功能复合材料-2-磁性复合材料

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这种复合软磁材料的相对磁导率 相对磁导率µ 这种复合软磁材料的相对磁导率µr值可 由下式描述: 由下式描述
µ r = ( µc d ) /(d + 2 µcδ )
式中d、 分别表示金属粒子尺寸 金属粒子尺寸、 式中 、µc和δ分别表示金属粒子尺寸、 块状金属相的磁导率和包覆层厚度。 块状金属相的磁导率和包覆层厚度。 磁导率
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2.3.2 磁性复合材料的分类 由于磁性材料 软磁和硬磁之分 磁性材料有 之分， 由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有 相应的软磁和硬磁复合材料。 相应的软磁和硬磁复合材料。 此外，强磁性 铁磁性和亚铁磁性 细微颗粒涂 铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒 此外，强磁性(铁磁性和亚铁磁性 细微颗粒涂 覆在高聚物材料带上 金属盘上形成 高聚物材料带上或 形成磁带或磁盘 覆在高聚物材料带上或金属盘上形成磁带或磁盘 用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料， 用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料， 又如与液体混合形成磁流体 与液体混合形成磁流体等 又如与液体混合形成磁流体等。 2.3.3 磁性复合材料的应用
3. 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。 4. 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料 磁流变体。 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体 磁流变体。
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2. 2 聚合物基磁性复合材料
聚合物基磁性复合材料主要由强磁粉 聚合物基磁性复合材料主要由强磁粉 功能体） 聚合物基体（黏结剂） （功能体） 、聚合物基体（黏结剂） 和加 三大部分组成 工助剂三大部分组成。 工助剂三大部分组成。 2.2.1 无机磁粉功能体
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如果把软磁材料 例如 软磁材料（ 合金） 如果把软磁材料（例如Fe--Si--A1合金） 合金 制成粉末，表面被极薄的A1 制成粉末，表面被极薄的 2O3层或高聚物 极薄的 分隔绝缘，然后热压或模压固化成 分隔绝缘，然后热压或模压固化成块状软 热压或模压固化 磁体， 磁体，则
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2 ρ 3 M r ∝ (M s β )[ (1 − α )] × f ρ0
其中，Mr为复合磁体的剩余磁化强度；Ms为磁性 为复合磁体的剩余磁化强度； 其中，Mr为复合磁体的剩余磁化强度 Ms为磁性 组元的饱和磁化强度； 为复合磁体密度； 组元的饱和磁化强度；ρ为复合磁体密度； ρ o为磁 性组元的理论密度； 性组元的理论密度；α为复合物中的非磁性相的体 积分数； 为铁磁性相在外磁场方向的取向度。 积分数；f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。
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2.5 软磁复合材料 电器元件的小型化，导致磁路中追求更 电器元件的小型化，导致磁路中追求更 磁路中追求 高的驱动频率，为此应用的软磁材料 高的驱动频率，为此应用的软磁材料，除在 软磁材料， 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和 经常要求的高饱和磁化强度 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高 低的交流损耗P 磁导率外 还要求它们具有低的交流损耗 磁导率外，还要求它们具有低的交流损耗PL。
2. 磁性复合材料
2. 1 概述
磁性复合材料(Magnetic composite 磁性复合材料 materials)是以高聚物或软金属为基体与磁 是以高聚物或软金属 是以高聚物或软金属为基体与 性功能体复合而成的一类材料 复合而成的一类材料。 性功能体复合而成的一类材料。
1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。 无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。 无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料 2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。 无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。
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永磁复合材料的功能组元是磁性粉末， 永磁复合材料的功能组元是磁性粉末， 高聚物和软金属起到粘结剂的作用。 高聚物和软金属起到粘结剂的作用。 起到粘结剂的作用 其中，高聚物使用较为普遍 使用较为普遍， 其中，高聚物使用较为普遍，常用的 等材料 有环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。 环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。
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很显然， 高密度的金属磁体或 很显然，与高密度的金属磁体或陶 瓷磁体(铁氧体 相比 复合磁体的优良加 瓷磁体 铁氧体)相比，复合磁体的优良加 铁氧体 相比， 工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。 工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。 是以牺牲一部分磁性能
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磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重 要因素。 要因素。
铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形 铁氧体和 核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴 核机制所控制，因此， 尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。 尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。 和熔融-淬火法生产的微晶 淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力 Sm2Co17和熔融 淬火法生产的微晶 磁粉的矫顽力 是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响， 是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响， 其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。 其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。
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非磁性基体及非磁性相的比例 非磁性基体及非磁性相的比例直接影 的比例直接影 饱和磁化强度及 响到材料的饱和磁化强度 剩余磁化强度， 响到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度， 它可用下述关系式来表达： 它可用下述关系式来表达：
2 ρ 3 M r ∝ (M s β )[ (1 − α )] × f ρ0
2.3.1 磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系 对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料： 对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料： µr(V) = 1 + A V
µr 相对磁导率； 相对磁导率；
A 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数； 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数； V 磁性材料填充的体积分数。 磁性材料填充的体积分数。
磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度 磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、 分布以及制造工艺有关。 分布以及制造工艺有关。
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1. 铁氧体磁粉 2. SmCo5类磁粉 3. Sm2Co17类磁粉 4. NdFeB
BaO · Fe2O3或SrO · Fe2O3 第一代稀土复合永磁材料 第二代稀土复合永磁材料 第三代稀土复合永磁材料
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从图A、 、 曲线看出 它的µ 曲线看出， 从图 、B、D曲线看出，它的µr值在相当宽 的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降 不随交变场频率的升高而下降， 的驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降， 从而保持在一个较平稳的恒定值 较平稳的恒定值。 从而保持在一个较平稳的恒定值。
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由于复合永磁材料 易成形和 复合永磁材料的 由于复合永磁材料的易成形和良好加 工性能，因此常用来制作薄壁的微型电机 工性能，因此常用来制作薄壁的微型电机 使用的环状定子 例如计算机主轴电机 环状定子， 计算机主轴电机， 使用的环状定子，例如计算机主轴电机， 钟表步进电机等 钟表步进电机等。
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显然，选择合适的金属粒子尺寸 金属粒子尺寸和 显然，选择合适的金属粒子尺寸和包 即可获得所需的相对磁导率µ 覆层厚度即可获得所需的相对磁导率 覆层厚度即可获得所需的相对磁导率µr值， 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。 电感器和轭源圈的设计是十分重要的 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。
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随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。 随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。 µr(V) = 1 + B V 2
B，磁感应强度。 ，磁感应强度。
对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不 同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料， 同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其 粒子形态相似而磁性能不同， 粒子形态相似而磁性能不同，则µr 与各磁性材料 的关系可表示为： 体积分数V i 的关系可表示为： µr(V1，V2) = 1 + B1V2 2+ B2V2 2
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通常较大尺寸的金属软磁材料， 较大尺寸的金属软磁材料 通常较大尺寸的金属软磁材料，其相对 磁导率 µr 随驱动频率的增大而急速下降， 驱动频率的增大而急速下降， 如下图所示： 如下图所示：
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Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化 粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
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复合永磁材料的功能体 功能体可看作是各类 复合永磁材料的功能体可看作是各类 磁体粉末（ 铁氧体、铝镍钴、 磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、 、 Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。 粘结磁体。 等 制成的粘结磁体 也可以选用两种或两种以上的不同磁 也可以选用两种或两种以上的不同磁 两种或两种以上的 粉与高分子材料复合，以便得到更宽范围 高分子材料复合 以便得到更宽范围 复合， 的实用性能。 的实用性能。
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复合永磁材料的良好成型性 良好成型性， 复合永磁材料的良好成型性，使其适用 体积小、 于制作体积小 形状复杂的永磁体。 于制作体积小、形状复杂的永磁体。如汽车 仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等 仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等。 及各类蜂鸣器
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磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。 磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。
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2.2.2 聚合物基体
分为橡胶类、 分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类 三种。 三种。
2.2.3 加工助剂
为了改善复合体系的流动性， 为了改善复合体系的流动性，常加入各种助 剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高 磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、 磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂 及增塑剂等。 及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能 体的抗氧化能力起到一定作用。 体的抗氧化能力起到一定作用。
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永磁复合材料的制造方法常采用模压 永磁复合材料的制造方法常采用模压、 常采用模压、 注塑、挤压等工艺技术。 注塑、挤压等工艺技术。 等工艺技术 对于软金属粘结工艺来说，由于它较为 软金属粘结工艺来说 对于软金属粘结工艺来说，由于它较为 复杂，因此除磁体要求在较高温度下(＞ 复杂，因此除磁体要求在较高温度下 ＞200 磁体要求在较高温度下 使用外， 金属基复合磁体。 ℃)使用外，很少采用这种金属基复合磁体。 使用外 很少采用这种金属基复合磁体
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2.4 永磁复合材料 典型的永磁材料包括永磁铁氧体 典型的永磁材料包括永磁铁氧体、铝 包括永磁铁氧体、 镍钴以及稀土永磁材料 以及稀土永磁材料。 镍钴以及稀土永磁材料。 一般情况下，永磁材料的密度较高， 一般情况下，永磁材料的密度较高 密度较高， 脆而硬，不易加工成复杂的形状。 脆而硬，不易加工成复杂的形状。 成复杂的形状 但是，制成高聚物基 软金属基复合 高聚物基或 但是，制成高聚物基或软金属基复合 材料后，上述难加工的缺点可得到克服。 难加工的缺点可得到克服 材料后，上述难加工的缺点可得到克服。
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2.2.4 聚合物基磁性复合材料的制备工艺
常采用模压 注塑、挤压等工艺技术。 模压、 常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。 等工艺技术
NdFeB/环氧树脂复合材料 环氧树脂复合材料 的性能与成型压力的关系
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2.3 磁性复合材料的性能、分类及应用 磁性复合材料的性能、