2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：軟磁材料

軟磁材料

軟磁材料定義：能夠迅速響應(yīng)外磁場(chǎng)的變化，且能低損耗地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。特點(diǎn)：既容易受外加磁場(chǎng)磁化，又容易退磁。*對(duì)軟磁材料的基本要求有：（1）初始磁導(dǎo)率

i和最大磁導(dǎo)率

max要高；（2）矯頑力Hc要小；（3）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS要高；（4）功率損耗P要低;（5）高的穩(wěn)定性。*主要的軟磁材料：（1）合金－－如硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙臺(tái)斯特合金（Fe-Si-Al）；（2）軟磁鐵氧體－－Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等；（3）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。*發(fā)展史：（1）鐵氧體問(wèn)世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信各領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：其MS遠(yuǎn)高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機(jī)等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點(diǎn)：渦流損耗限制了其在高頻段的應(yīng)用。（2）20世紀(jì)40年代開(kāi)始，軟磁鐵氧體由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)生產(chǎn)。50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨(dú)占鰲頭。（3）1970年，F(xiàn)e-Ni-B非晶態(tài)合金研制成功，1988年，F(xiàn)e-Ni-B-Nb-Cu納米微晶軟磁材料問(wèn)世，90年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵氧體的新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

優(yōu)點(diǎn)：性能上遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體；缺點(diǎn)：性?xún)r(jià)比上尚處于劣勢(shì)。2.1衡量軟磁材料的重要指標(biāo)1、起始磁導(dǎo)率

影響磁導(dǎo)率的因素；提高磁導(dǎo)率的措施；損耗（一）、影響磁導(dǎo)率的因素機(jī)理：可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)可逆疇壁位移動(dòng)力：飽和磁化強(qiáng)度阻力：內(nèi)應(yīng)力、參雜、空泡、晶界

1、可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)

2、可逆疇壁位移

其中疇壁厚度雜質(zhì)直徑雜質(zhì)體積濃度μi=μi轉(zhuǎn)+μi位§2.2.2提高軟磁特性的措施疇壁厚度雜質(zhì)直徑雜質(zhì)體積濃度μi=μi轉(zhuǎn)+μi位決定磁性材料的因素Ms;飽和磁化強(qiáng)度K;磁晶各向異性常數(shù)

;磁致伸縮系數(shù)Materialmicrostructures(crystaldefects,impurities,presenceof2ndphase);晶格缺陷、雜質(zhì)、第二相Heattreatments(withandwithoutHapplied);場(chǎng)退火Grainsizes;晶粒尺寸Magnetizationmechanism(domainwalldisplacementordomainrotation)磁化機(jī)制主要因素：基本上不隨加工條件和應(yīng)用情況變化。次要因素：會(huì)隨加工條件和應(yīng)用情況而變化。2、矯頑力HC量級(jí)：10-1A/m~102A/m*材料內(nèi)部應(yīng)力起伏和雜質(zhì)的含量與分布是影響HC的主要因素。*降低HC的方法與提高

i的方法相一致。3、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS*高的MS

高的

i值；節(jié)省資源，實(shí)現(xiàn)器件的小型化*提高M(jìn)S的方法：選擇適當(dāng)?shù)呐浞匠煞?，但?shí)際上MS值一般不可能有很大的變動(dòng)。4、磁損耗*軟磁材料多用于交流磁場(chǎng)，因此動(dòng)態(tài)磁化造成的磁損耗不可忽視。5、穩(wěn)定性*高穩(wěn)定性是指磁導(dǎo)率的溫度穩(wěn)定性要高，減落要小，隨時(shí)間的老化要盡可能地小，以保證其長(zhǎng)壽命工作于太空、海底、地下和其他惡劣環(huán)境。*影響軟磁材料穩(wěn)定工作的因素：低溫、潮濕、電磁場(chǎng)、機(jī)械負(fù)荷、電離輻射等2.2提高起始磁導(dǎo)率的途徑必要條件：提高M(jìn)S并降低K1、

S的值充分條件：降低雜質(zhì)濃度，提高密度，增大晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力和氣孔的影響。1、提高M(jìn)S*選擇合適的配方可提高材料的MS值，但往往變動(dòng)不大。*選擇配方時(shí)更要考慮K1、

S對(duì)

i的作用。*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS雖然較高，但其K1和

S值太大，因而不宜作為配方的基本成分。2、降低K1和

S*提高

i的最有效方法從配方和工藝上使K1

0、

S0*鐵氧體軟磁材料：配方時(shí)選擇K1和

S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正負(fù)K1、

S補(bǔ)償或添加非磁性金屬離子沖淡磁性離子間的耦合作用。*例：Fe-Ni合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ni81%時(shí)，

S

0；Ni76%時(shí)，K1

0；Ni78.5%Fe-Ni合金經(jīng)過(guò)熱處理后，

i可達(dá)104

*選擇適當(dāng)合金成分和熱處理?xiàng)l件可以控制K1和

S在較低值3、改善材料的顯微結(jié)構(gòu)*材料的顯微結(jié)構(gòu)是指結(jié)晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性、織構(gòu)等)、晶界狀態(tài)、雜質(zhì)和氣孔的大小與分布等。*雜質(zhì)、氣孔的含量與分布是影響

i的重要因素。

降低雜質(zhì)、氣孔的方法：原材料、燒結(jié)溫度及熱處理?xiàng)l件的選擇*平均晶粒尺寸對(duì)

i的影響很大，晶粒尺寸增大，晶界對(duì)疇壁位移的阻滯作用減小，

i升高。例：MnZn鐵氧體尺寸5m以下時(shí)，

i～500；尺寸在5m以上時(shí)，

i～3000

*晶粒尺寸長(zhǎng)大的方法：適當(dāng)提高燒結(jié)溫度，但溫度過(guò)高，便會(huì)形成氣孔，導(dǎo)致

i下降。*材料的織構(gòu)化，包括結(jié)晶織構(gòu)和磁疇織構(gòu)，都可提高

i4、降低內(nèi)應(yīng)力

*根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的不同來(lái)源，可采用不同的方法：(1)磁致