高性能软磁材料的研究进展 (1)

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） Ｖｏｌ．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　ｍａｇｎｅｔｉｃ　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　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｍｏｒｐｈｏｕｓ，ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｙ　ａｕｔｈｏｒ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．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２２５长春工业大学学报（自然科学版） 第３３卷属玻璃（Ｂｌｕｋ　Ｍｅｔａｌｌｉｃ　Ｇｌａｓｓ，ＢＭＧｓ）。

主要由铁磁性元素和有利于玻璃形成的金属元素、非金属组成。

合金的Ｂｓ一般为０．９６～１．１５Ｔ，具有１．１～６．４Ａ／ｍ低的Ｈｃ，室温１ｋＨｚ下的磁导率可达７　０００～２５　０００［５］。

Ｍａｋｉｎｏ最近报道的Ｆｅ７６Ｓｉ９Ｂ１０Ｐ５［６］块体非晶合金，由于其高铁含量，其Ｂｓ达１．５１Ｔ，Ｈｃ低至０．８Ａ／ｍ，具有高的非晶形成能力，ΔＴｘ达到５２Ｋ。

因其不含贵元素而具有低的成本，非常适宜工业应用。

近几年，Ｆｅ基ＢＭＧｓ得到了快速发展［７］，非晶形成能力不断提高，铜模注射制备的Ｆｅ６８Ｍｏ４Ｙ６Ｂ２２最大直径达到６．５ｍｍ。

铜模铸造Ｆｅ７５Ｍｏ５Ｐ１０Ｃ７．５Ｂ２．５强度达到３．２３ＧＰａ，塑性变形量达到５．５％。

加入少量的Ｃｒ使Ｆｅ基ＢＭＧｓ的耐蚀性更好，腐蚀电位由－０．５８５Ｖ增加到－０．２８５Ｖ。

相信随着低真空条件以及工业级原料的使用，Ｆｅ基ＢＭＧｓ更会吸引全世界材料界乃至企业界的关注。

１９８８年，Ｙｏｓｈｉｚａｗａ［８］等发明的ＦｅＳｉＢＮｂＣｕ纳米软磁材料问世，其性能优于非晶合金。

研究发现，当晶粒尺寸Ｄ减小到一定的量级后，Ｈｃ与Ｄ的六次方成正比，即Ｈｃ∝Ｄ６。

于是，软磁材料的研究又进入了另一个极端，即要求材料的晶粒尺寸Ｄ应尽可能地小，以致达到了纳米量级。

在过去的２０年，纳米晶合金ＦｅＳｉＢＮｂＣｕ，ＦｅＺｒＢＣｕ和ＦｅＣｏＺｒＢＣｕ分别以Ｆｉｎｅｍｅｔ，Ｎａｎｏｐｅｒｍ和Ｈｉｔｐｅｒｍ的名字申请了专利［５］。