第4章软磁材料

Fe基 非晶
4500 4500 1.56 5.0 0.65 2200 415 +27 1.410-6 7.18

饱和磁通密度BS 矫顽力HC 矩磁比（Br/BS） 磁芯损耗PC 居里温度TC 饱和磁致伸缩常 数 S 电阻率 密度dS
10kHz 100kHz T A/m
50000 1600030% 1.35 1.3 0.60
0.5
0.2
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纳米晶软磁的制备和应用
制备纳米晶软磁材料的主要方法是非晶晶化法： 先利用溶体急冷法（RS）获得非晶条带，而后在略高 于非晶晶化温度下退火一定时间，使之纳米晶化。 纳米晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展，其应用 领域遍及软磁材料应用的各方面 如：功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、可饱和电 抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关和传感器等
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晶粒尺寸与矫顽力的关系
纳米晶软磁发明之后，才全面认识到 晶粒尺寸与矫顽力的关系
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纳米晶与铁氧体、非晶性能对比
Finemet FT-1KM MnZn 铁氧体
5300 5300 0.44 8.0 0.23 1200 150
Co基 非晶
90000 18000 0.53 0.32 0.50 300 180 ~0
Hale Waihona Puke Baidu21
软磁铁氧体材料类别
软磁铁氧体材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石 型铁氧体以及Co2Y，Co2Z等平面六角型铁氧体 。 在1MHz频率下，锰锌铁氧体应用极广。其磁滞损耗低， 在相同高磁导率的情况下居里温度较NiZn高，起始磁导率 i高，且价格低廉。 在1～100MHz范围内，镍锌铁氧体应用最广。因为Ni2+不 易变价，电阻率高，适用于作高频软磁材料，且频带宽。 由于镍的价格较高，在频率低于30MHz的情况下，可以 用价格便宜的镁锌铁氧体来代替，只是性能稍差一些。
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非晶态材料的制备方法
气体 （平衡） 液体
非晶材料制备方法通常有： 气相沉积； 液相急冷；
非晶体
晶体
高能粒子注入
高能粒子注入
（获得非晶态的途径用空心箭头标出）
非晶材料的制备方法
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非晶软磁材料的应用
铁基非晶带的损耗仅为硅钢的1/3，在电力工业中应 用可以显著地降低损耗，但由于成本较高，目前尚难 以大量取代传统的材料
现在在下列方面获得应用： 高功率脉冲变压器 航空变压器 开关电源
……
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环型非晶电感线圈
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4.5.2纳米晶软磁材料
1988年，Yashizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处 理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。 此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感 应强度和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且是成 本低廉的铁基材料。 铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展。 目前已经开发或正在开发研究的系统有Fe-Cu-M-Si-B （M为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、Fe-M-C和FeM-V（M为Ta等耐热金属）系等纳米晶软磁材料。
此外，由于铁钴合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，
也是一种很好的磁致伸缩合金。
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4.4 铁氧体软磁材料
发展最早，应用最广的一类铁氧体材料 软磁铁氧体最早由Snock于1935年研制成功的 这类材料具有窄而长的磁滞回线，矫顽力HC小，既容易 获得磁性，也容易失去磁性。 软磁铁氧体的磁性来源于亚铁磁性，故饱和磁化强度MS 较金属低，但比金属软磁的电阻率要高得多，因此具有 良好的高频特性。 在弱电高频技术领域，软磁铁氧体具有独特的优点，广 泛地应用于有线通讯、无线通讯、广播、电视、航天技 术及其它电子科技中用作电感元件和变压器等。 其应用频率从几百赫的音频范围到千兆赫的微波频段。
kW/m3 ℃ 10-6 m Mg/m3
350 570 +2.3 1.110-6 7.4
0.20 4.85
1.310-6 7.7
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各类软磁材料性能比较
×104 50 20 10 5 μi 2 坡莫合金 1 纳米微晶 Fe-Si-B-Nb-Cu合金 Fe基非晶合金 Mn-Zn铁氧体 0.1 0 0.5 1.0 1.5 BS（T） 2.0 2.5 3.0 硅钢 纳米微晶 Fe-M-B基合金 Co基非晶合金
5
结构与磁性的变化
相结构的变化导致磁性变化
结构和磁性随温度变化
相结构随温度和压力变化
6
Fe-C相图
1600
1400 1200
L d-Fe g-Fe Fe3C
T/℃
1000
800
600
a-Fe
400
0
1
2
3
Fe
c/%
4
5
6
7
7
含碳量影响磁性能
max减少（↓）
Hc上升（↑） 主要是因为碳对畴壁移 动形成阻碍作用 Cu、Mn、Si、N、O、S等也 会对软磁性能产生不利影响
☞高饱和磁感应强度低功耗材料（又称功率铁氧体）。 用于开关电源、电视机偏转磁芯及U型磁芯
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4.5 非晶及纳米晶软磁材料
晶态与非晶态
En C E2 B
E1 A
晶态
D
晶态与非晶的原子排布
晶态与非晶的能垒模型
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4.5.1非晶态软磁材料
非晶态材料的特征：
☞原子排布为长程无序、短程有序； ☞不存在位错及晶粒边界；
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Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金晶化过程示意图
非晶态 非晶相
富铜区 热处理初期 非晶相
fcc Cu 晶化初期 bcc Fe-Si 非晶相 fcc Cu 最佳磁状态 bcc Fe-Si 富Nd，B非晶相
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纳米晶软磁合金
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作业题目
1. 永磁材料的主要磁技术参量及测量？ 2. 双相纳米晶复合永磁体材料的研究现状与发展趋势？ 3. 软磁材料主要磁技术参量及测定？ 4. 铁氧体软磁材料的研究现状与发展趋势 5. 磁性复合材料的研究现状与发展趋势 6. 聚合物磁性材料的研究现状与发展趋势 7. 磁性材料在磁记录领域的应用
第4章软磁材料
能够迅速响应外磁场的变化，且能低 耗损地获得高磁感应强度的材料。
本章讲述的主要内容：
☞衡量软磁材料的重要指标
☞提高起始磁导率的途径
☞金属软磁材料
☞铁氧体软磁材料
☞非晶及纳米晶软磁材料
1
4.1 衡量软磁材料的重要指标
起始磁导率高
矫顽力HC 小 饱和磁感应强度MS 高 磁损耗小 稳定性好
在该成分时，合金的磁致伸缩系数s和磁各向异性常数
K1几乎同时趋于零，并且具有高磁导率和低矫顽力。 同时，不需要高价的Co和Ni，而且电阻率高、耐磨性好， 所以作为磁头磁芯材料材料比较理想。
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铁钴合金
铁钴合金具有高的饱和磁化强度，在Co为35％时，
最大饱和磁化强度达到2.45T。
在Co为50％左右的铁钴合金，具有高的饱和磁化强 度，高的初始磁导率和最大磁导率。 铁钴合金通常用作直流电磁铁铁芯、极头材料、航 空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。
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软磁铁氧体主要应用方向
由于晶体结构的限制，立方晶系铁氧体的使用频 率大体上仅能在数百兆赫之下。 几百兆赫到数千兆赫的高频软磁材料基本上是以 平面型六角晶系铁氧体为主 现代软磁铁氧体材料发展的主要方向 ：
☞高磁导率材料，i>104，用于宽频带变压器、低频变 压器、小型环形脉冲变压器和微型电感器等。
☞加热具有结晶化倾向； ☞电阻率比晶态材料高； ☞机械强度较高且硬度较高； ☞作为磁性材料，磁导率高，矫顽力低。 电阻率高，涡流损耗小。 所以，非晶态材料拥有优良的综合软磁性能
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典型的非晶态磁性材料
►3d过渡金属（T）－非金属系。
其中 T 为 Fe ， Co ， Ni 等；非金属为 B ， C ， Si ， P 等。例如 Co-Fe-B-Si 非晶薄带（音频磁头等）， Fe-Si （磁芯材 料），Fe78Si10B12（高磁致伸缩材料）。
主要用于： 各种形式的电动机、发电机和变压器 扼流圈 电磁机构 继电器 测量仪表 …………
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4.3.3坡莫合金
坡莫合金源于英文permalloy 是指镍的质量分数为30％～90％的镍铁合金 坡莫合金具有很高的磁导率，成分范围宽 而且磁性能可以通过改变成分和热处理工艺等进行调节 坡莫合金中含有Ni，因此
► 3d过渡金属（T）－金属系。
其中 T为 Fe，Co， Ni等；金属为 Ti， Zr， Nb， Ta 等。例 如， Co-Nb-Zr系溅射薄膜， Co-Ta-Zr 系溅射薄膜（ VTR 磁头，薄膜磁头）。
►过渡金属（T）－稀土类金属（R）系。
其 中 T 为 Fe ， Co ； R 为 Gd ， Tb ， Dy ， Nd 等 。 例 如 ， GdTbFe，TbFeCo等（光磁记录材料）。
通过退火除杂后，具有高磁通，较高磁导率 可以满足实用要求
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坡莫合金的用途
坡莫合金主要用于：
高磁导率的铁芯材料
磁屏蔽材料 恒磁导率脉冲变压器 各种矩磁合金 热磁合金
磁致伸缩合金
…………
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4.3.4其他软磁合金
铁铝合金
铁铝合金是以铁和铝为主要成分的软磁材料
通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的软磁材料：
高的磁导率 高的电阻率 高的饱和磁致伸缩系数 高的硬度、强度和耐磨性 ………… 铁铝合金价格低廉，常作为铁镍合金的替代品。其主要 用于磁屏蔽，小功率变压器，继电器，微电机，讯号放 大铁芯，超声波换能器元件，磁头等
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铁硅铝合金
又称仙台斯特合金，是1932年在日本仙台被开发出来的 成分为Fe-9.6Si-5.4Al
与MS平方成正比；与K1和λ S成反比； 与内应力σ 和杂质浓度β 成反比 降低HC的方法与提高μi的方法相一致 调节配方
2
4.2提高起始磁导率的途径
提高饱和磁化强度MS
MS很难调整，效果不明显
降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λ
S
是最有效的方法，从配方和工艺上使K1→0，λS→0 （FeNi合金）
磁学特性优于硅钢
价格贵于硅钢
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合金成分与磁学特性
急冷是防止Ni3Fe相析出
15
典型成分
在Ni为75%~83%的范围内，具有最佳的综合软磁性能：
Ni在81％附近，磁致伸缩系数s＝0 Ni在76％附近，磁各向异性常数K＝0 但是，饱和磁通密度较低，Ni又是高价金属材料
所以通常采用Ni为40％～50％的坡莫合金
c增加（↑）
8
电工纯铁的主要用途
电工用纯铁主要用于制造：
磁铁的铁芯和磁极
继电器的磁路和各种零件 感应式和电磁式测量仪表的各种零件 扬声器的磁路 电话中的振动膜 电机中用以导引直流磁通的磁极 冶金原料 …………
9
4.3.2 硅钢
电工纯铁只能在直流磁场下工作， 在交变磁场中，涡流损耗大
在纯铁中加入硅，形成固溶体，这样
电阻率（↑），涡流损耗（↓） 硅钢也称硅钢片或电工钢片
碳的质量分数c在0.02％以下，硅的质量分数
为1.5％～4.5％的Fe合金
10
硅钢的性能
60Hz，B=1T,厚度为0.35mm
11
冷轧无取向硅钢片
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评价和用途
添加适量硅，K（↓），s（↓），铁损（↓）
因此是非常优秀的软磁材料和交流电器的理想材料 已经成为用量最大的磁性材料
改善材料的显微结构
降低杂质和气孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的织构化 （MnZn合金）
降低内应力σ
3
4.3 金属软磁材料
电工纯铁 硅钢 坡莫合金 其它软磁合金 铁铝合金 铁硅铝合金
铁钴合金
4
4.3.1电工纯铁
指纯度在99.8％以上的铁 是最早，最常用的纯金属软磁材料
升温、加压
降温、降压 体心立方 面心立方
37
38