非晶态软磁合金材料

1非晶体软磁合金的概念非晶态软磁合金是一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。

2、非晶态软磁合金的结构非晶态合金是指原子不是长程有规则排列的物质。

一般晶态金属的原子密集规则排列切具有周期性，这种结构特征叫作原子排列的长程有序。

和晶态金属相比，非晶态合金结构没有长程有序、间隙较多、但是均质、各项同性。

其原子结构和各种特性表明,非晶无序并不是“混乱”，而是破坏了长城有序系统的周期性和平移对称性，形成一种有缺陷的，不完整的有序即最近邻或局域短程有序。

这种短程序只是由于原子间的相互关联作用，是其在小于几个原子间距的小区间内仍然保持着位形和组分的某些有序特征，故具有短程序。

2.1 非晶态结构的主要特征2.1.1 结构短程有序非晶态软磁合金固体的密度，一般与同成份的晶体差不多，约低2—3％。

这就是说，原子间的平均距离，在液态、晶态或非晶态中都是差不多的。

如果两原子间的相互作用主要是原子间距的函数，则形成凝聚态时的总结合能可近似地看成是原子对结合能的叠加。

这就很易觉察到，各种情况下原子的电子运动情况一般也不至于引起太大的突变。

这样，非晶态软磁合金固体中各原子与其最近邻原子之间的关系就与晶态的类似了，即存在一定的有序结构，这也就是上面所提到的短程有序。

非晶态固体的短程序一般可分为两大类：化学短程序和几何短程序。

2.1.2 结构长程无序晶体结构的根本特点是它的周期性，即通过点阵平移操柞，可以与其自身重合。

在非晶态中，这种周期性消失了，非晶态的这种结构特征，我们称为长程无序性。

在非晶态软磁合金固体中，原子的主要运动是在其平衡位置附近的热振动。

它的结构无序性是在非晶态形成过程中保留下来的。

2.1.3 结构的亚稳性非晶态软磁合金固体的最重要特征是其亚稳性。

从热力学来讲，熔点以下的晶态，总是自由能最低的状态。

因此，非晶态软磁合金总是有向自由能最低的晶体转化的趋势。

2.2 非晶软磁合金的结构模型非晶态结构的描述和实验测定至今还存在很大的局限性。

通常采用的径向分布函数是一种统计平均的近似，失去了不少结构信息，因此晶体结构研究中采用的结构模型法在非晶态结构的研究上显得更为重要。

结构模型可以给出原子在空间分布的三维图象，但其正确性必须根据实验测定的一些物理量进行判定，例如密度、原子填充因数等。

径向分布函数是检验结构模型的最重要的实验判据。

建造非晶态固体结构模型的主要根据是：a）满足原子(分子)间相互作用的势函数的要求；b）结构中不能出现原子周期性规则排列的区域；c）相应的结构应使体系的自由能最小；d）结构模型应具有相容性。

当根据模型的结构计算出的物理量与实验测量结构达到最好的拟合时，该结构模型就是被研究物质的一种可能结构。

目前公认的非晶态金属和合金的结构模型中，较好的是硬球无规密堆模型(DR—PHS)。

这种模型最初把原子视为一定直径不可压缩的钢球，无规密堆即硬球尽可能紧密堆积，结构中不包含可以容纳一个球的间隙。

同时，球的排列是无规的，当任何两个球之间的间距大于直径的五倍时，他们位置之间的相关性很弱，不出现规则周期性排列的有序区。

表1列出了一些DRPHS模型的模拟计算结果与实验测定的RDF的比较结果把原子作为不可压缩的钢球是一种零级近似，与实际材料中原子间相互作用势的差别较大。

很多研究对DRPHS模型进行了改进，采用不同作用势，“软化”原子间相互作用的排斥势部分，使之更接近于实际情况。

3、非晶态软磁合金的基本性能及其产生机理作为软磁材料，希望它有高的饱和磁感应强度和磁导率，低的矫顽力。

这些软磁性能又和材料的磁晶各向异性，磁致伸缩系数有关。

磁晶各向异性系数和磁致伸缩系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性能就越好。

非晶态磁性合金没有长程有序，因此非晶磁性材料的磁晶各向异性为零，而且非晶磁性材料组织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物，这样，非晶结构决定了其具有良好的软磁性能。

但非晶态磁性材料的磁致伸缩一般不为零，因为磁致伸缩起源于短程相互作用。

所以，非晶磁性材料的软磁特性主要取决于磁致伸缩系数λs的大小。

当λs≈0时，则可得到高磁导率，低矫顽力的非晶软磁材料。

除此之外，非晶态合金的电阻率较高，因此涡流损耗低，频率特性好，可应用在较高的频率范围。

非晶态的结构均匀，各向同性特点也决定了非晶材料具有高强度，一定的韧性，并具有很强的抗腐蚀性等。

4、非晶体软磁合金的特点非晶态软磁合金的磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。

此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。

4.1 优良的磁性与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。

非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。

4.2 高强韧性明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。

国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。

非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。

另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。

4.3 感生磁各向异性常数非晶合金虽然不存在磁晶各向异性，但它并不是磁各向同性的。

它在制备和以后的热处理过程中可以感生出磁各向异性。

利用由磁场退火感生的磁各向异性来控制合金的磁性已在实际上应用。

由磁场退火感生的磁各向异性大小和合金中磁性元素含量的关系蓦本符合原子对方向有序理论，但存在一定偏离。

4.4 化学特性由于非晶态金属的结构均匀，没有与晶态相关联的缺陷，像晶粒边界、位错和堆垛层错。

另外，制备非晶态合金的熔融状态快淬可以防止在淬火过程中的固态扩散。

于是，它们也没有像第二相、沉淀和偏析等缺陷。

因此，在与表面有关的特性(像腐蚀和催化)方面，非晶态合金被认为是理想的化学均匀合金。

例如，在中性盐和酸性溶液中，低铬的铁基金属玻璃(如Fe27Cr8P13C7)的耐腐蚀性优于不锈钢，这是一般晶态软磁合金所难以达到的。

另一方面，非晶态合金至少含有两个组分，往往含有形成非晶态结构所必需的大量的类金属。

这样复杂的成分也显著影响它们的化学特性。

4.5 电阻高由于原子排列的长程无序，声子对传导电子散射的贡献很小，使其电阻率很高(比晶态约高1个数量级)，因而可以大大降低合金的涡流损耗。

作为软磁合金的非晶合金其电阻率约为120～190×10-8之间，远高于晶态软磁合金。

温度系数小(M0系、Ti系、Nb系金属在低温下都显示超导性质)，在0K时具有很高的剩余电阻。

传统的薄钢板，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。

由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有“水老虎”和“电老虎”之称。

而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。

正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。

表2是非晶软磁合金材料与其它常用软磁材料性能的比较5、非晶态软磁合金的种类5.1 铁基非晶合金铁基非晶合金：主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。

它们的特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4--1.7T）、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，特别是铁损低（为取向硅钢片的1/3~1/5），代替硅钢做配电变压器可降低铁损60－70％。

铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右，广泛应用于中低频变压器的铁心（一般在10千赫兹以下），例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。

5.2 铁镍基非晶合金铁镍基非晶合金：主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成，它们的磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下），价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁心，例如漏电开关互感器。

5.3 钴基非晶合金钴基非晶合金：由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素，由于含钴，它们价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强度一般在1T以下），但磁导率极高，一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。

6、非晶软磁合金材料的应用6.1电机转换领域a.配电变压器铁心。

铁基非晶合金铁心具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低激磁电流、良好的温度稳定性，使非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器。

这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。

b.开关电源变压器及电感铁心。

开关电源是自20世纪70年代发展起来的新型电源技术，它采用20千赫兹以上的工作频率，大大缩小了变压器的体积、减轻了重量、提高了效率。

在开关电源中使用非晶微晶合金作为铁心的元器件有：主变压器、控制变压器、共模电感、噪声滤波器、滤波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、尖峰抑制器、饱和电感、脉冲压缩器、开关管保护电感等。

6.2电子防窃系统早期利用钴基非晶窄带的谐波式防盗标签在图书馆中获得了大量应用。

最近利用铁镍基非晶带材的声磁式防盗标签克服了谐波式防盗标签误报警率高、检测区窄等缺点，应用市场已经扩展到超级市场。

6.3电子信息领域随着计算机、网络和通讯技术的迅速发展，对小尺寸、轻重量、高可靠性和低噪音的开关电源和网络接口设备的需求日益增长、要求越来越高。

因此，在开关电源和接口设备中增加了大量高频磁性器件。

非晶、纳米晶合金在此大有用武之地。

6.4民用产品变频技术有利于节约电能、并减小体积和重量，正在大量普及。

但如果变频器中缺少必要的抑制干扰环节，会有大量高次谐波注入电网，使电网总功率因素下降。

减少电网污染最有效的办法之一是在变频器中加入功率因数校正（PFC）环节，其中关键部件是高频损耗低、饱和磁感大的电感铁心。

铁基非晶合金在此类应用中有明显优势，将在变频家电绿色化方面发挥重要作用。

目前在变频空调中使用非晶PFC电感已经成为一个热点。