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1、磁性材料第二章本讲稿第一页，共三十五页*主要的软磁材料：主要的软磁材料：（1）合合金金如如硅硅钢钢（Fe-Si）、坡坡莫莫合合金金（Fe-Ni）、仙仙台台斯斯特特合合金金（Fe-Si-Al）；）；（2）软磁铁氧体）软磁铁氧体Mn-Zn系、系、Ni-Zn系、系、Mg-Zn系等；系等；（3）非晶态、纳米晶、薄膜等。）非晶态、纳米晶、薄膜等。*发展史：发展史：（1）铁铁氧氧体体问问世世之之前前，金金属属软软磁磁材材料料垄垄断断了了电电力力、电电子子、通通信信各各领领域域。优优点点：其其MS远远高高于于铁铁氧氧体体，因因此此电电力力工工业业中中的的变变压压器器、电电机机等等至今仍是至今仍是Fe-Si合
2、金材料。合金材料。缺点：缺点：涡流损耗限制了其在高频段的应用。涡流损耗限制了其在高频段的应用。（2）20世纪世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。50年代至年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。本讲稿第二页，共三十五页（3）1970年，年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，非晶态合金研制成功，1988年，年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，纳米微晶软磁材料问世，90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁年代后，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。氧体
3、的新的竞争对手。优点：优点：性能上远优于铁氧体；性能上远优于铁氧体；缺点：缺点：性价比上尚处于劣势。性价比上尚处于劣势。2.1 衡量软磁材料的重要指标衡量软磁材料的重要指标1、起始磁导率、起始磁导率本讲稿第三页，共三十五页主要因素：主要因素：基本上不随加工条件和应用情况变化。基本上不随加工条件和应用情况变化。次要因素：次要因素：会随加工条件和应用情况而变化。会随加工条件和应用情况而变化。2、矫顽力、矫顽力HC量级：量级：10-1A/m 102A/m*材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响HC的主要因素。的主要因素。*降低降低HC的方法与提高的方法与提高
4、 i的方法相一致。的方法相一致。3、饱和磁感应强度、饱和磁感应强度MS*高的高的MS 高的高的 i值；节省资源，实现器件的小型化值；节省资源，实现器件的小型化*提提高高MS的的方方法法：选选择择适适当当的的配配方方成成分分，但但实实际际上上MS值值一一般般不不可可能有很大的变动。能有很大的变动。本讲稿第四页，共三十五页4、磁损耗、磁损耗*软软磁磁材材料料多多用用于于交交流流磁磁场场，因因此此动动态态磁磁化化造造成成的的磁磁损损耗耗不不可可忽忽视。视。5、稳定性、稳定性*高高稳稳定定性性是是指指磁磁导导率率的的温温度度稳稳定定性性要要高高，减减落落要要小小，随随时时间间的的老老化化要要尽尽可可能
5、能地地小小，以以保保证证其其长长寿寿命命工工作作于于太太空空、海海底底、地地下下和其他恶劣环境。和其他恶劣环境。*影响软磁材料稳定工作的因素：影响软磁材料稳定工作的因素：低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等本讲稿第五页，共三十五页2.2 提高起始磁导率的途径提高起始磁导率的途径必要条件：必要条件：提高提高MS并降低并降低K1、S的值的值充充分分条条件件：降降低低杂杂质质浓浓度度，提提高高密密度度，增增大大晶晶粒粒尺尺寸寸，结结构构均均匀匀化，消除内应力和气孔的影响。化，消除内应力和气孔的影响。1、提高、提高MS*选择合适的配方可提高材料的选择合适的配
6、方可提高材料的MS值，但往往变动不大。值，但往往变动不大。*选择配方时更要考虑选择配方时更要考虑K1、S对对 i的作用。的作用。*例例：CoFe2O4、Fe3O4的的MS虽虽然然较较高高，但但其其K1和和 S值值太太大大，因因而而不不宜作为配方的基本成分。宜作为配方的基本成分。本讲稿第六页，共三十五页2、降低降低K1和和 S*提高提高 i 的最有效方法的最有效方法从配方和工艺上使从配方和工艺上使K1 0、S 0*铁铁氧氧体体软软磁磁材材料料：配配方方时时选选择择K1和和 S很很小小的的基基本本成成分分，如如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等等。然然后后再再采采用用
7、正正负负K1、S补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。*例例：Fe-Ni合合金金质质量量分分数数 Ni 81%时时，S 0；Ni 76%时时，K1 0；Ni 78.5%Fe-Ni合金经过热处理后，合金经过热处理后，i可达可达104*选择适当合金成分和热处理条件可以控制选择适当合金成分和热处理条件可以控制K1和和 S在较低值在较低值本讲稿第七页，共三十五页3、改善材料的显微结构改善材料的显微结构*材材料料的的显显微微结结构构是是指指结结晶晶状状态态(晶晶粒粒大大小小、完完整整性性、均均匀匀性性、织织构等构等)、晶界状态、杂质和气孔的大
8、小与分布等。、晶界状态、杂质和气孔的大小与分布等。*杂质、气孔杂质、气孔的含量与分布是影响的含量与分布是影响 i的重要因素。的重要因素。降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择*平平均均晶晶粒粒尺尺寸寸对对 i的的影影响响很很大大，晶晶粒粒尺尺寸寸增增大大，晶晶界界对对畴畴壁壁位位移移的阻滞作用减小，的阻滞作用减小，i升高。升高。例例：MnZn铁铁氧氧体体尺尺寸寸5 m以以下下时时，i500；尺尺寸寸在在5 m以以上上时时，i3000 *晶晶粒粒尺尺寸寸长长大大的的方方法法：适适当当提提高高烧烧结结温温度度，但但温温度度过
9、过高高，便便会会形成气孔，导致形成气孔，导致 i下降。下降。*材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高 i本讲稿第八页，共三十五页4、降低内应力、降低内应力*根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：(1)磁致伸缩引起的内应力，与磁致伸缩引起的内应力，与 S成正比，可通过降低成正比，可通过降低 S来来减小此应力。减小此应力。(2)烧烧结结后后冷冷却却速速度度太太快快，会会造造成成晶晶格格畸畸变变，产产生生内内应应力力。可可采用低温退火处理来消除应力。采用低温退火处理来消除应力。(3)气气孔孔、杂杂质质、晶
10、晶格格缺缺陷陷等等因因素素在在材材料料内内部部产产生生应应力力。可可通通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。本讲稿第九页，共三十五页2.3 金属软磁材料金属软磁材料2.3.1 电工纯铁电工纯铁*纯度在纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。*制制备备方方法法：平平炉炉冶冶炼炼时时，首首先先用用氧氧化化渣渣除除去去碳碳、硅硅、锰锰等等元元素素，再再用用还还原原渣渣除除去去磷磷和和硫硫，并并在在出出钢钢时时在在钢钢包包中中添添加加脱脱氧氧剂剂获获得得。经经过过退退火火热热处处理理 i（300
11、500）,max（600012000）,HC（39.895.5）*含碳量是影响磁性能的主要因素。含碳量是影响磁性能的主要因素。除除碳碳方方法法：高高温温用用H2处处理理除除碳碳，以以消消除除铁铁中中碳碳对对畴畴壁壁移移动动的的阻阻碍碍作作用。用。本讲稿第十页，共三十五页本讲稿第十一页，共三十五页*电工纯铁存在时效现象电工纯铁存在时效现象原原因因：高高温温时时铁铁固固溶溶体体内内溶溶解解有有较较多多的的碳碳或或氮氮，产产品品快快速速冷冷却却到到室室温温时时，溶溶解解度度减减小小，Fe3C或或Fe4N由由固固溶溶体体中中以以细细微微弥弥散散形形式式析析出出，从而从而HC增加，增加，i降低。降低。消
12、消除除方方法法：保保温温后后，采采用用缓缓慢慢冷冷却却到到100-300的的退退火火措措施施，这这样样在在650-300之之间间Fe3C有有足足够够的的时时间间析析出出、长长大大为为对对磁磁性性能能影影响响不不大大的的大颗粒夹杂物。大颗粒夹杂物。*应应用用：电电磁磁铁铁的的铁铁芯芯和和磁磁极极，继继电电器器的的磁磁路路和和各各种种零零件件，感感应应式式和和电电磁磁式式测测量量仪仪表表的的各各种种零零件件，扬扬声声器器的的各各种种磁磁路路，电电话话中中的的振振动动膜膜、磁磁屏屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金原料等。本讲稿第十二页，共三十五页本
13、讲稿第十三页，共三十五页2.3.2 硅钢（硅钢片或电工钢片）硅钢（硅钢片或电工钢片）*在在纯纯铁铁中中加加入入少少量量硅硅，形形成成固固溶溶体体，这这样样提提高高了了合合金金电电阻阻率率，减减少了材料的涡流损耗。少了材料的涡流损耗。*缺缺点点：电电工工纯纯铁铁只只能能在在直直流流磁磁场场下下工工作作，在在交交变变磁磁场场下下工工作作时时涡流损耗大。涡流损耗大。*碳碳的的质质量量分分数数在在0.02以以下下，硅硅的的质质量量分分数数为为1.5-4.5。常常温温下下，Si在在Fe中中的的固固溶溶度度大大约约为为15，但但Fe-Si系系合合金金随随Si含含量量的的增增加加加加工工性性能能变变差差（变
14、变脆脆），因因此此硅硅质质量量百百分分含含量量5为为一一般般硅硅钢钢制制品的上限。品的上限。本讲稿第十四页，共三十五页*随随硅硅含含量量的的增增加加，不不足足之之处处在在于于：BS和和TC降降低低；好好处处：K1 和和 S 降降低低 i增增加加，HC降降低低，增加增加降低铁损降低铁损本讲稿第十五页，共三十五页*按按照照材材料料的的生生产产方方法法、结结晶晶织织构构和和磁磁性性能能，电电工工用用硅硅钢钢片片可可分分为为：热热轧轧非非织织构构(无无取取向向)、冷冷轧轧非非织织构构(无无取取向向)、冷冷轧轧高高斯织构斯织构(单取向单取向)、冷轧立方织构、冷轧立方织构(双取向双取向)的硅钢片。的硅钢片
15、。*例：高斯织构符号例：高斯织构符号(110)001；立方织构符号；立方织构符号(100)001。*电工硅钢片制造工艺电工硅钢片制造工艺：热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。：热轧和冷轧两种，以在结晶温度为区分点。*应应用用：电电动动机机、发发电电机机、变变压压器器、电电磁磁机机构构、继继电电器器电电子子器器件件及测量仪表中。及测量仪表中。本讲稿第十六页，共三十五页本讲稿第十七页，共三十五页2.3.3 坡莫合金坡莫合金*1913年被开发出来，镍的质量分数为年被开发出来，镍的质量分数为30-90的镍铁合金。的镍铁合金。*优优点点：很很高高的的磁磁导导率率，成成分分范范围围宽宽，而而且且磁磁性性
16、能能可可通通过过改改变变成成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。*缺点：缺点：BS低，低，Ni是高价金属。是高价金属。*Ni：7583%范范围围时时，具具有有最最佳佳的的综综合合磁磁性性能能，但但这这一一范范围围时时BS较低。较低。*应应用用：可可用用作作在在弱弱磁磁场场下下具具有有很很高高 的的铁铁芯芯材材料料和和磁磁屏屏蔽蔽材材料料；也也可可用用作作要要求求低低剩剩磁磁和和恒恒磁磁导导率率的的脉脉冲冲变变压压器器材材料料；还还可可用用作作各各种种磁磁致致伸伸缩缩合合金、热磁合金、矩磁合金等。金、热磁合金、矩磁合金等。本讲稿第十八页，共
17、三十五页本讲稿第十九页，共三十五页本讲稿第二十页，共三十五页2.3.4 其它软磁合金其它软磁合金*应用：应用：由于价格优势，常用作由于价格优势，常用作Fe-Ni合金的替代品合金的替代品。1、铁铝合金、铁铝合金*优优点点：价价格格低低；通通过过调调解解铝铝的的含含量量，可可以以获获得得满满足足不不同同要要求求的的软软磁磁材材料料；合合金金具具有有较较高高的的电电阻阻率率；具具有有较较高高的的硬硬度度、强强度度和和耐耐磨磨性性；合合金金密密度度低低，可可减减轻轻元元件件重重量量；对对应应力力不不敏敏感感，适适于于在在冲冲击击、振振动动等等环环境境下下工工作作；较较好好的的温温度稳定性；抗核辐射性能
18、好。度稳定性；抗核辐射性能好。2、铁硅铝合金、铁硅铝合金*1932年年在在日日本本仙仙台台被被开开发发出出来来，因因此此又又称称为为仙仙台台斯斯特特合合金金，成成分分为为Fe9.6Si5.4Al。该该成成分分时时，K1和和 S几几乎乎同同时时趋趋于于零零，且且具具有有高高 和和低低HC。不不需需要要高高价价的的Co和和Ni，且且电电阻阻率率高高、耐耐磨磨性性好好，所所以以作为磁头磁芯材料比较理想。作为磁头磁芯材料比较理想。本讲稿第二十一页，共三十五页*应应用用：直直流流电电磁磁铁铁铁铁芯芯、极极头头材材料料、航航空空发发电电机机定定子子材材料料、电话受话器的振动膜片，磁致伸缩材料。电话受话器的
19、振动膜片，磁致伸缩材料。3、铁钴合金、铁钴合金*优点：优点：高的高的MS；Co50，同时有高的同时有高的MS，i，max*缺缺点点：加加工工性性能能较较差差；电电阻阻率率低低，不不适适合合在在高高频频场场合合用用；Co价格贵价格贵本讲稿第二十二页，共三十五页2.4 铁氧体软磁材料铁氧体软磁材料*最最早早由由荷荷兰兰菲菲利利普普实实验验室室Snock于于1935年年研研制制成成功功。其其磁磁性性来来源源于于亚亚铁铁磁磁性性，故故MS较较金金属属低低，但但比比金金属属的的 要要高高很很多多，因因此此具具有良好的高频特性。有良好的高频特性。*软软磁磁铁铁氧氧体体材材料料的的特特性性要要求求（四四高高
20、）：高高 i，高高品品质质因因数数Q，高高（时间、温度）稳定性，高截止频率（时间、温度）稳定性，高截止频率fr。*除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。除基本要求外，对应不同的应用场合还有不同的特殊要求。比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。比如电波吸收材料希望在工作频率范围内损耗越大越好。*按晶体结构进行分类：按晶体结构进行分类：本讲稿第二十三页，共三十五页本讲稿第二十四页，共三十五页*MnZn铁铁氧氧休休是是具具有有尖尖晶晶石石结结构构的的mMnFe2O4nZnFe2O4与与少少量量Fe3O4组成的单相固溶体。组成的单相固溶体。*低低频频段段应应用用极极广广（50
21、0kHz以以下下），优优点点：磁磁滞滞损损耗耗低低，相相同同磁磁导导率率情况下居里温度较情况下居里温度较NiZn高，高，i高高(可达可达4104 1105)，价格低廉。，价格低廉。*NiZn铁铁氧氧体体：高高频频软软磁磁材材料料，1100MHz。1MHz以以下下时时，其其性性能能不不如如MnZn铁铁氧氧体体，而而在在1MHz以以上上时时，优优于于MnZn铁铁氧氧体体，因它具有多孔性及高电阻率。因它具有多孔性及高电阻率。*特特点点：频频带带宽宽，体体积积小小，重重量量轻轻；起起步步晚晚，与与国国外外差差距距大大；Ni价格高，小于价格高，小于30MHz时，可用时，可用MgZn铁氧体替代（性能稍差）
22、。铁氧体替代（性能稍差）。本讲稿第二十五页，共三十五页*立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；立方晶系铁氧体的使用频率：数百兆赫之下；平平面面型型六六角角晶晶系系铁铁氧氧体体：在在 i值值相相同同的的情情况况下下，fr较较立立方方晶晶系系高高510倍。倍。*从应用角度软磁铁氧体大致可分为：从应用角度软磁铁氧体大致可分为：（1）高磁导率材料，）高磁导率材料，i 104；（2）低损耗、高稳定性材料，高低损耗、高稳定性材料，高 Q值，低值，低DF值；值；（3）高频、大磁场用的材料；）高频、大磁场用的材料；（4）高饱和）高饱和Bs低功耗材料（功率铁氧体）；低功耗材料（功率铁氧体）；（5）甚高频六角铁
23、氧体；）甚高频六角铁氧体；（6）其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料。）其他铁氧体：如温感、湿感、电波吸收、电极等材料。本讲稿第二十六页，共三十五页2.5 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料*特征：特征：（1）短程有序，长程无序；）短程有序，长程无序；（2）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；）不存在位错和晶界，具有高磁导率和低矫顽力；（3）电阻率比同种晶态材料高，适用高频）电阻率比同种晶态材料高，适用高频(涡流损耗小涡流损耗小)；（4）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；）体系自由能高，结构不稳定，加热时有结晶化倾向；（5）机械强度较高且硬度较高；）机械强度较高且硬度较高
24、；（6）抗化学腐蚀能力强，抗）抗化学腐蚀能力强，抗 射线及中子等辐射能力强。射线及中子等辐射能力强。2.5.1 非晶态软磁材料非晶态软磁材料(具有优良的综合磁性能具有优良的综合磁性能)一、非晶态软磁材料的结构和性能一、非晶态软磁材料的结构和性能本讲稿第二十七页，共三十五页*目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：目前已达到实用化的非晶软磁材料的分类：1)3d过过渡渡金金属属(T)非非金金属属系系。其其中中T为为Fe，Co，Ni等等；非非金金属属为为B，C，Si、P等。等。铁铁基基：BS较较高高；铁铁镍镍基基：磁磁导导率率较较高高；钴钴基基：适适宜宜作作为为高高频频开开关关电电源变压器。源变压器。
25、2)3d过渡金属过渡金属(T)金属系。金属为金属系。金属为Ti，Zr，Nb，Ta等。等。3)过渡金属过渡金属(T)稀土类金属稀土类金属(RE)系。其中系。其中T为为Fe，Co；RE为为Gd，Tb，Dy，Nd等。等。二、制备与应用二、制备与应用非非晶晶态态：结结晶晶化化前前的的中中间间状状态态，亚亚稳稳态态。冷冷却却速速度度足足够够快快且且冷冷至至足足够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。够低的温度，以致原子来不及形核结晶便凝固下来。本讲稿第二十八页，共三十五页制备方法：制备方法：1、气相沉积法、气相沉积法晶晶态态材材料料原原子子（离离解解）气气相相（无无规规沉沉积积）到到低低温温冷冷却
26、却基基体体上上形形成非晶态成非晶态此类技术主要有：此类技术主要有：真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等真空蒸发、溅射、辉光放电、化学沉积等本讲稿第二十九页，共三十五页2、液相急冷法（大多采用此法）、液相急冷法（大多采用此法）熔融合金熔融合金（用加压惰性气体）（用加压惰性气体）液态合金从石英喷嘴中喷出液态合金从石英喷嘴中喷出形成均形成均匀的熔融金属细流匀的熔融金属细流连续喷射到高速旋转的冷却辊表面连续喷射到高速旋转的冷却辊表面液态合金液态合金以以106108K/S高速冷却形成非晶态高速冷却形成非晶态本讲稿第三十页，共三十五页3、高能粒子注入、高能粒子注入采采用用大大功功率率高高能能粒粒子子输输入
27、入加加热热晶晶态态材材料料表表面面，引引起起局局部部熔熔化化并并迅迅速速固固化成非晶态。化成非晶态。高高能能注注入入粒粒子子有有一一定定的的射射程程，只只能能得得到到一一薄薄层层非非晶晶材材料料，常常用用于于改改善善表面特性。表面特性。*铁基非晶带的损耗仅为传统铁基非晶带的损耗仅为传统Fe-Si合金的合金的1/3，但由于成本较高，但由于成本较高，目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航目前尚难以大量取代传统的材料，但在高功率脉冲变压器、航空变压器、开关电源等方面已获得应用。空变压器、开关电源等方面已获得应用。钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图书馆、超市）钴基和铁镍基非晶：防盗标签（图
28、书馆、超市）本讲稿第三十一页，共三十五页2.5.2 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料1988年，日本日立金属公司的年，日本日立金属公司的Yashizawa等人在非晶合金基础上通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（过晶化处理开发出纳米晶软磁合金（Finemet）。）。特点：高特点：高BS，高，高 i，低损耗，铁基原材料成本低廉；，低损耗，铁基原材料成本低廉；晶粒尺寸减小，矫顽力降低晶粒尺寸减小，矫顽力降低*目前已经开发或正在开发研究的系统：目前已经开发或正在开发研究的系统：Fe-Cu-M-Si-B（M为为Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）等）Fe-M-C和和Fe-M-V（M为为Ta等耐热金属）等耐热金属）最最 著著 名名 的的 为为Finemet纳纳 米米 微微 晶晶 软软 磁磁 材材 料料，其其 组组 成成 为为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，晶粒尺寸约为晶粒尺寸约为10nm。*制制备备方方法法：非非晶晶晶晶化化法法非非晶晶条条带带，在在略略高高于于非非晶晶晶晶化化温温度度下下退退火一火一 定时间，使之纳米晶化。定时间，使之纳米晶化。本讲稿第三十二页，共三十五页本讲稿第三十三页，共三十五页本讲稿第三十四页，共三十五页本讲稿第三十五页，共三十五页