磁性物理學第4章-軟磁材料

1、磁性物理學第磁性物理學第4 4章章- -軟磁材料軟磁材料第二節(jié)第二節(jié) 軟磁材料重要指軟磁材料重要指標標第三節(jié)第三節(jié) 金屬基軟磁材料金屬基軟磁材料第四節(jié)第四節(jié) 鐵氧體基軟磁材料鐵氧體基軟磁材料第一節(jié)第一節(jié) 軟磁材料發(fā)展歷程軟磁材料發(fā)展歷程第五節(jié)第五節(jié) 非晶態(tài)軟磁材料非晶態(tài)軟磁材料第六節(jié)第六節(jié) 納米晶軟磁材料納米晶軟磁材料第一節(jié)第一節(jié) 軟磁材料發(fā)展歷程軟磁材料發(fā)展歷程Developing Course of Soft Magnetic Materials軟磁材料的主要應用領域：軟磁材料的主要應用領域：電力工業(yè)：各種變壓器、電動機和發(fā)電機；電力工業(yè)：各種變壓器、電動機和發(fā)電機；電子電信工業(yè)：繼電器、

2、小型變壓器、線圈、天線、電電子電信工業(yè)：繼電器、小型變壓器、線圈、天線、電表和磁放大器等；表和磁放大器等；電子計算機：開關元件和存儲元件電子計算機：開關元件和存儲元件純鐵純鐵硅鋼片硅鋼片坡坡莫莫合合金金坡坡莫莫合合金金空氣淬冷空氣淬冷坡莫坡莫基多基多元合元合金金鐵氧體鐵氧體非晶態(tài)非晶態(tài)合金合金納米微晶納米微晶1890 1900 1910 1920 1930 1940196019501970 1980 19902000第二節(jié)第二節(jié) 軟磁材料的重要指標軟磁材料的重要指標Major Indexes of Soft Magnetic Materials磁性材磁性材料的性料的性能能結構不靈敏量結構不靈敏

3、量 iHCP結構靈敏量結構靈敏量MSTCK1 S 材料的基本材料的基本參量，由材參量，由材料的成分所料的成分所決定決定決定于摻雜、決定于摻雜、晶粒取向、晶晶粒取向、晶粒尺寸等結構粒尺寸等結構因素以及某些因素以及某些外部因素外部因素軟磁材料（高磁導率材料）的定義：軟磁材料（高磁導率材料）的定義：1、指能夠、指能夠迅速響應外磁場的變化迅速響應外磁場的變化，且能，且能低損耗地獲得高低損耗地獲得高磁感應強度磁感應強度的材料，即容易受外磁場磁化，又容易退磁；的材料，即容易受外磁場磁化，又容易退磁；2、指由、指由較低的外部磁場強度較低的外部磁場強度就可獲得就可獲得大的磁化強度及高大的磁化強度及高密度磁通量

4、密度磁通量的材料；的材料； i和和 max要高要高BS要高要高HC要小要小功率損耗功率損耗P要低要低穩(wěn)定性要高穩(wěn)定性要高衡量軟磁材料的重要指標：衡量軟磁材料的重要指標：Note：在實際應用時，：在實際應用時，不同的應用場合不同的應用場合往往對往往對材料有不同的性能要求材料有不同的性能要求；如，同為鐵芯材料：如，同為鐵芯材料：大功率下用于電力、配電變壓器和發(fā)電機大功率下用于電力、配電變壓器和發(fā)電機材料具有材料具有很高的飽和磁感很高的飽和磁感應強度應強度BS、較高的磁導率較高的磁導率和和低的功率損耗低的功率損耗；通信類變壓器通信類變壓器材料具有材料具有很高的磁導率很高的磁導率、較高的飽和磁感應強度

5、較高的飽和磁感應強度和和低低的功率損耗的功率損耗；開關元件和邏輯元件開關元件和邏輯元件材料具有材料具有較高的剩磁較高的剩磁和和接近矩形的磁滯回線接近矩形的磁滯回線（矩磁材料）（矩磁材料）；恒電感線圈和寬頻變壓器恒電感線圈和寬頻變壓器材料的材料的磁導率能在一定磁場范圍內保持不磁導率能在一定磁場范圍內保持不變（恒磁導材料）變（恒磁導材料）應用領域應用領域飽和磁感應強度飽和磁感應強度BS和磁和磁導率越高越好導率越高越好工作頻率為工作頻率為0 Hz如：直流電磁鐵的鐵芯如：直流電磁鐵的鐵芯及磁極；儀表中的各種及磁極；儀表中的各種導磁體；電機和機床的導磁體；電機和機床的機身及直流屏蔽用材料機身及直流屏蔽用

6、材料飽和磁感應強度飽和磁感應強度BS和磁和磁導率盡可能高，同時盡導率盡可能高，同時盡可能低的能量損耗可能低的能量損耗工作頻率為幾千到幾工作頻率為幾千到幾千兆千兆 Hz如：各種變壓器、電機、如：各種變壓器、電機、電感用鐵芯材料、超聲電感用鐵芯材料、超聲換能器等換能器等交交 流流 應應 用用直直 流流 應應 用用軟磁材料軟磁材料的基本磁的基本磁性能性能提高飽和磁化強度提高飽和磁化強度MSK1和和 S趨于零趨于零內應力和摻雜及分布內應力和摻雜及分布控制晶粒尺寸大小控制晶粒尺寸大小材料的織構化材料的織構化起始磁導率起始磁導率功率損耗功率損耗采用疊片鐵芯并良好采用疊片鐵芯并良好絕緣絕緣提高材料自身電阻率

7、提高材料自身電阻率減小疊片的厚度減小疊片的厚度改善晶粒取向等手段改善晶粒取向等手段第三節(jié)第三節(jié) 金屬基軟磁材料金屬基軟磁材料Metal-Based Soft Magnetic Materials電工純鐵：指純度在電工純鐵：指純度在99.8%以上的鐵，其中不含任何以上的鐵，其中不含任何故意添加故意添加的的合金化合金化元素元素；人類最早使用的純金屬軟磁材料；人類最早使用的純金屬軟磁材料；1886年，第一臺基于鐵片的變壓器制成（缺點：磁性能差，時效現象）年，第一臺基于鐵片的變壓器制成（缺點：磁性能差，時效現象）常見雜質：常見雜質：C、N、O、P、S等等磁導磁導率率 下降，矯頑力下降，矯頑力HC上升；

8、上升；嚴重時形成碳化物、氮化物、氧化物等嚴重時形成碳化物、氮化物、氧化物等以細微彌散形式析出以細微彌散形式析出 磁性能隨時間延磁性能隨時間延長逐漸變差的時效現象的主要原因長逐漸變差的時效現象的主要原因典型性能：典型性能： i為為300500， max為為600012000，HC為為39.895.5 A/m1硅鋼片：指碳的質量硅鋼片：指碳的質量分數分數wc在在0.02%以下，以下，硅的質量分數為硅的質量分數為1.54.5%的的Fe合金合金硅的加入可以降低鐵硅合金的磁晶各向異性常數，同時隨著硅含量的硅的加入可以降低鐵硅合金的磁晶各向異性常數，同時隨著硅含量的增大，飽和磁致伸縮系數可以逐漸趨于零增大

9、，飽和磁致伸縮系數可以逐漸趨于零添加硅可以提高合金的電阻率添加硅可以提高合金的電阻率鐵硅合金的密度隨含硅量增大而下降，制成鐵芯后，對減輕變壓器和鐵硅合金的密度隨含硅量增大而下降，制成鐵芯后，對減輕變壓器和電機的重量有利電機的重量有利硅促進鋼中碳的石墨化，退火時鋼的脫碳傾向增加，同時還可以與鋼硅促進鋼中碳的石墨化，退火時鋼的脫碳傾向增加，同時還可以與鋼中的中的O2合成合成SiO2，使鋼脫氧。這樣可使損耗下降，磁性能改善，而且避使鋼脫氧。這樣可使損耗下降，磁性能改善，而且避免碳和氧所引起的老化現象免碳和氧所引起的老化現象硅鋼的磁性對溫度、振動及應力等敏感性較少，具有較高的穩(wěn)定性硅鋼的磁性對溫度、振

10、動及應力等敏感性較少，具有較高的穩(wěn)定性飽和磁感應強度和居里溫度均隨含硅量的增加而下降。飽和磁感應強度和居里溫度均隨含硅量的增加而下降。硬度增加、延伸率、沖擊韌性下降，使得加工困難硬度增加、延伸率、沖擊韌性下降，使得加工困難21934年，美國年，美國N. P. Goss發(fā)明發(fā)明取向性硅鋼片取向性硅鋼片（二次冷軋法）（二次冷軋法）硅鋼片分為熱軋非織構、冷軋硅鋼片分為熱軋非織構、冷軋非織構、非織構、冷軋高斯織構冷軋高斯織構、冷軋冷軋立方織構立方織構四種四種(110)001織構織構Goss織構織構(100)001織構織構立方織構立方織構1932年增本和山本發(fā)明的一種不含年增本和山本發(fā)明的一種不含Ni的

11、高磁導率合金的高磁導率合金Fe-9.6Si-5.4Al的的Sendust合金具有合金具有大的起始磁導率大的起始磁導率（3510）和）和極高的最大磁導率極高的最大磁導率（160000），因為），因為此時此時K1和和 S幾乎同時為零幾乎同時為零質地極脆質地極脆，不易塑性加工，不宜加工成疊積鐵芯，不易塑性加工，不宜加工成疊積鐵芯用的薄片材料，常加工成粉末用的薄片材料，常加工成粉末超級鐵硅鋁合金超級鐵硅鋁合金（Fe-8Si-4Al-3.2Ni）Parmalloy合金：專指含鎳合金：專指含鎳Ni量為量為3090的的Ni-Fe合金；合金；1889年年Hopkirson開始研究，開始研究，19161923年

12、年Elmen研制出研制出78Ni-Fe高磁導率合金，隨后通過添加高磁導率合金，隨后通過添加Mo、Cu、Cr等元素研制出磁導率更高等元素研制出磁導率更高的的Fe-Ni基多元坡莫合金；基多元坡莫合金；特點：特點：弱場下有非常高的磁導率弱場下有非常高的磁導率；磁性能可調性大磁性能可調性大；容易加工容易加工應用范圍：可用作弱場下具有很高磁導率的應用范圍：可用作弱場下具有很高磁導率的鐵芯材料和磁屏蔽材料鐵芯材料和磁屏蔽材料，可用作要求低剩磁和恒磁導率的可用作要求低剩磁和恒磁導率的脈沖變壓器材料脈沖變壓器材料，還可用作各種，還可用作各種矩磁矩磁合金合金、熱磁合金熱磁合金以及磁致伸縮合金等；以及磁致伸縮合金

13、等；缺點：缺點：飽和磁感應強度較低飽和磁感應強度較低不能用作在高磁通條件下工作的鐵芯不能用作在高磁通條件下工作的鐵芯材料如電力和配電變壓器、電動機和發(fā)電機等電氣設備材料如電力和配電變壓器、電動機和發(fā)電機等電氣設備含鎳量從含鎳量從30%到到100%的鎳鐵的鎳鐵合金在室溫下是由單一的面心立合金在室溫下是由單一的面心立方結構的方結構的 相組成。相組成。在相當于在相當于FeNi3成分處會發(fā)生成分處會發(fā)生有序和無序相轉變，有序化轉變有序和無序相轉變，有序化轉變溫度在溫度在506。有序相的出現和控制對合金磁有序相的出現和控制對合金磁性的影響較大在有序相范圍內性的影響較大在有序相范圍內改改變等溫處理溫度和冷

14、卻速率變等溫處理溫度和冷卻速率，就，就可有效地改變磁晶各向異性常數可有效地改變磁晶各向異性常數K1，進而達到改變磁導率的目的，進而達到改變磁導率的目的居里溫度居里溫度在含在含Ni量為量為010%和和65100%兩個成分范圍內，居里溫度隨兩個成分范圍內，居里溫度隨鎳含量的增加而下降。鎳含量的增加而下降。當含鎳量為當含鎳量為35%左右時，由于左右時，由于非磁性相的出現，居里溫度急非磁性相的出現，居里溫度急劇下降。劇下降。在在67%Ni附近，由于點陣距離附近，由于點陣距離剛好滿足出現最大的交換能，剛好滿足出現最大的交換能，故居里溫度出現最大值。故居里溫度出現最大值。飽和磁感應強度飽和磁感應強度由于鎳

15、原子的玻爾磁子由于鎳原子的玻爾磁子數比鐵小，所以數比鐵小，所以020%Ni之間，之間，Bs隨含隨含鎳量的增加而下降。在鎳量的增加而下降。在2035%Ni范圍內，由于范圍內，由于出現了非磁性相，出現了非磁性相，Bs發(fā)發(fā)生突變而迅速下降。生突變而迅速下降。.磁晶各向異性常數磁晶各向異性常數K1和磁致伸縮系數和磁致伸縮系數 s通過控制通過控制冷卻速度和冷卻速度和成分成分可有效地控制可有效地控制K1和和 s，從而達到提高，從而達到提高磁性能的目的磁性能的目的 i和和 max要高要高BS要高要高HC要小要小功率損耗功率損耗P要低要低穩(wěn)定性要高穩(wěn)定性要高衡量軟磁材料的重要指標：衡量軟磁材料的重要指標： 在

16、在Ni-Fe合金中加入鉬、鉻、銅等元素形成的多元合金中加入鉬、鉻、銅等元素形成的多元系坡莫合金，可不進行急冷處理，只要冷卻速度適當，系坡莫合金，可不進行急冷處理，只要冷卻速度適當，其其初始磁導率可比二元系坡莫合金高幾倍初始磁導率可比二元系坡莫合金高幾倍。而且。而且電阻電阻率率也比也比78.5%Ni坡莫合金要高坡莫合金要高3倍，為倍，為0.6010-3(.m)，但但飽和磁感應強度從飽和磁感應強度從1.3(T)降到降到0.60.8(T).合金元素對高磁導率合金元素對高磁導率Fe-Ni合金性能合金性能 成分設計的原則是使成分設計的原則是使 s0，通過調整熱處理工藝使，通過調整熱處理工藝使K10，而獲

17、得，而獲得高磁導率高磁導率1、鉬、鉬 鉬小于鉬小于15%時，在時，在Ni大于大于50%鐵鐵-鎳合金中完全固溶，它使：鎳合金中完全固溶，它使：電阻率上升電阻率上升含含78.5%Ni的鐵的鐵-鎳合金的鎳合金的K1和和 s更接近零更接近零鉬可以阻止有序相鉬可以阻止有序相FeNi3的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度鉬使鉬使K1= 0的合金鎳含量增加。的合金鎳含量增加。4Mo-79Ni 5Mo-80Ni 6Mo-81Ni降低合金的降低合金的 0Ms和居里溫度和居里溫度2、銅、銅改善合金的冷加工性能改善合金的冷加工性能銅使合金的銅使合金的 i及及 max值提高，且降低

18、了磁導率對成分的敏感性，值提高，且降低了磁導率對成分的敏感性，即當合金成分偏離最佳成分時，對即當合金成分偏離最佳成分時，對 i及及 max值影響不大值影響不大銅可抑制合金中有序相銅可抑制合金中有序相FeNi3的形成，因而可以降低熱處理的的形成，因而可以降低熱處理的冷卻速度冷卻速度降低合金的降低合金的 0MS和居里溫度和居里溫度3、其它元素、其它元素錳可提高電阻率、降低矯頑力值，可以脫硫、脫氧、改善熱加錳可提高電阻率、降低矯頑力值，可以脫硫、脫氧、改善熱加工性能。工性能。鉻使鐵鎳合金的居里溫度降低，抑制有序相的形成，提高合金鉻使鐵鎳合金的居里溫度降低，抑制有序相的形成，提高合金的電阻率值的電阻率

19、值釩、鈮、鈦等可提高合金的硬度，改善耐磨性。釩、鈮、鈦等可提高合金的硬度，改善耐磨性。碳可以脫氧，但碳可以脫氧，但C含量大于含量大于0.05%時使磁性急劇下降。時使磁性急劇下降。硅加入硅加入0.05%左右對合金磁性有利，因其和錳可復合脫氧，使脫左右對合金磁性有利，因其和錳可復合脫氧，使脫氧顆粒呈大顆粒。氧顆粒呈大顆粒。磷大于磷大于0.06%時，使合金的時，使合金的值急劇下降。值急劇下降。1、Fe-Co基合金基合金研制背景：用于航空等領域的器件要求重量輕、體積小，但又研制背景：用于航空等領域的器件要求重量輕、體積小，但又必須保證合適的磁性能必須保證合適的磁性能應用要求：具有高的飽和磁感應強度應用

20、要求：具有高的飽和磁感應強度在眾多金屬基合金軟磁材料中，在眾多金屬基合金軟磁材料中，Co-Fe系合金的系合金的BS最高最高商品化產品：商品化產品：Semendur(SME-V) 2V-49Co-Fe系合金系合金 （BS高高達達24000G） 已作為受話器耳膜振動片的磁舌用已作為受話器耳膜振動片的磁舌用其他產品：其他產品：27Co-Fe，35Co-Fe等等2、Fe-Al基合金基合金優(yōu)點：在保證基本磁性能的同時，價格較低；優(yōu)點：在保證基本磁性能的同時，價格較低； 通過調節(jié)通過調節(jié)Al的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料；的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料； 合金具有較高的電阻率（目前所有金屬

21、材料中最高的）；合金具有較高的電阻率（目前所有金屬材料中最高的）； 具有較高的硬度、強度和耐磨性；具有較高的硬度、強度和耐磨性； 合金密度低，可以減輕磁性元件的鐵芯重量合金密度低，可以減輕磁性元件的鐵芯重量 對應力不敏感，適合在沖擊、振動等環(huán)境下工作；對應力不敏感，適合在沖擊、振動等環(huán)境下工作； 具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗核輻射性能具有較好的溫度穩(wěn)定性和抗核輻射性能缺點：作為軟磁材料而言，磁性能并不突出缺點：作為軟磁材料而言，磁性能并不突出第四節(jié)第四節(jié) 鐵氧體基軟磁材料鐵氧體基軟磁材料Ferrite-Based Soft Magnetic Materials高穩(wěn)定高穩(wěn)定性性Note: （1） 以

22、上四高只是考慮軟磁鐵氧體各種應用的共同特性而已，以上四高只是考慮軟磁鐵氧體各種應用的共同特性而已，具體對應于不同的應用場合還有特殊要求具體對應于不同的應用場合還有特殊要求 如：開關電源及低頻、脈沖功率變壓器就要求高如：開關電源及低頻、脈沖功率變壓器就要求高BS； 磁記錄器件要求材料高密度；磁記錄器件要求材料高密度； 電波吸收體則希望在其工作頻率內，損耗越大越好電波吸收體則希望在其工作頻率內，損耗越大越好 （2） 上述四高的要求也往往是相互矛盾的，如要高上述四高的要求也往往是相互矛盾的，如要高 i就不能就不能高高fr，因為，因為 i反比于反比于fr （3） 故選用材料時，必須根據應用場合提出滿足

23、需要的合理故選用材料時，必須根據應用場合提出滿足需要的合理要求要求從成分上分主要有：從成分上分主要有： Mn-Zn，Ni-Zn系等尖晶石軟磁鐵氧體系等尖晶石軟磁鐵氧體平面型六角晶系平面型六角晶系Co2Y，Co2Z等軟磁鐵氧體等軟磁鐵氧體從應用角度講，它又可分為從應用角度講，它又可分為高磁導率高磁導率( i)軟磁鐵氧體；軟磁鐵氧體；低損耗高穩(wěn)定性軟磁鐵氧體；低損耗高穩(wěn)定性軟磁鐵氧體；高頻大磁場使用軟磁鐵氧體；高頻大磁場使用軟磁鐵氧體；特高頻材料；特高頻材料；高頻低損耗（高高頻低損耗（高BS）軟磁鐵氧體（又稱功率鐵氧體）軟磁鐵氧體（又稱功率鐵氧體）抗電磁干擾的（抗電磁干擾的（EMI）鐵氧體以及高密

24、度材料）鐵氧體以及高密度材料背景：隨著電子設備小型化、輕量化、薄形化和高可靠性的背景：隨著電子設備小型化、輕量化、薄形化和高可靠性的發(fā)展，對電子元件及材料的要求也越來越高。軟磁材料除了發(fā)展，對電子元件及材料的要求也越來越高。軟磁材料除了要求高磁導磁率外，更重要的是要求其要求高磁導磁率外，更重要的是要求其具有低損耗和高穩(wěn)定具有低損耗和高穩(wěn)定性性，導致了，導致了MnZn超優(yōu)鐵氧體超優(yōu)鐵氧體的出現。如的出現。如TDK公司的公司的PC50、PC4X系列、西門子公司的系列、西門子公司的N47、N49、N59材料及材料及TOKIN公公司的司的B40材料。材料。1、軟磁鐵氧體的穩(wěn)定性、軟磁鐵氧體的穩(wěn)定性 高

25、穩(wěn)定性：磁導率的高穩(wěn)定性：磁導率的溫度穩(wěn)定性高溫度穩(wěn)定性高，減落要小減落要小，隨時間的老化要，隨時間的老化要盡可能小，以保證長壽命工作于太空、海底、地下及其它惡劣環(huán)境中盡可能小，以保證長壽命工作于太空、海底、地下及其它惡劣環(huán)境中。 軟磁材料性能的變化是其軟磁材料性能的變化是其基本特性參數基本特性參數在物理化學過程中發(fā)生變在物理化學過程中發(fā)生變化的結果，而這些理化過程引起的變化主要有：化的結果，而這些理化過程引起的變化主要有：1.材料基本參數材料基本參數(K1， S)隨溫度變化隨溫度變化 溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性 u (可逆可逆); 2.組成中的離子、電子、空位受各種干擾后引起擴散及組成的分組成中的

26、離子、電子、空位受各種干擾后引起擴散及組成的分解解磁老化磁老化(不可逆不可逆); 3.晶格中陽離子分布或價態(tài)的變化晶格中陽離子分布或價態(tài)的變化時間穩(wěn)定性時間穩(wěn)定性磁導率磁導率減落減落(可可逆逆); .（一）、磁導率的溫度穩(wěn)定性（一）、磁導率的溫度穩(wěn)定性 及其影響因素及其影響因素 一般鐵氧體一般鐵氧體i T可能出現一個峰或多個峰；出現峰值原因：可能出現一個峰或多個峰；出現峰值原因： i Ms2/(K1+3/2 s ) i T復雜函數，一般只有二個峰復雜函數，一般只有二個峰溫度穩(wěn)定性用溫度系數溫度穩(wěn)定性用溫度系數 來表示來表示 refrefref1 / C 在有些場合也用在有些場合也用比溫度系數比

27、溫度系數 / i來表示材料的溫度特性來表示材料的溫度特性1. 峰出現原因峰出現原因: T1 （T150mol%）, 在普通工藝在普通工藝(含含O221%) 燒結，離燒結，離子空位濃度上升，減落愈明顯。子空位濃度上升，減落愈明顯。3、在、在N2中退火中退火(120 C)， 氧化氧化減少減少， 空位增加，減落增加?？瘴辉黾樱瑴p落增加。結論：室溫及高溫下的減落主要由離子空位和離子的有序擴散形成結論：室溫及高溫下的減落主要由離子空位和離子的有序擴散形成4、實驗證明，在室溫以上至居里溫度、實驗證明，在室溫以上至居里溫度TC 之間之間，減落系數，減落系數d隨溫度的隨溫度的變化出現三四個峰，且峰的位置和高度

28、與材料的成分和空位濃度變化出現三四個峰，且峰的位置和高度與材料的成分和空位濃度有關有關控制減落的方法控制減落的方法控制減落主要是控制空位濃度：控制減落主要是控制空位濃度：1、 Fe2+的控制，因的控制，因Fe2+的減落主要發(fā)生在低溫；的減落主要發(fā)生在低溫； 2、陽離子空位數的控制、陽離子空位數的控制: 在在N2中燒結或在中燒結或在N2中回火中回火; 降低燒結溫度；降低燒結溫度；Fe2+Fe3+; 減落產生的原因是減落產生的原因是Fe2+離子與離子空位擴散的聯合效離子與離子空位擴散的聯合效應，因此控制減落的原則就是破壞這兩個因素之一應，因此控制減落的原則就是破壞這兩個因素之一 主要有主要有MnZ

29、n、NiZn兩大類，其中兩大類，其中MnZn產量大，用途廣，產量大，用途廣，適用于低頻適用于低頻1MHz以下，它具有高以下，它具有高 i、低損耗和高穩(wěn)定性的優(yōu)、低損耗和高穩(wěn)定性的優(yōu)點，如點，如 i可達可達4104， Q為為50100萬（萬（100KHz），），BS可在可在0.5T以上，以上，HC可在可在10A/m以下，以下， / i為為10-510-6 NiZn材料因電阻率材料因電阻率 可高達可高達108m，所以高頻損耗小，所以高頻損耗小，故特別適合應用于高頻故特別適合應用于高頻1300MHz，而且，而且NiZn材料的居里溫材料的居里溫度比度比MnZn高高第五節(jié)第五節(jié) 非晶態(tài)軟磁材料非晶態(tài)軟磁

30、材料Amorphous Soft Magnetic Materials 發(fā)展背景：發(fā)展背景： 傳統(tǒng)軟磁材料都是晶體材料，如硅鋼、鐵鎳合金等，它傳統(tǒng)軟磁材料都是晶體材料，如硅鋼、鐵鎳合金等，它們一般是由液態(tài)金屬以們一般是由液態(tài)金屬以10-5103 K/s的冷卻速度在平衡或近的冷卻速度在平衡或近平衡凝固條件下得到平衡凝固條件下得到 1970年左右，材料的快速冷凝技術取得了重大突破，由年左右，材料的快速冷凝技術取得了重大突破，由冷卻速度高達冷卻速度高達108K/s的快速冷凝技術可以得到平衡或近平衡的快速冷凝技術可以得到平衡或近平衡凝固條件所不可能得到亞穩(wěn)態(tài)材料凝固條件所不可能得到亞穩(wěn)態(tài)材料非晶非晶結

31、構馳豫：從一個非晶態(tài)轉變?yōu)榻Y構更穩(wěn)定的另一個非晶態(tài)；結構馳豫：從一個非晶態(tài)轉變?yōu)榻Y構更穩(wěn)定的另一個非晶態(tài)；晶化：從非晶態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)的過程晶化：從非晶態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)的過程問題：鐵磁性起源于什么？問題：鐵磁性起源于什么？非晶態(tài)磁性合金是非常優(yōu)秀的軟磁材料，非晶態(tài)磁性合金是非常優(yōu)秀的軟磁材料，Why？高高BS高高 i低低HC與與K1和和 S以及組織均勻性有關以及組織均勻性有關1、沒有長程有序、沒有長程有序磁晶各向異性常數磁晶各向異性常數K1為零為零2、結構組織均勻，不存在晶界和析出物、結構組織均勻，不存在晶界和析出物高起始磁導率高起始磁導率 i3、存在短程有序、存在短程有序磁致伸縮系數不為零磁致伸縮系

32、數不為零4、電阻率較大，約為晶態(tài)合金的、電阻率較大，約為晶態(tài)合金的3倍以上，倍以上，We小，可用高頻小，可用高頻5、各向同性特點、各向同性特點強度高，韌性較好，耐腐蝕性強強度高，韌性較好，耐腐蝕性強總體總體原則原則只要冷卻速度足夠快并且冷至足夠的溫度，幾只要冷卻速度足夠快并且冷至足夠的溫度，幾乎所有的材料都能制成非晶亞穩(wěn)態(tài)材料乎所有的材料都能制成非晶亞穩(wěn)態(tài)材料氣相氣相沉積法沉積法液相液相急冷法急冷法高能離高能離子注入子注入將晶態(tài)原子將晶態(tài)原子氣化氣化，然后，然后直接使直接使氣態(tài)氣態(tài)無規(guī)的沉積無規(guī)的沉積到低溫基體到低溫基體熔融的熔融的液態(tài)液態(tài)急冷轉變?yōu)榧崩滢D變?yōu)闊o序的非晶無序的非晶態(tài)，分單輥態(tài)，

33、分單輥法和雙輥法法和雙輥法高能離子注高能離子注入使晶態(tài)材入使晶態(tài)材料表面非晶料表面非晶化化3d過渡金屬（過渡金屬（T）類金屬系非晶態(tài)合金）類金屬系非晶態(tài)合金過渡金屬：過渡金屬：Fe、Co、Ni，類金屬：，類金屬：B、C、P、Si等等3d過渡金屬（過渡金屬（T）過渡金屬系非晶態(tài)合金）過渡金屬系非晶態(tài)合金過渡金屬：過渡金屬：Zr、Ti、Nb、Hf、Ta等等3d過渡金屬（過渡金屬（T）稀土類金屬（）稀土類金屬（RE）系非晶態(tài)合金）系非晶態(tài)合金稀土金屬稀土金屬RE：Gd、Tb、Dy、Nd等等1、3d過渡金屬（過渡金屬（T）類金屬系非晶態(tài)合金）類金屬系非晶態(tài)合金以以Fe、Co、Ni為為主要成分，添加主要

34、成分，添加1535（原（原子含量）的子含量）的B、Si、C、P等等類金類金屬元素屬元素，它們有，它們有利于非晶態(tài)的形利于非晶態(tài)的形成成加入類金加入類金屬原子后屬原子后非晶態(tài)合非晶態(tài)合金的磁矩金的磁矩比相應比相應晶晶態(tài)合金態(tài)合金的的磁矩要小磁矩要小加入類金屬原子后加入類金屬原子后非晶態(tài)合金的居里非晶態(tài)合金的居里溫度溫度TC比相應比相應晶晶態(tài)合金態(tài)合金的居里溫度的居里溫度有大幅度的下降，有大幅度的下降，原因是由于近鄰原原因是由于近鄰原子的交換作用減弱子的交換作用減弱（即交換積分（即交換積分A減減?。┬。?、3d過渡金屬（過渡金屬（T）過渡金屬系非晶態(tài)合金）過渡金屬系非晶態(tài)合金以以Fe、Co、Ni為

35、主為主要成分，添加一定量要成分，添加一定量的的Zr、Hf、Nb等過等過渡族金屬作為非晶態(tài)渡族金屬作為非晶態(tài)形成元素的合金系列形成元素的合金系列據報道，飽和磁化強度最據報道，飽和磁化強度最高的是高的是1979年發(fā)現的（年發(fā)現的（Fe、Co、Ni）90Zr10系合金系合金可用液態(tài)急冷法和氣相沉可用液態(tài)急冷法和氣相沉積法制備積法制備原則：要獲得高飽和磁感應強度，應選擇鐵基非晶態(tài)合金，因為原則：要獲得高飽和磁感應強度，應選擇鐵基非晶態(tài)合金，因為過渡族金屬中鐵的原子磁矩最大過渡族金屬中鐵的原子磁矩最大與取向硅鋼片相比，鐵基非晶態(tài)合金的矯頑力低，磁導率高，電與取向硅鋼片相比，鐵基非晶態(tài)合金的矯頑力低，磁導

36、率高，電阻率是硅鋼片的阻率是硅鋼片的3倍左右，而鐵損極低僅為硅鋼片的倍左右，而鐵損極低僅為硅鋼片的1/3以下，所以以下，所以鐵損低、飽和磁感應強度高是鐵基非晶態(tài)合金的最大優(yōu)點鐵損低、飽和磁感應強度高是鐵基非晶態(tài)合金的最大優(yōu)點由于電阻率高，在高頻下應用的優(yōu)越性更顯著由于電阻率高，在高頻下應用的優(yōu)越性更顯著但鐵基非晶態(tài)合金的飽和磁感應強度比硅鋼略低，居里溫度也低但鐵基非晶態(tài)合金的飽和磁感應強度比硅鋼略低，居里溫度也低若用它制成變壓器鐵芯材料對節(jié)約能源的意義很大若用它制成變壓器鐵芯材料對節(jié)約能源的意義很大鐵基非晶態(tài)合金主要有鐵基非晶態(tài)合金主要有Fe-B、Fe-B-Si、Fe-B-Si-C系列；系列；

37、對于二元合金來說，對于二元合金來說，Fe80B20、Fe80P20較易形成非晶態(tài)，而較易形成非晶態(tài)，而Fe80Si20、Fe80C20則很難形成非晶；則很難形成非晶；對于三元合金來說，當對于三元合金來說，當Si含量為含量為515、B含量為含量為1020，且（且（SiB）總量為）總量為25左右時，才易于形成非晶態(tài)；左右時，才易于形成非晶態(tài)；若以提高飽和磁感應強度為主時，鐵含量控制在若以提高飽和磁感應強度為主時，鐵含量控制在8082，其典型，其典型是是Fe81B13.5Si3.5C2和和Fe80B20；若著眼于降低鐵損時，鐵含量為若著眼于降低鐵損時，鐵含量為7779，如，如Fe78B13Si9目前

38、用鐵基非晶態(tài)合金來替代硅鋼片用于電力變壓器是一個趨勢，目前用鐵基非晶態(tài)合金來替代硅鋼片用于電力變壓器是一個趨勢，但必須考慮成本和填充率這個因素但必須考慮成本和填充率這個因素原則：要實現高磁導率、低矯頑力的優(yōu)質軟磁特性，只要減小非原則：要實現高磁導率、低矯頑力的優(yōu)質軟磁特性，只要減小非晶態(tài)合金的磁致伸縮系數使之接近于零晶態(tài)合金的磁致伸縮系數使之接近于零零磁致伸縮非晶態(tài)零磁致伸縮非晶態(tài)合金最初是在合金最初是在Co-Fe-類金屬系中發(fā)現的；類金屬系中發(fā)現的；Co:Fe成分約為成分約為94:6的非晶態(tài)合金的飽和的非晶態(tài)合金的飽和磁致伸縮系數磁致伸縮系數 S為零，為零，且矯頑力也最低且矯頑力也最低目前高

39、磁導率非晶態(tài)合金基本上是鈷基合金，包括目前高磁導率非晶態(tài)合金基本上是鈷基合金，包括Co-Fe、Co-Fe-Ni、Co-Mn系等系等第六節(jié)第六節(jié) 納米微晶軟磁材料納米微晶軟磁材料Nanocrystalline soft magnetic materials 研制背景：是在急需既有研制背景：是在急需既有高飽和磁化強度高飽和磁化強度，又有，又有高初始磁導率高初始磁導率、低低矯頑力矯頑力和和低損耗低損耗的軟磁合金背景下開始出來的的軟磁合金背景下開始出來的問題的提出：問題的提出：1、非晶態(tài)軟磁性能總體而言比晶態(tài)材料好，可非晶態(tài)合金存在晶、非晶態(tài)軟磁性能總體而言比晶態(tài)材料好，可非晶態(tài)合金存在晶化傾向，導致

40、它的溫度穩(wěn)定性不太好；化傾向，導致它的溫度穩(wěn)定性不太好；2、Co基非晶態(tài)合金具有高磁導率、低矯頑力的特性；基非晶態(tài)合金具有高磁導率、低矯頑力的特性；3、 Fe基非晶態(tài)合金具有高飽和磁感應強度和低損耗特性；基非晶態(tài)合金具有高飽和磁感應強度和低損耗特性；如果能夠把這三者的優(yōu)點糅合在一起就可能制成如果能夠把這三者的優(yōu)點糅合在一起就可能制成高飽和磁化強度、高飽和磁化強度、高初始磁導率、低矯頑力和高穩(wěn)定性高初始磁導率、低矯頑力和高穩(wěn)定性的優(yōu)質軟磁材料的優(yōu)質軟磁材料目前開發(fā)比較成功的納米晶軟磁材料主要有目前開發(fā)比較成功的納米晶軟磁材料主要有Fe-Cu-M-Si-B系和系和Fe-M-B系納米微晶軟磁材料，典

41、型成分為系納米微晶軟磁材料，典型成分為Fe73.5Cu1Nb3Si3.5B9 （Finement）Finement合金采用非晶晶化法制備合金采用非晶晶化法制備其結構為在非晶態(tài)基體上均其結構為在非晶態(tài)基體上均勻分布著晶粒尺寸為勻分布著晶粒尺寸為1020nm的的 -Fe(Si)單一固溶體結單一固溶體結構；構；晶體相是含晶體相是含Si為為20的的 -Fe固溶體，體積約占固溶體，體積約占7080，晶間層為體積約占晶間層為體積約占2030的的近似非晶結構；近似非晶結構；Cu和和Nb是形成納米晶的關是形成納米晶的關鍵元素鍵元素Fe73.5Cu1Nb3Si3.5B9的磁性能為：的磁性能為：BS1.2T， i=80000，HC=0.32A/m，高頻損耗低至，高頻損耗低至P0.5T/20KHz=30W/Kg，電阻率，電阻率 80cm世界自然保護基金組織在世界自然保護基金組織在“解決全球溫室效應解決全球溫室效應”綱要中指出：綱要中指出：“非晶、納米晶材料是一種很有希望節(jié)能的新材料非晶、納米晶材料是一種很有希望節(jié)能的新材料”在電力電工領域，采用非晶納米晶軟磁合金作為鐵芯材料的變在電力電工領域，采用非晶納米晶軟磁合金作為鐵芯材料的變壓器，其壓器，其空載損耗可比同容量的硅鋼芯變壓器降低空載損耗可比同容量的硅鋼芯變壓器降低6080。美國通過使用這種變壓器每年可節(jié)約近美國通過使用這種變壓器每