软磁材料及应用

方案
提高磁性能 方法、措施
配方、工艺
技术 途径
2.1 概述
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。
软磁材料分类及特性要求
软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁
导率μi高，矫顽力Hc小，既容易获
得也容易失去磁性，是极其重要的一 类磁性材料。
按电阻率的不同，软磁材料可分为
金属软磁材料和铁氧体软磁材 料两大类，金属软磁材料由于其电
Part 2 软磁磁材料
2.1 概述 2.2 软磁材料理论基础 2.3 金属软磁材料 2.4 非晶、纳米晶软磁材料 2.5 铁氧体软磁材料
软磁材料： 金属软磁 铁氧体软磁
特性要求
理论基础
磁性、结构 磁化机制
目标
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)。
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，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不 同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，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。
点和钐、铕、镱的高蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大
差异。钐、铕、钇的热中子吸收截面比广泛用于核反应堆控制
材料的镉、硼还大。稀土金属具有可塑性，以钐和镱为最好。
除镱外，钇组稀土较铈组稀土具有更高的硬度。
稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能
源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、
稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、
催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材
料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。
常用的氯化物体系为KCl-RECl3他们在工农业生产和科研中
有广泛的用途，在钢铁、铸铁和合金中加入少量稀土能大大改
善性能。用稀土制得的磁性材料其磁性极强，用途广泛。在化
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（p215)
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
r
率fr不同，其应用频率上限显然与fr有
关，fr越高则应用频率的上限越高。
除了上述六个参数以外，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，并且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
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：
Lx
4N 2 A
l
107 (H)
Rx
4N 2 A
l
107 ()
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
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
§2.2.2 提高软磁特性的措施
⑵ 温度＞450 ℃至熔点 面心立方γ - Co
[0001] [1120] [1010]
Fe、Ni、Co铁磁金属小结
体心立方 面心立方 轴 <1120>和1010>简单六方
Fe 2.2μB
Ni 0.7μB
Co 1.7μB
3d过渡族元素的磁性来源
Fe、Ni、Co ：
3d电子的交换相互作用，铁磁性 （2.2μB,0.6μB,1.7μB)
影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗 （一）、影响磁导率的因素
机理：
可逆磁畴转动 可逆畴壁位移
µi = µi 转+ µi位
– 动力：饱和磁化强度
– 阻力：内应力、参杂、空泡、晶界
1、可逆磁畴转动
2、可逆畴壁位移
i
0 M s 2
K eff
畴壁厚度 杂质体积浓度
其中
i
0 M s2
K eff
1 3
d
阻率较低而主要应用于频率较低的场 合，铁氧体软磁材料则在频率较高的 场合被广泛采用。
衡量软磁材料性能优劣的主要参数：
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)。
起始磁导率(μi)
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。
(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
DF d
1
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。式中1、2分别为老化
前后测得的磁导率。
Ia
1 2 1
老化系数的大小与材料值和制造工艺有关，一般地说高
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、 Sm2Co17 、Nd2Fe14B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
学工业中广泛用作催化剂。稀土氧化物是重要的发光材料、激
光材料。
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。
磁损耗
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，用tgδ来表征这种磁损耗
H=H0sinωt
B=B0sin(ωt-δ)
μ=B/μ0H
tg
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
§2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性
一、铁磁金属的结构和磁性 （一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性
铁Fe（常压下）：
⑴ 温度＜912℃
体心立方（bcc），
铁磁性的α－Fe，
居里温度为770 ℃ ，
易磁化方向为<100>,
[111]
难磁化方向为<111>
⑵ 912 ℃ ＜温度＜1394℃ 面心立方, 顺磁性的γ－Fe
Cr、Mn：
3d电子的直接交换相互作用，反铁磁性
Cr、Mn的合金或化合物：
3d电子的超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性
㈡、稀土族元素的结构和磁性
⑴ 结构 主要指原似的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。
组织：材料内部的微观形貌图象。
2、合金的基本相
根据结构的 基本特点分为
｛ 固溶体 金属间化合物
(1) 固溶体：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（合金相）。 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。
工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的， 有的甚至完全由固溶体所组成。例如，广泛用的碳钢和合金 钢，均以固溶体为基体相，其含量占组织中的绝大部分。
⑶ 温度＞1394℃ 体心立方 顺磁性的δ－Fe
[100]
熔点: 1538℃
镍 Ni （常压下）：
在常压下，在熔点以温
范围内，均是面心立结
构（fcc）;
镍为铁磁性金属
[111]
居里点为358℃
易磁化方向为<111> 难磁化方向为<100>
[100]
熔点: 1453℃
钴Co （常压下）：
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<1120>和1010>
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，可以用下面三个参数来表示材料的减 落特征：
材料的老化系数较大，而如果采用高温淬火工艺制造的软 磁材料，则由于保持了高温状态下的一些结构，故有一个 向稳定状态过渡的过程，从而造成老化现象较严重。