软磁材料及应用

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。
(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
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
Yb
思考题：为什么 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素， 但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩？
稀土元素用途
http://baike.baidu.com/view/310591.htm
大多数稀土元素呈现顺磁性。钆在0℃时比铁具更强的铁磁
性。铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔
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)。
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。
–固溶体分类
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 如α黄铜中，锌置换了铜原子 间隙固溶体 如α铁中，碳原子处在铁原子排列的
按溶剂、溶质原子间相对分布
无序固溶体 有序固溶体
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。
(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
D 1 2 1
d D lg t2 t1
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。
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
r
为截止频率fr，它与材料的组成和显
微结构有关，各类软磁材料的截止频
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
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：
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)
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
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
K eff
K1
Ku
3 2
s
杂质直径
决定磁性材料的因素
Ms;饱和磁化强度 K; 磁晶各向异性常数 ; 磁致伸缩系数 Material microstructures (crystal defects, impurities, presence of 2nd phase); 晶格缺陷、杂质、 第二相 Heat treatments (with and without H applied); 场退火 Grain sizes;晶粒尺寸 Magnetization mechanism (domain wall displacement or domain rotation) 磁化机制
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
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
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。
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。
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>
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
u
ref (C 1 ) ref ( ref )
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。
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பைடு நூலகம்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。
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
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
需要而提出相应的要求。
r
1 2
r
max
f
小结
贮能高
– 高的饱和磁感应强度
灵敏度高
– 初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率
效率高
– Hc低，电阻率高，损耗小
回线矩形比高 稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高
2.2 软磁材料理论基础
§2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性 §2.2.2 提高软磁特性的措施
§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