高性能软磁材料的研究进展 (1)

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收稿日期:2012-08-

01 基金项目:国家自然科学基金资助项目(

51071034);教育部留学归国创新团队项目;吉林省留学回国人员创新创业基金第33卷第5期 长春工业大学学报(自然科学版) V

ol.33No.52012年10月 Journal of Changchun University 

of Techonology(Natural Science Edition) Oct.2012高性能软磁材料的研究进展

赵占奎, 邓 娜, 昝 朝, 王明罡

(长春工业大学先进结构材料教育部重点实验室,吉林长春 130012

)摘 要:综述了软磁材料的研究现状,以及作者近年来在非晶、纳米晶以及软磁复合材料等高性能软磁材料方面的研究进展。基于放电等离子烧结技术,进行了Fe基非晶软磁材料的大尺寸工程化制备研究,成功制备致密大尺寸具有优异软磁性能的Fe76Si9B10P5非晶磁环。通

过放电等离子烧结的加热速率控制放电脉冲强度,在低于Fe76Si9B10P5非晶玻璃转变温度以下,一步法实现Fe76Si9B10P5非晶合金的块体致密化与纳米晶化,实验结果表明,大的SPS脉冲电流促进纳米晶化形核过程,使晶化后的晶粒更加细小均匀。重点介绍了微胞结构软磁复合材料的制备原理、结构特点以及优异的电磁性能。最后展望了高性能软磁材料的应用前景以及重要研究方向。

关键词:软磁材料;非晶;纳米晶;软磁复合材料

中图分类号:TM 271.2 文献标志码:A 文章编号:1674-1374(2012)05-0521-

08Progress in research of high performance soft mag

netic materialsZHAO Zhan-kui, DENG Na, ZAN Zhao, WANG Ming-gang

(Key Laboratory of Advanced Structural Materials,Ministry 

of Education,Changchun University 

of Technology,Changchun 130012,China)Abstract:The environmental and energy 

problem more and more get the attention of the countries allover the world,energy conservation and emission reduction has become the focus of attention of thecommon humanity.Magnetic materials in the national economy is an important base materials,inrecent years,appeared by electric drives and electronic control device of products of drive,automaticcontrol and function of trend,the key is one of the core materials soft magnetic materials.Softmagnetic materials in various devices play energy transfer and conversion function coupling.Improvethe efficiency and reduce the soft magnetic ferrite core material loss in energy saving andenvironmental pollution control has the great significance.This paper briefly introduces the currentresearch status of soft magnetic materials and the progress in research of high p

erformance magneticmaterials such as the amorphous,nanocrystalline and soft magnetic composite by author in recenty

ears.Key 

words:soft magnetic materials;amorphous;nanocrystalline;soft magnetic composite.

0 引 言

哥本哈根联合国气候变化大会抛给公众一个热词“低碳”,节能减排已成为全人类共同关注的焦点,环境和能源问题越来越受到世界各国的高度重视。今天,我们生活在电气化时代,但是电能是如何得到的?一般说来,电能是通过发电机从热能、水的动能、风能、原子能等转换成电能的,即先将这些能量通过热机或水轮机转换为机械(动)能,再把机械能转换为电能。在电能应用中,50%以上是应用于动力机械,即通过电动机将电能转换为机械(动)能来使用的。机械能和电能的相互转换离不开电磁场,而软磁材料的优劣决定了电磁场的转换效率。为了减少电能在长途传送途中的损失,需要以变压器为核心的输变电系统,软磁材料对变压器的效率起决定作用。磁性材料是国民经济中重要的基础材料,它不仅满足传统工业的发展需求,还在科技、电子信息等新兴技术中发挥着越来越重要的作用[1]。近年来,出现了采用电驱动装置和电子控制装置实现产品的驱动、自动控制和多功能化的趋势,关键的核心材料之一就是软磁材料。软磁材料在各种器件中起到能量耦合传递及转换的作用。在能源日趋紧缺和环境问题日趋严重的今天,降低软磁材料的损耗提高磁芯效率,在节约能源及控制环境污染等方面具有重大意义。

1 软磁材料的研究现状

1.1 金属系软磁材料

19世纪20年代,人们发现了电磁感应现象,并于1824年制造出世界上第一只电磁铁,从而以纯铁为先锋开始了软磁材料的发展历程。电工纯铁是指一种含铁量在99.5%以上的优质钢,电工纯铁的饱和磁感应强度(Bs)以及居里温度(Tc)较高,但电阻率(ρ)低,矫顽力(Hc)大,通常只在直流下应用。

1900年,Hadffeld[2]等发现在铁中加入Si元素可以改善磁性。当时采用热轧工艺,片厚0.35mm,损耗P10/50为1.75~3.5W/kg。热轧硅钢有两个重大缺陷:损耗高,钢板表面质量差。此后20多年间,人们用增加硅含量(4.5%~5.0%)以及在保护气氛中长时间高温退火的方法,使热轧硅钢的磁性能得到改善,P10/50可降低到0.9W/kg以下。随着冷轧技术的发展,人们逐渐采用冷轧方法生产硅钢片,在此基础上还出现了取向硅钢。原势二郎[3]等在研究中发现,先后沿着热轧方向和横向进行40%压下率冷轧(交叉轧制),经过脱碳退火和二次再结晶退火后,可以获得较强的{100}<001>取向织构,这种在纵、横两方向都有磁感的双取向硅钢显著提高硅钢片的磁性能。

1913年前后,开发了在弱磁场下磁通密度在数百高斯以上的坡莫合金。为降低损耗,多以薄带加绝缘介质绕制成磁芯应用,其最佳使用频率范围不超过20kHz。近年来,经过改进工艺,薄带厚度已降到0.005mm,其使用频率也相应提高到几百kHz乃至MHz。此外Fe-Al系、Fe-Si-Al系、Fe-Co系软磁合金被用于制造小型铁芯、音频和视频磁头以及极靴、电机转子等。1.2 软磁铁氧体

软磁铁氧体材料最早是由荷兰Philip实验室的Snoek于1935年研制成功的,适于在高频下应用的一种软磁材料,按其晶体结构可分为立方晶系的尖晶石(适用于低频、中频和高频)和平面六角晶系的磁铅石(适用于特高频,可到200MHz~2GHz)。最常用的软磁铁氧体主要是MnZn,NiZn和MgZn三大系列。铁氧体虽在高频段损耗很低,但Bs仅为金属软磁的1/4左右。50~80年代为软磁铁氧体发展的黄金时代,除电力工业外(电力工业主要用硅钢片),各应用领域中铁氧体占绝对优势。铁氧体的Bs、居里温度Tc都相对非常低,为此,近年来世界各国的知名企业竞相投入大量的人力和物力,从调整烧结冷却气氛,严格控制固相反应过程等特殊的烧结工艺,附加Ca,Si,Ti,Co等微量杂质细化晶粒烧结工艺以及改变磁芯形状等方法来提高软磁铁氧体的综合磁性能。

1.3 非晶、纳米晶软磁材料

1967年,Duwez率先开发出Fe-P-C系非晶软磁合金,掀起了第一个非晶合金研究开发热潮。1970年Fe-Si-B非晶态合金研制成功,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,先后推出命名为“Metglas”的Fe基、Co基和Fe-Ni基系列非晶合金带材。非晶态磁性材料原子排列为长程无序、短程有序结构,没有磁晶各向异性,具有高磁导率和低矫顽力以及优良的综合软磁性能[4]。日本东北大学的In-oue1995年以来开发出多种软磁性Fe基大块金

5长春工业大学学报(自然科学版) 第33卷

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