10.3纳米晶软磁材料
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
HITPERM纳米晶的形成 At 510 C, 析出 ’-FeCo; At 700 C, 析出 (Fe, Co)3Zr;
10.3 纳米晶软磁材料
XRD of HITPERM
10.3 纳米晶软磁材料
AC permeability of HITPERM
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET, NANOPERM, HITPERM 晶粒大小与Hc的关系
FINEMET形成纳米晶的过程(1)
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET形成纳米晶的过程(2)
-Fe Fe23B6 + Fe3B -Fe Fe2B Fe2B Fe2B -Fe
-Fe
For good soft magnetic properties, Tx1 and Tx2 should be separated, therefore, FeCuNbSiB is better than others!
10.3
纳米晶软磁材料
e与Bs的关系(f = 1 kHz)
10.3 纳米晶软磁材料
磁场退火对FINMET磁性能的影响
10.3 纳米晶软磁材料
磁导率与频率的关系
10.3 纳米晶软磁材料
UESTC
NANOPERM纳米晶的形成 以合金Fe86Zr7B6Cu1为例，分析NANOPERM纳米 晶的形成过程。
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM 合金的磁粉芯损耗与 Bm的关系
非晶
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM合金
10.3 纳米晶软磁材料
HITPERM软磁合金
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料的发展历史
1988 Fe-Si-B-Nb-Cu by Yoshizawa et al; 1989 Fe-Si-B-Nb-Au by Kataoka et al ; 1989 Fe-Zr-B (NANOPERM) by Masamoto et al; 1990 Fe-Si-B-V-Cu, by Sawa and Takahashi; 1991 Fe-(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta)-B-Cu, by Suzuki et al 1991 Fe-Si-B-(Nb, Ta, Mo, W)-Cu by Yoshizawa 1992 Fe-Ge-B-Nb-Cu, Fe-Si-B-(Al, P, Ga, Ge)-Nb-Cu by Yoshizawa 1993 Fe-Al-Si-Nb-B, by Chou et al; 1994 Fe-Si-B-Nb-Ga, by Tomida; 1995 Fe-Si-B-U-Cu, by Sovak; 1996 Fe-Si-B-Nd-Cu by Muller et al; 1997, HITPERM by McHenry in Carnegie Mellon University …
10.3 纳米晶软磁材料
元素周期表
EM
LM
ML
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET软磁合金的发现
在Finemet发现之前,人们一般都认为只能在非晶中去寻找新 的软磁材料。因为在非晶中，没有K的存在； 1988年，Yoshizawa等人发现FeCuNbSiB非晶合金在晶化 后，它的软磁性能得到大大的提高，e达到105 ，Ms 达到 1.25 Tesla. FINEMET合金的发现，不仅带来一股强劲的研究纳米晶软 磁合金的热潮，而且极大地促进了磁学理论的发展。
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET合金
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM 合金的晶化
10.3 纳米晶软磁材料
XRD of NANOPERM
10.3 纳米晶软磁材料
退火温度与纳米晶尺寸的关系
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM Fe88Zr7B4Cu1
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
常见的几种纳米晶软磁材料
FINEMET (Fe-Si-B-Nb-Cu) 典型成分Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1, Bs = 1.0-1.2Tesla, Tc < 7700C NANOPERM(Fe-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf…) 典型成分Fe88Zr7B4Cu1, Bs = 1.5-1.8Tesla, Tc =7700C HITPERM ((Fe,Co)-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf) 典型成分Fe44Co44Zr7B4Cu1, Bs = 1.6-2.1Tesla, Tc >9650C
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶晶粒尺寸D的测量
Scherrer 公式
0 .9 D B cos B
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET纳米晶的微观组织
非晶相 ~10 nm
Model
-Fe 纳米晶
TEMຫໍສະໝຸດ Baidu
10.3 纳米晶软磁材料
Amorphous Nanocrystalline
DTA of Fe77.5Si7.5B15
10.3 纳米晶软磁材料
晶粒细化对Ek的影响
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶的Hc与晶粒尺寸D6, D3关系
Hc
K Ms a
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁合金相关理论
随机各向异性模型 非晶铁磁体随机各向异性模型 纳米晶合金中的随机各向异性模型 Herzer模型 扩展随机各向异性模型
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(1)
首先，讨论控制软磁材料性能的途径: •软磁材料的几个重要磁性能参数: 1. 2. Hc 0M s2 畴壁厚度 i 3. Ms (B = 0(M+H), H 很小，只有M大, 才能大 ) K eff 2 杂质体积浓度 μ Ms •影响的因素: 0 μ (1 )2 M 2K 0 s 1. 磁晶各向异性 i 21 M 3 杂质直径 0 s 2. 磁致伸缩系数 K ( 1 eff ) d 3 s 3. 磁化机制(Domain wall movement 好于 domain 3 rotation) K eff K 1 K u s less energy for domain wall movement! 2 4. 材料的微观组织 晶体缺陷、晶粒大小、夹杂、第二相、织构等
电子材料
国家级精品课程
10.3 纳米晶软磁材料
Nanocrystalline Soft Magnetic Materials
纳米晶软磁性材料的发展历史; 纳米晶软磁材料及优异性能的原因; FINEMET; NANOPERM; HITPERM; 纳米晶软磁材料制备方法; 纳米晶软磁材料的应用;
H
c
1 2M
s
d ( ) max dx
A K M s D
所以, Hc 与晶粒尺寸D的关系为: Hc ~ 1/D
10.3 纳米晶软磁材料
利用这些原则开发的软磁材料
材料及成份(wt%) 铁 (pure 99） 铁（pure 99.9) 97Fe-3Si 50Fe-50Ni Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo) Sendust (85Fe-10Si-5Al) 78 permalloy (78Ni-22Fe) Perminvar(磁退火处理）(43Ni-34Fe-23Co) Mumetal(77Ni-16Fe-5Cu-2Cr) m 6,000 350,000 100,000 200,000 1,000,000 120,000 100,000 400,000 100,000 Hc (A/m) 70 0.8 6 16 0.15 1.6 4 2.4 4
10.3 纳米晶软磁材料
还能进一步提高吗？
继续在合金成份上努力 非晶合金 如:Co70Fe5Si15B10 Co90Zr10, = 10,000; = 10,000;
Co66Fe4(Mo, Si, B)30 = 20,000; 纳米技术
10.3 纳米晶软磁材料
减小Ek和Eme的方法
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料的通式
FM [Fe, Co, Ni]66-91 EM [Ti, V, Cr Zr, Nb,Mo Hf,Ta,W]2-8 ML [B, C, Al Si, P, Ga,
LM [Cu, Ag, Au]0-1
Ge]2-31
纳米晶软磁材料主要是以Fe-基为主,因为: Co-基非晶合金已具有很好的软磁性能(low K and ) 富Ni的Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo)合金的是目前最大的, =1,000,000
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(2) 影响Hc的因素 1. 微观组织 (晶粒大小、夹杂物的大小与分布等） 2. 磁化机制 (domain wall movement ，还是domain rotation) 3. 热处理工艺
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(3)
Hc 与晶粒尺寸D的关系: 对于大晶粒尺寸，当磁化过程的主要阻力来自晶界对磁畴壁 的钉扎时：(其中，为磁畴壁能量）
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶晶化动力学研究
晶化温度越高, 晶化速率越快 纳米相的体积百分比的增加,与M的上升成一定的比例
Q JMA o k (T ) k JMA exp RT
koJMA= rate constant coefficient QJMA= activation energy
10.3 纳米晶软磁材料
扩展有效各向异性模型
纳米软磁合金的有效磁各向异性< K > 显微结构参数( D ,δ, V ) 铁磁相的磁特性参数( A , K) 有关 纳米软磁合金的有效磁各向异性不仅与纳米晶有 关，还与非晶相密切相关。由此推断，合金的磁性也 应与上述两个因素有关。
10.3 纳米晶软磁材料
材料 传统晶体合金（NiFe, Fe-Al-Si等） 制备方法 传统熔炼法 E k 0 成份控制 Eme0 成份、工艺控制
非晶合金（如FeSi-B, Co-Fe-Si-B 等） 纳米晶合金（FeSi-B-Cu, Fe-Zr-B 等）
熔体快淬法
非晶化
成份、工艺控制
非晶化晶 化
晶粒纳米化
晶粒纳米化+成份控 制
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁合金相关理论
由于超微纳米晶粒间的铁磁交换耦合作用,使纳米 晶粒内的局域磁晶各向异性被有效地平均掉了,显著降 低了合金的磁各向异性,因而合金具有高软磁性能。
10.3 纳米晶软磁材料
式中K1 为纳米晶的局域磁晶各向异性常数，D 为晶粒尺 寸，A 为交换积分常数，J s 为饱和磁化强度, Pμ 为常数, < K > 为有效磁各向异性，μi为相对起始磁导率。 可以定性解释纳米软磁合金高性能的物理起源。
FINEMET合金的低 FINEMET合金优越的软磁性能也与它很低的磁 致伸缩常数有关。 这是因为非晶相的>0, 而纳米晶相的<0。
s V (1 Vam )
am am s
cr s
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET的，纳米相体积百分比与退火温度的关系
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
XRD of HITPERM
10.3 纳米晶软磁材料
AC permeability of HITPERM
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET, NANOPERM, HITPERM 晶粒大小与Hc的关系
FINEMET形成纳米晶的过程(1)
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET形成纳米晶的过程(2)
-Fe Fe23B6 + Fe3B -Fe Fe2B Fe2B Fe2B -Fe
-Fe
For good soft magnetic properties, Tx1 and Tx2 should be separated, therefore, FeCuNbSiB is better than others!
10.3
纳米晶软磁材料
e与Bs的关系(f = 1 kHz)
10.3 纳米晶软磁材料
磁场退火对FINMET磁性能的影响
10.3 纳米晶软磁材料
磁导率与频率的关系
10.3 纳米晶软磁材料
UESTC
NANOPERM纳米晶的形成 以合金Fe86Zr7B6Cu1为例，分析NANOPERM纳米 晶的形成过程。
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM 合金的磁粉芯损耗与 Bm的关系
非晶
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM合金
10.3 纳米晶软磁材料
HITPERM软磁合金
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料的发展历史
1988 Fe-Si-B-Nb-Cu by Yoshizawa et al; 1989 Fe-Si-B-Nb-Au by Kataoka et al ; 1989 Fe-Zr-B (NANOPERM) by Masamoto et al; 1990 Fe-Si-B-V-Cu, by Sawa and Takahashi; 1991 Fe-(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta)-B-Cu, by Suzuki et al 1991 Fe-Si-B-(Nb, Ta, Mo, W)-Cu by Yoshizawa 1992 Fe-Ge-B-Nb-Cu, Fe-Si-B-(Al, P, Ga, Ge)-Nb-Cu by Yoshizawa 1993 Fe-Al-Si-Nb-B, by Chou et al; 1994 Fe-Si-B-Nb-Ga, by Tomida; 1995 Fe-Si-B-U-Cu, by Sovak; 1996 Fe-Si-B-Nd-Cu by Muller et al; 1997, HITPERM by McHenry in Carnegie Mellon University …
10.3 纳米晶软磁材料
元素周期表
EM
LM
ML
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET软磁合金的发现
在Finemet发现之前,人们一般都认为只能在非晶中去寻找新 的软磁材料。因为在非晶中，没有K的存在； 1988年，Yoshizawa等人发现FeCuNbSiB非晶合金在晶化 后，它的软磁性能得到大大的提高，e达到105 ，Ms 达到 1.25 Tesla. FINEMET合金的发现，不仅带来一股强劲的研究纳米晶软 磁合金的热潮，而且极大地促进了磁学理论的发展。
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET合金
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM 合金的晶化
10.3 纳米晶软磁材料
XRD of NANOPERM
10.3 纳米晶软磁材料
退火温度与纳米晶尺寸的关系
10.3 纳米晶软磁材料
NANOPERM Fe88Zr7B4Cu1
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
常见的几种纳米晶软磁材料
FINEMET (Fe-Si-B-Nb-Cu) 典型成分Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1, Bs = 1.0-1.2Tesla, Tc < 7700C NANOPERM(Fe-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf…) 典型成分Fe88Zr7B4Cu1, Bs = 1.5-1.8Tesla, Tc =7700C HITPERM ((Fe,Co)-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf) 典型成分Fe44Co44Zr7B4Cu1, Bs = 1.6-2.1Tesla, Tc >9650C
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶晶粒尺寸D的测量
Scherrer 公式
0 .9 D B cos B
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET纳米晶的微观组织
非晶相 ~10 nm
Model
-Fe 纳米晶
TEMຫໍສະໝຸດ Baidu
10.3 纳米晶软磁材料
Amorphous Nanocrystalline
DTA of Fe77.5Si7.5B15
10.3 纳米晶软磁材料
晶粒细化对Ek的影响
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶的Hc与晶粒尺寸D6, D3关系
Hc
K Ms a
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁合金相关理论
随机各向异性模型 非晶铁磁体随机各向异性模型 纳米晶合金中的随机各向异性模型 Herzer模型 扩展随机各向异性模型
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(1)
首先，讨论控制软磁材料性能的途径: •软磁材料的几个重要磁性能参数: 1. 2. Hc 0M s2 畴壁厚度 i 3. Ms (B = 0(M+H), H 很小，只有M大, 才能大 ) K eff 2 杂质体积浓度 μ Ms •影响的因素: 0 μ (1 )2 M 2K 0 s 1. 磁晶各向异性 i 21 M 3 杂质直径 0 s 2. 磁致伸缩系数 K ( 1 eff ) d 3 s 3. 磁化机制(Domain wall movement 好于 domain 3 rotation) K eff K 1 K u s less energy for domain wall movement! 2 4. 材料的微观组织 晶体缺陷、晶粒大小、夹杂、第二相、织构等
电子材料
国家级精品课程
10.3 纳米晶软磁材料
Nanocrystalline Soft Magnetic Materials
纳米晶软磁性材料的发展历史; 纳米晶软磁材料及优异性能的原因; FINEMET; NANOPERM; HITPERM; 纳米晶软磁材料制备方法; 纳米晶软磁材料的应用;
H
c
1 2M
s
d ( ) max dx
A K M s D
所以, Hc 与晶粒尺寸D的关系为: Hc ~ 1/D
10.3 纳米晶软磁材料
利用这些原则开发的软磁材料
材料及成份(wt%) 铁 (pure 99） 铁（pure 99.9) 97Fe-3Si 50Fe-50Ni Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo) Sendust (85Fe-10Si-5Al) 78 permalloy (78Ni-22Fe) Perminvar(磁退火处理）(43Ni-34Fe-23Co) Mumetal(77Ni-16Fe-5Cu-2Cr) m 6,000 350,000 100,000 200,000 1,000,000 120,000 100,000 400,000 100,000 Hc (A/m) 70 0.8 6 16 0.15 1.6 4 2.4 4
10.3 纳米晶软磁材料
还能进一步提高吗？
继续在合金成份上努力 非晶合金 如:Co70Fe5Si15B10 Co90Zr10, = 10,000; = 10,000;
Co66Fe4(Mo, Si, B)30 = 20,000; 纳米技术
10.3 纳米晶软磁材料
减小Ek和Eme的方法
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁材料的通式
FM [Fe, Co, Ni]66-91 EM [Ti, V, Cr Zr, Nb,Mo Hf,Ta,W]2-8 ML [B, C, Al Si, P, Ga,
LM [Cu, Ag, Au]0-1
Ge]2-31
纳米晶软磁材料主要是以Fe-基为主,因为: Co-基非晶合金已具有很好的软磁性能(low K and ) 富Ni的Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo)合金的是目前最大的, =1,000,000
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(2) 影响Hc的因素 1. 微观组织 (晶粒大小、夹杂物的大小与分布等） 2. 磁化机制 (domain wall movement ，还是domain rotation) 3. 热处理工艺
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(3)
Hc 与晶粒尺寸D的关系: 对于大晶粒尺寸，当磁化过程的主要阻力来自晶界对磁畴壁 的钉扎时：(其中，为磁畴壁能量）
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶晶化动力学研究
晶化温度越高, 晶化速率越快 纳米相的体积百分比的增加,与M的上升成一定的比例
Q JMA o k (T ) k JMA exp RT
koJMA= rate constant coefficient QJMA= activation energy
10.3 纳米晶软磁材料
扩展有效各向异性模型
纳米软磁合金的有效磁各向异性< K > 显微结构参数( D ,δ, V ) 铁磁相的磁特性参数( A , K) 有关 纳米软磁合金的有效磁各向异性不仅与纳米晶有 关，还与非晶相密切相关。由此推断，合金的磁性也 应与上述两个因素有关。
10.3 纳米晶软磁材料
材料 传统晶体合金（NiFe, Fe-Al-Si等） 制备方法 传统熔炼法 E k 0 成份控制 Eme0 成份、工艺控制
非晶合金（如FeSi-B, Co-Fe-Si-B 等） 纳米晶合金（FeSi-B-Cu, Fe-Zr-B 等）
熔体快淬法
非晶化
成份、工艺控制
非晶化晶 化
晶粒纳米化
晶粒纳米化+成份控 制
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶软磁合金相关理论
由于超微纳米晶粒间的铁磁交换耦合作用,使纳米 晶粒内的局域磁晶各向异性被有效地平均掉了,显著降 低了合金的磁各向异性,因而合金具有高软磁性能。
10.3 纳米晶软磁材料
式中K1 为纳米晶的局域磁晶各向异性常数，D 为晶粒尺 寸，A 为交换积分常数，J s 为饱和磁化强度, Pμ 为常数, < K > 为有效磁各向异性，μi为相对起始磁导率。 可以定性解释纳米软磁合金高性能的物理起源。
FINEMET合金的低 FINEMET合金优越的软磁性能也与它很低的磁 致伸缩常数有关。 这是因为非晶相的>0, 而纳米晶相的<0。
s V (1 Vam )
am am s
cr s
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET的，纳米相体积百分比与退火温度的关系
10.3 纳米晶软磁材料