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磁性材料


磁性材料研究现状

学生:万仁远 学 专 班级:非金 131 号:13031080117 业:无机非金属

四川理工学院材料与化学工程学院





本文主要介绍磁性材料的发展和研究现状。软磁材料的基本性能是:矫顽力小、磁导率高 和损耗小。铍莫合金的特性和发展,非晶态软磁材料的分类和应用。永磁材料的进展和未来 方向。

前言:磁性材料进展与分类
磁是自然界中普遍存在的物质的基本属性,人类对自然界磁性的宏观认识与利用已逾千年, 17 世纪英国 W.Gilbert(论磁体)对静磁现象进行了概括与归纳,1907 年 P.Weiss 提出了分子场 理论、磁畴理论, 1940 年 Brown 的微磁学理论。 20 世纪量子力学的呈现使人类对客观世 界的认识从宏观进入到微观的层次,电子绕原子核循轨运动必然导致电子的轨道磁矩 , 1928 年 Dirac 的量子电动力学理论引入了电子具有自旋磁矩,合理地解释了原子光谱中的精细结 构以及银原子束在非均匀磁场中分裂为双线的现象,因此电荷与自旋成为电子所具有的本征 特性,同年 W.Heisenberg 交换作用理论为铁磁性奠定了微观理论基础,从量子理论出发阐明 了铁磁性来源,表明了 Weiss 假定的分子场实质上是源于交换作用, 1932 年 N'eel 提出了反 铁磁性理论,后经中子衍射实验证实,显然,亚铁磁是反铁磁性的特例,1948 年被用来解释铁氧 体的磁有序结构,磁性材料可定义为磁有序材料:铁磁、反铁磁、亚铁磁、螺旋磁性、超顺磁 性等,这也是磁性材料另一种分类方式。 下表是磁性材料的进展掠影

一.软磁材料
所谓软磁,就是容易磁化也容易退磁 (此处的软硬是指磁性而言的)。软磁材料的基本性 能是:矫顽力(H )小、磁导率高和损耗小。

1.1 金属软磁材料
主要以铁芯形式用在变压器 、 电磁 铁、 电动机 、 发电机和继电器等电工和电子设备 中。 传统的金属软磁材料有电工纯 F e、Fe—N i、Fe·Si、Fe·A I、F e·C o 和 Fe·si.A I 等合 金系列 。 F e·N i 合金 ,就是所说的坡莫合金,它是很重要的一类软材料。在弱磁场磁化下就显示 出高的磁导率和低的矫顽力, 并且具有良好的冷加工性能 。 通过调整成分 (改变 N i 含量 , 添加一种或几种合金元素,如 M o 、C u 、C r 和 T i 等 )和工艺的调控,可以获得各种各 样的具有不同特点的坡莫合金,其品种的繁多,可算软磁材料中之最 。然而其缺点是,因 为它含有较多的贵重金属 N i,故成本比较高,并且生产设备庞大、工艺苛刻 ,磁性受环 境的影响也比较大。我国生产的 Fe—N i 合金,规格牌号齐全,已有颁发标准。可以生产带 材(厚 5μ m )、 扁材、 丝材(直径 0.10~6mm )、 棒材和管材 。 例如 36 坡莫合金,μ 1 为 2. 5~ 3.8m H/m 、μ m 为 25.2~50.3m H/m、He 为 31.84~11.94A/m、Bm 为 1.5T 。 再如含 M o 的 79.4 坡莫合金,为 25.2m H /m 、μ 1 为 125m H/m 、He 为 3.98A /m 、Bm 为 0.87T 。 F e.A l 合金的特点是,不含 N i 和 C o 贵重金属.价格低廉可随 A L 含量的变化得到一系 列比较好的软磁性能电阻率较高,可在高频下工作.比重小,对力的敏感性小.又有较高的 强度和硬度。我国的 F e—A L 合金的部标 (Y B 669—70 )有 4 个牌号.即 1J16、1J13、1J12 和 1J6。例如:1J16 (热轧薄片,o.35m m ).其μ 1 为 3ooooμ o、He 为 0.05 (×7.96A/m )、B 3o 为 6500 (×10 T ).F e—A L 合金的缺点是:磁性不如 F e—N i 合金好,工艺还不够成熟。 Fe·si.A I 合金.曾因脆性大而发展迟缓.后来,由于获得了超细晶粒 (1μ m 以下),加工性 能才得到了很大改善。于是这种饱和磁感高、磁导率大、耐磨性好和电阻率高的软磁材料, 便成为重要的录音和录像磁头材料。下表对几种金属刺头材料做了比较。从图中可以看出, Fe—si—AL 台金的饱和磁感 B,比其它二种材料都高,磁导率也比较高,特别是高频下的磁 导率比其它二者都大。

1.2 纳米晶软磁材料
目前,非晶纳米晶软磁合金材料家族主要有铁基、铁镍基、钴基非晶和铁基纳米晶合金等 4 大类, 非晶纳米晶合金材料用做磁性器件可以有效促进其小型化, 与传统的软磁材料相比,

具有明显的优势。1988 年,最先由 Yoshizawa 将含有 Cu、Nb 的 Fe-Si-B 非晶合金条带退 火,得到非晶机体上均匀分布着无规则取向的粒径为 10 ~ 15nm 的 -Fe(Si)晶粒。典型纳 米晶合金具有优异的综合磁性能,高的磁导率、高额的饱和磁感应强度,但其有效磁导率值 低, 特别是高频范围内高的饱和磁感应强度, 低的损耗。 可取代目前市场上所有的软磁材料, 纳米晶合金的磁导率、 矫顽力接近晶态高坡莫合金及钴基非晶, 且饱和磁感与坡莫合金相当, 热处理工艺简单, 是一种理想的廉价高性能软磁合金材料。 虽然纳米晶合金的饱和磁感应强 度值低于铁基非晶合金和硅钢, 但其在高频损耗远低于他们, 并具有更好的耐腐蚀性和磁稳 定性。纳米晶合金与铁氧体相比,在低于 50KHz 时,损耗更低,同时工作磁感提高 2 ~ 3 倍,磁芯体积可缩小一半以上。被称为“二十一世纪绿色电子材料”,可替代极薄硅钢用于 恶劣工作环境下,广泛应用于电力电子工业以及相关的器件领域,用做电流互感器、开关电 源、逆变电源和程控交换机的变压器、电抗器、滤波器以及抗 EMI 等器件,今后在电子、 信息领域的应用将会越来越广,前景广阔,将大大的促进电子变压器向高频、小型化、片式 化方向发展。

1.3 非晶态软磁材料
20 世纪 70 年代问世的新型软磁材料,通常通过超级冷凝固技术制备,从钢液到薄带成品 一次成型, 比一般冷轧金属薄带制造工艺减少了许多中间工序。 在超级冷凝固时原子来不及 有序排列结晶,得到固态合金原子排列组合具有短程有序、长程无序特点,没有晶态合金的 晶粒、晶界存在,具有与传统材料不同的性能特点,如优异的软磁性能,很好的机械性能, 高的耐腐蚀性、耐磨性、强度、韧性、硬度,高电阻率等。非晶合金通常可归纳为三大类: ①过渡金属一类金属非晶合金,B、C、Si、P 等类金属加入过渡金属中更有利于生成非晶态 合金。②稀土—过渡族非晶合金,如 TbFeCo、GdTbFe 等,可作磁光薄膜材料。③过渡金属 —过渡金属非晶态合金,如 FeZr,CoZr 等,添加一定量的类金属元素可形成非晶态铁磁性 合金 应用: 鉴于非晶纳米晶软磁材料的优异特性, 可应用于电子仪器设备中的大功率中高频变压 器、高频开关电源、电磁兼容器件、高精度电流互感器、高频电流取样器、磁传感器等器件 中。 1.3.1 大功率中高频变压器 纳米晶软磁材料具备的优异性能,为高频变压器的小型化、轻量化提供了理 想材料。用 纳米晶软磁材料制造的变压器具有以下优点:功率大,当 10~ 20 kW 时,功率密度可达 15~ 20 kW/kg; 漏感小: 一般小于 5 H; 效率高: 可达到 90%以上: 体积小、 质量轻 : 15 kW 变 压器的质量仅为 3 kg 左右,体积比铁氧体降低 5O%;温升小:由于纳米晶软磁材料的低损 耗,可大幅度降低发热,从而提高变压器的使用可靠性 。 13.2 高频开关电源 纳米晶软磁材料的薄带厚度和电阻率决定其最佳应用频率范围在 kHz 频带, 这正好与目前 的高频开关电源频带相同,高频开关电源就成了应用非晶纳米晶软磁材料应用的重要领域。 高频开关电源中使用的磁性器件较多, 有效地提高了非晶纳米晶软磁材料及器件的技术与生 产水平。 还有诸如电磁兼容器件; 高精度电流互感器; 高频电流取样器; 巨磁阻抗传感材料及器件。 1.4 铁氧体软磁材料 软磁铁氧体是由锰、镍和铜等二价金属的氧化物和 Fe2O3 组成的材料。软磁铁氧体品种

繁多.其中产量最多应用最广的是锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。软磁铁氧体的 Bm 和μ m 比 金属软磁材料的低,如 Bm 只有金属软磁的 1/3~l/4 。但是电阻率很大,涡流损耗敏小, 很适于高频中应用。软磁铁氧体,主要作为电感元件和磁芯来使用。我国软磁铁氧体发展比 较快。例如 1975 年产量为 2500t,到 90 年代初达 l5000t。预计 1 995 年可达 30000t。我国 铁氧体生产的技术装备跟工业先进国家相比,还有不小差距,有待奋起直追 。

制作方达:一般采用粉末陶瓷工艺制作。此法比较成熟。还有其它一些方法:如喷雾法 、
单晶法、外延法和热等静压法等 。

二.永磁材料
永磁材料主要为 ALNiCo、铁氧体、稀土永磁三大系列,当前以铁氧体与 AlNiCo 稀土永磁为 主.随着稀土永磁材料的开发与生产, 永磁材料性能取得了突破性的进展, 从 1910 年至 1985 年,标志永磁材料主要性能的最大磁能积的进展逐步提高。 从永磁材料磁能积的发展变化来看 永磁材料的发展基本上经历了碳钢 AlNiCo 系合金 铁 氧体 SmCo 系合金 NdFeB 系合金等几个发展阶段单就稀土永磁而言 就经历了三代 其发 展历程如图 1 所示 。

永磁材料的发展先后经历了几个发展阶段。20 世纪 50 年代前为金属永磁的一统天下; 50 80 年代为永磁铁氧体的黄金时代;90 年代以来,纳米结构磁性材料的崛起,成为铁氧体 有力的竞争者 。

永磁材料的应用
永磁材料用十分广泛,小至儿童玩具,大到人造卫星,无处不有。永磁材料是产生磁力的 功能材料,用永磁体组装的永磁元件,可以在有效的空间内提供一个恒定磁场。

表 1.1 永磁材料的应用

结语
20 世纪也许可称为“电荷”的世纪,人们充分地调控电子具有电荷这一自由度,从而实现了 人类社会电气化,创造出从二极管直到超大规模的集成电路、半导体芯片,奠定了信息社会的 基础。本世纪未来也许属于“自旋”的新世纪,人们正在充分地利用、调控电子的另一个本 征的自由度“自旋”,推动社会迈向新的阶段。 参考文献
[1][期刊论文] [2][期刊论文] [3][期刊论文] [4][期刊论文] [5][会议论文] 都有为, DU You-Wei - 《物理》 2000 年 6 期 宫娜, 于彪 - 《商情》 2012 年 44 期 刘亚丕, 何时金, 包大新, 任旭余 - 《磁性材料及器件》 2003 年 3 期 刘亚丕, 何时金, 包大新, 任旭余 - 《磁性材料及器件》 2003 年 1 期 余声明 2002 - 全国高性能永磁材料生产技术及应用与市场研讨会

[6]毛兴宇 铁基纳米晶软磁材料的研究[学位论文]博士 2005 [7]战可涛,郑俊,张慧,段雪,张密林 纳米 BaFe12O19 永磁铁氧体的制备、结构和磁性的研究[期刊论文] 无机化学学报 2002(03) [8]卢志超,周少雄.非晶合金发展的历史、现状与展望 [9]徐泽玮 .新软磁材料和新磁芯结构在电子变器中的应用[j].金属功能材料,2005,12(1):30. [10]李庆 永磁振动发电机的磁路分析及其实验研究[学位论文]硕士 2011


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