磁合金 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。
*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2料020/的4/19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。
*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，fr较立方晶
系高5－10倍。
* 从应用角度软磁铁氧体大致可分为：
（1）高磁导率材料， i > 104； （2）低损耗、高稳定性材料，高Q值，低DF值；