软磁材料

磁屏蔽材料
通讯仪器、电器
按市场产值(产量)分类排序：磁记录材料、软 磁材料、永磁材料. 产量顺序正好相反.
主要磁性材料简介
• 1. 永磁材料：永磁铁氧体、稀土永磁. • 2. 软磁材料：铁氧体软磁、纳米微晶软磁、 块体非晶、软磁颗粒膜. • 3. 磁记录材料 • 4. 高温磁制冷材料 • 5. 自旋电子学材料
第4章 软磁材料
4.1 衡量软磁材料的重要指标 ／l14 4.2 提高起始磁导率的途径 ／115 4.3 金属软磁材料 ／l16 4.3.1 电工纯铁 ／116 4.3.2 硅钢 ／118 4.3.3 坡莫合金 ／12D 4.3.4 其他软磁合金 ／122 4.4 铁氧体软磁材料 ／123 4.5 纳米晶软磁材料 ／(非晶态/纳米晶)软磁材料
软磁材料－纯铁的磁时效
纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料 的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130℃附 近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N， 逐渐形成铁的氮化物所致。 人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象， 为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行 100℃，保温 100 小时的人工时效处理。或选择低时 效敏感性的材料。 纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损 耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。
• 主要用途：在直流磁场下工作的器件。制造电磁铁
的铁芯和磁极，继电器的磁路，感应式和电磁式测量仪 表的零件，扬声器的各种磁路，电话中的振动膜、磁屏 蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。
软磁材料－电工纯铁
最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)， 含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T， 其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。 工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处 理才能获得好的软磁性能 去应力退火：消除加工应力。保护条件下860～930℃，保 温4小时后随炉冷却。 去除杂质处理：纯铁中的杂质（ C，Mn，Si，P，S，N等） 会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理 来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以 下)中，于1200～1300℃温度保温5～10小时。
概述：磁性材料分类
软磁材料 半硬磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe) Hc :100～1000A/m (1.25～12.5Oe)
力按 分矫 类顽
硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe) 铁芯材料 分按 类用 途 磁头材料 磁记录材料 磁致伸缩材料 变压器、继电器 录音机 磁带、磁盘 传感器
4.2 提高起始磁导率的途径
• 必要条件：提高Ms并降低K1、λs ：的值. • 充分条件：降低杂质浓度，提高密度， 增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应 力和气孔的影响。这都与配方的选择和 工艺条件密切相关。
提高起始磁导率µ的途径 i
一、提高Ms降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs • 材料的起始磁导率µ 与Ms的平方成正比。 i • 最有效方法是从配方和工艺上使K1→0，λs →0. 例如：CoFe2O4、Fe3O4Ms虽高，但K1和λs太大。
二、矫顽力 Hc
• 软磁材料的基本性能要求是，能快速地响应 外磁场变化，这就要求材料具有低矫顽力值。 • 图为在低磁场时就表现出灵敏的响应。
软磁材料典型的磁滞回线示意图
影响矫顽力Hc的因素
• 软磁材料的矫顽力较低: 通常约为0.1-100 A/m 数量级。 • 软磁材料的反磁化过程主要是通过畴壁位移来 实现的，因此材料内部应力起伏和杂质的含量 与分布成为影响矫顽力Hc的主要因素。对于内 应力不易消除的材料，应着重考虑降低 λs；对 于杂质含量较多的材料应着重考虑降低Kl值。 • 对于软磁材料，在提高µ 的同时可以实现降低 i Hc的目的。
三、饱和磁感压强度Ms
• 饱和磁感应强度地是软磁材料的又一重要磁性 参量。软磁材料通常要求其具有高的饱和磁感 应强度Ms，这样不仅可以获得高的µ 值，还可 i 以节省资源，实现磁性器件的小型化。 • 在软磁材料中可以通过选择适当的配方成分， 来提高材料的Ms值。然而，实际情况是，材料 的Ms值一般不可能有很大的变动。
四、磁损耗
• 软磁材料多用于交流磁场，因此动态磁 化造成的磁损耗不可忽视。 • 动态磁化所造成的磁损耗包括3个部分： 涡流损耗，磁滞损耗和剩余损耗。 • 随着交流磁场频率的增加，软磁材料动 态磁化所造成的磁损耗增大。
动态磁化特性
• 瑞利磁滞回线：当外磁场的振幅不大（磁化基本上 为可逆）时，得到在原点附近具有正负对称变化的 磁滞回线。 • 磁滞损耗：Wh = (3/4)fη(Hm)3 • 涡流损耗：P = (r02/8ρ)(dM/dt)2 (均匀磁化) • (趋肤效应) P = (r02/2ρ)(dM/dt)2 (非均匀磁化) • 磁后效应：磁化强度M(或B)跟不上磁场变化的延迟 现象。(扩散磁后效、约旦磁后效: • M(T) – M(0) = χdSVlogt ，SV磁后效系数， • χd微分磁导率。
我国电工纯铁的磁性和用途
4.3.2 电工硅钢
• 电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）：电工纯铁只能在直流磁场 下工作，为了克服在交变磁场下涡流损耗大的缺点，加入少 量硅，形成固溶体，提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还 可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化 强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数。 Si含量的增大会使材料变脆。 • 成分：碳的质量分数Wc在0.02%以下，硅的质量分数为 （1.5～4.5）%。
4.1 衡量软磁材料的重要指标 一、起始磁导率 二、矫顽力 Hc
三、饱和磁感压强度Ms 四、磁损耗
五、稳定性
一、起始磁导率
在实际磁化过程中，起始磁导率应是畴转 磁化和畴壁位移磁化这两个过程的迭加:
决定磁导率的主要因素
• 主要因素: (Ms, K1, λs, 等基本磁特性参数) 起始磁导率µ i都有一个共同的特点: 即与材料 的饱和磁化强度Ms的平方成正比; 与材料的 K1和λs成反比; 与材料中的内应力σ，和杂质 浓度β成反比。 • 次要因素: (σ， β) σ和β的大小及其对磁导率的影响会随加工条 件和实际情况而变化。
电工硅钢
• 制造工艺：分为热轧和冷轧两种，以在结晶温 度为区分点。 • 热轧的温度与锻造温度相近，如钢材的热压温 度在800～1250℃。 • 冷轧一般用于生产带材，其轧速较高。轧制过 程中都需要使用润滑剂，其作用是减少摩擦和 轧辊的磨损以及温度的控制。
软磁材料wenku.baidu.com电工硅钢
热轧硅钢片（DR） 钢电 片工 硅 冷轧无取向硅钢片（ DW） 冷轧单取向硅钢片（ DQ） 电讯用冷轧单取向硅钢片（ DG） 与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸 精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的 磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.02～0.05mm。冷轧 硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。 近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。
Fe19Ni81： λs →0；Fe24Ni76： K1→0；Fe21.5Ni78.5： µ ～104. i
• 选用K1和λs很小的铁氧体作为基本成分：MnFe2O4、 MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4。 二、改善材料的显微结构 • 选择原料纯度高、活性好、适当的热处理条件，可以使 烧成的材科结构均匀、杂质和气孔较少。 • 晶粒增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，µ 升高。 i • 材料的织构化：结晶织构是将各晶粒易磁化轴排列在同 一方向；磁畴织构是使磁畴沿磁场方向取向，从而提高
三、降低内应力 • 由磁化过程的磁致伸缩引起的内应力，它 与λs 成正比。 • 烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变， 产生内应力。可以采用低温退火消除。 • 气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部 产生应力。原材料的优选以及工艺过程的 严格拉制来消除。
4.3 金属软磁材料
4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 电工纯铁 ／116 硅钢 ／118 坡莫合金 ／12D 其他软磁合金 ／122
复数磁导率
• 交变磁场中的磁体：存在磁滞效应、涡流效应、 磁后效应、畴壁共振等。 • 交变磁场：H = Hmeiωt • B = Bmei（ωt-φ） • 复数磁导率：μ = (1/μ0)(B/H) = (Bm/μ0Hm)e-iφ • = μ´ - iμ´´ • 磁损耗功率密度：P耗 = (1/T)∫0THdB • = πfμ0μ´´Hm2 • 储能密度：WC = (1/T) ∫0THBdt = (1/2) μ0μ´Hm2 • 品质因子：Q = 2 πf(Wc/P耗) = μ´/μ´´ • 磁损耗系数(损耗角正切): tanφμ = 1/Q = μ´´/μ´
软磁材料的发展历史
• 铁氧体尚未问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、 通信各领域。金属磁饱和磁化强度远高于铁氧体，因此 电力工业中的变压器、电机等至今仍是铁硅合金材料。 金属软磁材料低电阻率的特性导致趋肪效应，涡流损耗 限制了其在高频段的应用。 • 20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产， 金属软磁材料慢慢退出应用市场，仅局限于某些特殊的 应用。 • 50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。软磁 材料的性能常因应用而异，但通常希望高磁导率、低损 耗。因矫顽力与晶粒尺寸成反比，因此以往追求的是材 料的显微结构尽可能均匀，晶粒尺寸尽可能大。
软磁材料
定义: 能够迅速响应外磁场的变化，
能低损耗地获得高磁感应强度， 既容易受外加磁场磁化和退磁的材料。
Hc<100A/m(1.25 Oe)
用途： 变压器、电机、电感
与继电器的铁(磁)心； 磁头与磁记录介质； 计算机磁心等。
对软磁材料的基本要求有：
a. 初始磁导率µ和最大磁导率µ max要高； i b.饱和磁感应强度Ms要高 c. 矫顽力Hc小； d. 功率损耗P要低； e. 高的稳定性。
软磁材料的发展历史
• 1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，1988年， Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，均发现了 非常优异的软磁特性。人们发现，在—定尺、十范 国内，矫顽力与晶粒尺寸的六次方成正比。于是软 磁材料的研制又朝着另外一个方向发展，要求晶粒 尺寸尽可能小，以致达到纳米数量级。 • 90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为 软磁铁氧体的新的竞争对手，在性能上它远优于铁 氧体，但在性价比上尚处于劣势，在市场占有率上 一时还不会对铁氧体构成威胁，但在高技术领域的 应用中它将大显身手。
• 主要用途：广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、
继电器电子器件及测量仪表中。主要用于制造大电流、频率 50～400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器 等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、 高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变 压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪 表等。
软磁材料的种类和用途
• 合金: 硅钢(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙台斯 特 合金(Fe- Si-A1); 发电机、变压器、马达 • 软磁铁氧体： Mn—Zn系、Ni—Zn系、Mg—Zn系等，多用于变 压器、线圈、天线、磁头、开关等。 • 非晶态、纳米晶和薄膜: 可以根据需要制备特殊用途的磁性材料，如超晶格。
4.3.1
电工纯铁
• 纯度：电工纯铁是指纯度在99.8％以上。冶炼时，
首先用氧化渣除之碳、硅、锰等元素，再用还原 渣除去磷和硫，出钢时在钢包中添加脱氧剂获得。 • 软磁性能：经过退火热处理，起始磁导率µi 为 300—500，最大磁导率µ 为(6~12)×103, Hc为 max 39.8～95.5 A/m。(0.5~1.2Oe) 1 A/m =4p/ 103 Oe
五、稳定性
• 高科技特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁 材料不但要高µ ,低损耗等，更重要的是高稳定性。 i • 软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高， 减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其 长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。 • 影响软磁材料稳定工作的因素有低温、潮湿、电磁 场、机械负荷、电离辐射等，在这些因素的影响下， 软磁材料的基本特性参数发生变化，从而导致性能 的变化。