软磁材料的进展及发展趋势

软磁材料最新研究进展
铁磁性块体非晶合金取得进展
软磁材料发展趋势
小结
• 纳 米 晶 合 金 软 磁 材 料
纳米晶软磁合金是利用液体急冷法制作的非晶质合金, 并使其结晶化, 由于这种晶化可使其晶粒达10nm微细化 的程度, 所以看到的结晶磁化各向异性非常小, 这样就 可实现了优良的磁特性。
Fe 基纳米软
Fe-Cu-Nb-SiB(FINEMET)
磁合金
Fe-M-B
FINEMET
高温高Bs高μMnZn铁氧体 3
在高温环境下仍能保持高Bs和高μ的MnZn铁氧体是当前的发展方向之一。主要 应用于在高温环境下的感性元器件， 如汽车和LCD用的转换变压器等。
高直流偏臵MnZn铁氧体 4
随着高速局域网的快速扩充， 一种宽帯脉冲变压器成为热门元件。制造这种变 压器需要一种能够在高直流偏置状态下仍能保持优良性能的MnZn铁氧体，这种 材料有待好好研究开发。
纳米晶 Fe-MB(M=Z r,Hf,Nb) 系合金
表2 表示了在大气中制作的Fe-Nb-P-Cu合金的晶化后的 平均晶粒直径(D c) 及磁性特性与以前的 Fe-M-B合金的 比较。
纳米晶 Fe-MB(M=Z r,Hf,Nb) 系合金
从表2 中可以看出，纳米晶合金都有优良的软磁特性。 表中显示，某些纳米晶合金既有较高的Bs值，同时拥有 优良的软磁特性。通过有效地利用纳米晶合金良好的软 磁特性及高的生产率, 可以预期作为在电杆上变压器以 及各种电力机器用磁心材料中能得到应用。
非晶合金软磁材料
铁基非晶合金软磁材料
该材料的主要成份为铁硅硼，由基体金属Fe，以及非金属Gi和 B组成，后者的主要作用是降低合金形成非晶态的临界冷却速 度, 易于得到非晶态。 铁基非晶材料的突出优点是铁损低。其典型的饱和磁感 Bs>1.50 T， 矫顽力Hc<2.0 A/m， 相对磁导率μ>5000 (1 kHz)， 最大磁导率>200000， 功耗P<4.0 W/kg (Bm=1.0 T f=1 kHz)， 电阻率ρ>130 Ω-cm， 居里温度Tc>410℃， 密 度D接近于7.2 g/cm3。 最佳应用是替代硅钢制作配电变压器 铁芯, 达到节能目的。
硅钢合金软磁材料
特 点
具有高μ、高Bs、高Tc的特点，而且价格低廉
缺 点
硅钢片是工频变压器的主要材料， 用量很大，损耗较大。
研究 方向
现在广泛采用冷轧取向工艺， 性能有所提高， 其损耗明 显降低。但是在生产工艺上还是有待提高，提高其性能， 或者将工频至中频所有的硅钢片被铁基非晶纳米晶软磁材 料所替代，达到更好的经济效益。
高磁导率材料向 更高磁导率和高 功率铁氧体向高 工作频率发展, 频化、低功耗发 以适应数字技术、 展, 以满足开关 光纤通信中小型 电源进一步小型 化和宽频带的要 化、轻量化要求。 求。
偏转磁芯材料向 高频、低耗发展 , 以适应大屏幕 彩电和高清晰度 电视和计算机显 示器的要求。
非晶合金软磁材料
非晶合金是将熔融的一定组 分的金属液体(俗称钢水) 以 每秒钟超过100万摄氏度的速 度急速冷却， 使金属原子来 不及排列成晶格， 而以杂乱 无序或短程有序的状态堆积 在一起， 形成非晶合金凝聚 态， 因此， 该材料也称之为 金属玻璃。
非晶合金软磁材料具有优异 的磁性能， 而且耐腐蚀、耐 磨、韧性好、不容易破碎。 其最佳使用频率为kHz级， 其缺点主要是只能以带材卷 绕方式制成磁芯， 因而大多 为环形， 难以制造形状较复 杂的磁芯。
• 纳 米 晶 合 金 软 磁 材 料
FINEMET是由尺寸为10～20 nm的磁性颗粒与非晶态介 质构成的复合体， 其磁晶各向异性常数及磁致伸缩系数 同时近似为零。因此， 它呈现出了其它软磁材料所不具 备的独特性能， 它能够同时具有高饱和磁感Bs、高磁导 率μ、高居里温度Tc及很低的损耗。
FINEMET的特性参数
2
FINEMET在高温环境中使用此软磁材料时，其晶粒长大可 能会超过纳米级而导致磁性变坏，因而需要考虑其在高温 下的组织稳定性。
FINEMET的应用
1
FINEMET适合于制作各种感性元器件， 如高磁导率纳米晶 合金适用于小型电感器、共模扼流圈、EMI滤波器、磁传 感器及电磁波吸收等； 矩形回线纳米晶合金适用于磁放大 器、浪涌吸收器、高压脉冲变压器等； 而低磁致伸缩纳米 晶合金则适用于高频功率变压器、平滑扼流圈、高能RF加 速腔加载磁环等。
1
饱和磁感Bs>1.45T， 接近铁基非晶合金的水平；
2
相对磁导率μ为100000 (1 kHz)， 达到了钴基非晶合金的水平；
3
居里温度Tc≥570℃， 与钴基非晶合金相当， 远高于Mn-Zn铁氧体的 居里温度；
电阻率ρ >115Ω -cm， 功耗P为280 kW/m3 (Bm=0.2 T f=100 kHz），达 到了钴基非晶合金的水平；
非晶合金软磁材料
铁镍基非晶合金软磁材料
该材料的主要成份为铁镍硅硼。 铁镍基非晶材料的最佳适用频率较高，其范围为工频至30 kHz。其典型的饱和磁感Bs>0.5 T， 矫顽力Hc<4.0 A/m， 相对磁导率μ>7000 (1 kHz)， 最大磁导率>200000， 功 耗P<30W/kg (Bm=0.5 T f=10 kHz）， 电阻率ρ>125 Ωcm，居里温度Tc>360℃， 密度D约为7.5 g/cm3。主要用于 制造中频变压器、大功率电抗器及功率因素校正器等。
坡莫合金软磁材料
特 点
高μ、高Bs、高Tc、高可靠的优点，电阻率低，多以薄带加 绝缘介质绕制成磁芯。
缺 点
使用频率低，其最佳使用频率范围不超过20 kHz ；其组成 中含有大量镍， 故也价格较高。
研究 方向
近年来， 经过改进工艺， 薄带厚度已降到0.005 mm， 其 使用频率也相应提高到几百kHz乃至MHz。但使用频率还有 待提高，从而达到更好的应用范围。
软磁材料的研究进展与发展趋势
L/O/G/O
软磁材料：当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。
高的
磁导率μ
高的稳 定性。
低的矫 顽力H c
软磁材料
低的磁( 功率)损 耗P
特点
高的饱 和磁通 密度Bs
软磁材料适宜制造电磁铁、变压 器、交流发电机、继电器、 电机、以及各种高频电磁元 件的磁芯、磁棒等。
4
FINEMET的特性参数
高B s纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B合金的磁性与以前的材料磁性进行的比较
FINEMET的不足
1
FINEMET其最佳适用频率范围超不过500 kHz， 且其磁导 率随频率增高下降的很快， 不适于制作宽频带感性器件。 而Mn-Zn铁氧体则可用于更高的频率范围，且其磁导率随 频率的变化曲线相当平坦，FINEMET的频率使用范围需要 提高。
NiZn铁氧体软磁材料
常规NiZn铁氧体软磁材料系列 NiZn铁氧体的主要特征是细晶粒及多孔性，因而其适用频率范围比 MnZn铁氧体高。 其需要做的工作是改进工艺、降低成本方面。 射频宽带用NiCuZn铁氧体软磁材料 抑制电磁干扰的感性元件需要延伸到临界频率之上的很宽的频率范围 ，制造这类感性元件所用的铁氧体的频谱曲线应当具有在临界频率之 上的很宽的频帯中μ′及μ〞保持高数值的特征。NiCuZn铁氧体软磁材 料能够具备这样的特征。 低温铁结NiCuZn铁氧体磁粉 抑制电磁干扰的感性元件需要延伸到临界频率之上的很宽的频率范围 ，制造这类感性元件所用的铁氧体的频谱曲线应当具有在临界频率之 上的很宽的频帯中μ′及μ〞保持高数值的特征。NiCuZn铁氧体软磁材 料能够具备这样的特征。
六角晶系铁氧体软磁材料
• 面各向异性的六角晶系铁氧体是优秀的射频软磁材料， 以Z型和Y 型为主。可用于2 GHz电感磁芯或磁珠。 • 清华大学周济教授领导的科研团队已将Co2Z做成了低温烧结铁氧 体磁粉， 并用于制造GHz叠层型片式磁珠， 获得了国家发明专利。
铁氧体发展方向
高频软磁铁氧体 向片式化和抗干 扰方向发展, 以 适应高档小型化 电感器及减少、 抑制、消除电磁 污染和干扰的需 要 。
非晶合金软磁材料
钴基非晶合金软磁材料
该材料的主要成份为钴铁硅硼。 钴基非晶材料其磁导率随频率增高而下降的很快， 因而不适 于制作宽频带感性器件。另外， 由于成份中有钴， 因而成本 较高。其磁致伸缩为零。主要用于制造高频变压器(相对工频 而言)、脉冲变压器、磁放大器、功率因素校正器等。 其典型饱和磁感Bs>0.7 T， 矫顽力Hc<2.0 A/m， 相对磁导率 μ>100000(1 kHz)， 最大磁导率>1000000， 功耗P<4 W/kg(Bm=0.5 T f=10 kHz）， 电阻率ρ>130Ω-cm， 居里温 度Tc>500℃， 密度D∽8.0 g/cm3。该材料的最佳适用频率范 围可达100 kHz。
而目前，纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发 展。
软磁材料最新研究进展
铁磁性块体非晶合金取得进展
目前广泛应用于各类变压器铁芯材料中的铁基非晶软磁合金是传统的应用材料， 采用非晶磁性合金材料作为芯体的传感器具有灵敏度高、频响好、功耗低和直流 测量稳定性好等特点。但是传统铁基非晶合金饱和磁致伸缩低（小于40×10-6） ，且受非晶形成能力的影响，只能制备出带材和丝材，应用领域受到限制。 中科院宁波材料技术与工程研究所沈宝龙课题组通过大量实验研究，选择合适的 铁基非晶合金体系和适量的稀土元素掺杂，成功探索发现具有大非晶形成能力和 高饱和磁致伸缩的铁磁性块体非晶合金。该合金可制备出直径为4毫米的非晶合 金棒材，其饱和磁致伸缩系数达到65×10-6（图1），超过了任何已知铁基非晶合 金所具有的最大磁致伸缩值。此外，该铁基块体非晶合金体系具有100 K的大过冷 液相区（图2），因此可在该温度区间内像塑料一样进行形状复杂的超塑性加工 。同时，该铁磁性块体非晶合金体系还具有0.65-0.86 T的饱和磁感应强度，超过 7000的初始磁导率，以及3800-4000 MPa的超高强度。其优良的综合性能使之有望 成为磁致伸缩传感器芯体材料。
NiZn铁氧 体
MnMgZn 铁氧体
六角晶系 铁氧体
铁氧体
NiCuZn 铁氧体 MnZn铁 氧体
MnZn铁氧体软磁材料
高磁导率的MnZn铁氧体 1
目前我国可大量生产磁导率为10000~15000的MnZn铁氧体。主要用于制造 ISDN、PHS等系统中使用的宽带脉冲变压器。
功率MnZn铁氧体 2
在低磁通密度下， 特别是在高Q谐振回路中，十分适合采用高μ和Q的MnZn铁 氧体， 典型的例子是模拟载波通信， 近代更多的是用在高磁通密度的情况， 此时必须采用高磁通密度下损耗仍然很低的功率MnZn铁氧体。
MnZn铁氧体软磁材料
总谐波失真系数低的MnZn铁氧体 5
xDSL的调制解调器所使用的变压器必须具有很低的THD特性。为了满足这一要 求， 开发了总谐波失真系数(THD) 低的MnZn铁氧体材料。
MnMgZn铁氧体 6
MnMgZn铁氧体由于具有较高的磁导率和低损耗而大量用于偏转线圈。通过研 究已使得MnMgZn铁氧体在较高的温度下功耗达到较低水平。
磁芯
软磁材料 应用
Байду номын сангаас
继电器
软磁材料分类
1
金属软磁材料
以硅钢片、坡莫合金、仙台 合金等为代表，包括Fe 系 、Fe-Si系、Fe-Al系、 Fe-Ni系、FeSiAl系、FeCo 系、FeCr系等
2
晶体软磁材料
铁氧体软磁材料，如 MnZn系、NiZn系和 MgZn系
3
非晶、纳米晶软磁材料
Fe基和Co 基两种非晶 软磁材料； Finemet；
新近科学界又发现纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁 阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用提供了良好的前 景。
2
纳米晶 Fe-MB(M=Z r,Hf,Nb) 系合金
纳米晶Fe-M-B(M=Zr,Hf,Nb)系合金表现出具有1.5 一 1.7 T 的高Bs 和30 0 0 以上的高导磁率。 M元素对于高B s性能的实现以及保持具有高的非晶质 形成能力来说是必不可少的, 但是另一方面, 由于容易 发生氧化, 要在大气中通过液体急冷法来制造薄带是很 困难的。 为了实现进一步提高软磁特性的目标,对N b 含量为 6at% 的Fe-Nb-B-(Cu)合金进行了添加P 的研究。