1樓：小歆嵩
磁性材料
一. 磁性材料的
基本特性
1. 磁性材料的磁化曲線
磁性材料是由鐵磁性物質或亞鐵磁性物質組成的，在外加磁場h 作用下，必有相應的磁化強度m 或磁感應強度b，它們隨磁場強度h 的變化曲線稱為磁化曲線（m～h或b～h曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現象及磁滯現象。
即當磁場強度h足夠大時，磁化強度m達到一個確定的飽和值ms，繼續增大h，ms保持不變；以及當材料的m值達到飽和後，外磁場h降低為零時，m並不恢復為零，而是沿m**r曲線變化。材料的工作狀態相當於m～h曲線或b～h曲線上的某一點，該點常稱為工作點。
2. 軟磁材料的常用磁效能引數
飽和磁感應強度bs：其大小取決於材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化向量整齊排列。
剩餘磁感應強度br：是磁滯回線上的特徵引數，h回到0時的b值。
矩形比：br∕bs
矯頑力hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決於材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。
磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的b與h的比值，與器件工作狀態密切相關。
初始磁導率μi、最大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈衝磁導率μp。
居里溫度tc：鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發磁化消失，轉變為順磁性，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。
損耗p：磁滯損耗ph及渦流損耗pe p = ph + pe = af + bf2+ c pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，
磁滯損耗ph的方法是降低矯頑力hc；降低渦流損耗pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關係為：
總功率耗散（mw）/表面積（cm2）
3. 軟磁材料的磁性引數與器件的電氣引數之間的轉換
在設計軟磁器件時，首先要根據電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程並拿握材料的磁性引數與器件電氣引數的轉換關係。
設計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據磁性引數要求，模擬磁芯的工作狀態得到相應的電氣引數。
二、軟磁材料的發展及種類
1. 軟磁材料的發展
軟磁材料在工業中的應用始於19世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起，開始使用低碳鋼製造電機和變壓器，在**線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等。到20世紀初，研製出了矽鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。
直至現在矽鋼片在電力工業用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術的興起，促進了高導磁材料的發展，出現了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學技術飛速發展的時期，雷達、電視廣播、積體電路的發明等，對軟磁材料的要求也更高，生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。
進入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機等行業的發展，研製出了磁頭用軟磁合金，除了傳統的晶態軟磁合金外，又興起了另一類材料—非晶態軟磁合金。
2. 常用軟磁磁芯的種類
鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構成磁性材料的基本組元。
按（主要成分、磁性特點、結構特點）製品形態分類：
(1) 粉芯類： 磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵矽鋁粉芯、高磁通量粉芯（high flux）、坡莫合金粉芯（mpp）、鐵氧體磁芯
(2) 帶繞鐵芯：矽鋼片、坡莫合金、非晶及奈米晶合金
三 常用軟磁磁芯的特點及應用
(一) 粉芯類
1. 磁粉芯
磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料。由於鐵磁性顆粒很小（高頻下使用的為0.5～5 微米），又被非磁性電絕緣膜物質隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用於較高頻率；另一方面由於顆粒之間的間隙效應，導致材料具有低導磁率及恆導磁特性；又由於顆粒尺寸小，基本上不發生集膚現象，磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。
主要用於高頻電感。磁粉芯的磁電效能主要取決於粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充係數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等。
常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵矽鋁粉芯三種。
磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為： μe = dl/4n2s × 109
其中：d 為磁芯平均直徑（cm），l為電感量（享），n 為繞線匝數，s為磁芯有效截面積（cm2）。
(1) 鐵粉芯
常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成。在粉芯中**最低。飽和磁感應強度值在1.
4t左右；磁導率範圍從22～100；初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好；直流電流疊加效能好；但高頻下損耗高。
鐵粉芯初始磁導率隨直流磁場強度的變化
鐵粉芯初始磁導率隨頻率的變化
(2). 坡莫合金粉芯
坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（mpp）及高磁通量粉芯（high flux）。
mpp 是由81%ni、2%mo及fe粉構成。主要特點是：飽和磁感應強度值在7500gs左右；磁導率範圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩定性極佳，廣泛用於太空裝置、露天裝置等；磁致伸縮係數接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產生。
主要應用於300khz以下的高品質因素q濾波器、感應負載線圈、諧振電路、在對溫度穩定性要求高的lc電路上常用、輸出電感、功率因素補償電路等, 在ac電路中常用, 粉芯中**最貴。
高磁通粉芯hf是由50%ni、50%fe粉構成。主要特點是：飽和磁感應強度值在15000gs 左右；磁導率範圍從14～160；在粉末磁芯中具有最高的磁感應強度，最高的直流偏壓能力；磁芯體積小。
主要應用於線路濾波器、交流電感、輸出電感、功率因素校正電路等, 在dc 電路中常用，高dc 偏壓、高直流電和低交流電上用得多。**低於mpp。
(3) 鐵矽鋁粉芯（kool mμ cores）
鐵矽鋁粉芯由9%al、5%si, 85%fe粉構成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8khz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05t 左右；導磁率從26～125；磁致伸縮係數接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比mpp有更高的dc偏壓能力；具有最佳的效能**比。
主要應用於交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。
2. 軟磁鐵氧體（ferrites）
軟磁鐵氧體是以fe2o3為主成分的亞鐵磁性氧化物，採用粉末冶金方法生產。有mn-zn、cu-zn、ni-zn等幾類，其中mn-zn鐵氧體的產量和用量最大，mn-zn鐵氧體的電阻率低，為1～10 歐姆-米，一般在100khz 以下的頻率使用。cu-zn、ni-zn鐵氧體的電阻率為102～104 歐姆-米，在100khz～10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。
磁芯形狀種類豐富，有e、i、u、ec、etd形、方形（rm、ep、pq）、罐形（pc、rs、ds）及圓形等。在應用上很方便。由於軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率，粉末冶金方法又適宜於大批量生產，因此成本低，又因為是燒結物硬度大、對應力不敏感，在應用上很方便。
而且磁導率隨頻率的變化特性穩定，在150khz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現，磁粉芯的生產大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。
國內外鐵氧體的生產廠家很多，在此僅以美國的mag***ics公司生產的mn-zn鐵氧體為例介紹其應用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬頻及emi材料、功率型材料。
電信用鐵氧體的磁導率從750～2300, 具有低損耗因子、高品質因素q、穩定的磁導率隨溫度/時間關係, 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用於高q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近感測器。寬頻鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000。
其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性。廣泛應用於共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、訊號及脈衝變壓器，在寬頻變壓器和emi上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應強度，為4000～5000gs。
另外具有低損耗/頻率關係和低損耗/溫度關係。也就是說，隨頻率增大、損耗上升不大；隨溫度提高、損耗變化不大。廣泛應用於功率扼流圈、並列式濾波器、開關電源變壓器、開關電源電感、功率因素校正電路。
(二) 帶繞鐵芯
1. 矽鋼片鐵芯
矽鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的矽（一般在4.5%以下）形成的鐵矽系合金稱為矽鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應強度值為20000gs；由於它們具有較好的磁電效能，又易於大批生產，**便宜，機械應力影響小等優點，在電力電子行業中獲得極為廣泛的應用，如電力變壓器、配電變壓器、電流互感器等鐵芯。
是軟磁材料中產量和使用量最大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量最大的材料。特別是在低頻、大功率下最為適用。
常用的有冷軋矽鋼薄板dg3、冷軋無取向電工鋼帶dw、冷軋取向電工鋼帶dq，適用於各類電子系統、家用電器中的中、小功率低頻變壓器和扼流圈、電抗器、電感器鐵芯，這類合金韌性好，可以衝片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下損耗急劇增加，一般使用頻率不超過400hz。從應用角度看，對矽鋼的選擇要考慮兩方面的因素：
磁性和成本。對小型電機、電抗器和繼電器，可選純鐵或低矽鋼片；對於大型電機，可選高矽熱軋矽鋼片、單取向或無取向冷軋矽鋼片；對變壓器常選用單取向冷軋矽鋼片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.
2~0.35毫米；在400hz下使用時，常選0.1毫米厚度為宜。
厚度越薄，**越高。
2. 坡莫合金
坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%範圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁效能，比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形係數，具有面心立方晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。
常用的合金有1j50、1j79、1j85等。1j50 的飽和磁感應強度比矽鋼稍低一些，但磁導率比矽鋼高几十倍，鐵損也比矽鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000hz)的變壓器，空載電流小，適合製作100w以下小型較高頻率變壓器。
1j79 具有好的綜合效能，適用於高頻低電壓變壓器，漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1j85 的初始磁導率可達十萬105以上，適合於作弱訊號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。
3. 非晶及奈米晶軟磁合金（amorphous and nanocrystalline alloys）
矽鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料，原子在三維空間做規則排列，形成週期性的點陣結構，存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁效能不利。從磁性物理學上來說，原子不規則排列、不存在週期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁效能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域。
它的製備技術完全不同於傳統的方法，而是採用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶製造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由於超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的效能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合效能等。
由於它的效能優異、工藝簡單，從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。目前美、日、德國已具有完善的生產規模，並且大量的非晶合金產品逐漸取代矽鋼和坡莫合金及鐵氧體湧向市場。
我國自從70年代開始了非晶態合金的研究及開發工作，經過「六五」、「七五」、「八五」期間的重大科技攻關專案的完成，共取得科研成果134項，國家發明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現具有4條非晶合金帶材生產線、一條非晶合金元器件鐵芯生產線。生產各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和奈米晶帶材及鐵芯，適用於逆變電源、開關電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產值近2000萬元。
「九五」正在建立千噸級鐵基非晶生產線，進入國際先進水平行列。
目前，非晶軟磁合金所達到的最好單項效能水平為：
初始磁導率 μo = 14 × 104
鈷基非晶最大磁導率 μm= 220 × 104
鈷基非晶矯頑力 hc = 0.001 oe
鈷基非晶矩形比 br/bs = 0.995
鈷基非晶飽和磁化強度 4πms = 18300gs
鐵基非晶電阻率 ρ= 270μω/cm
常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基奈米晶合金。其國家牌號及效能特點見表及圖所示，為便於對比，也列出晶態合金矽鋼片、坡莫合金1j79 及鐵氧體的相應效能。
這幾類材料各有不同的特點，在不同的方面得到應用。
牌號基本成分和特徵：
1k101 fe-si-b 系快淬軟磁鐵基合金
1k102 fe-si-b-c 系快淬軟磁鐵基合金
1k103 fe-si-b-ni 系快淬軟磁鐵基合金
1k104 fe-si-b-ni mo 系快淬軟磁鐵基合金
1k105 fe-si-b-cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金
1k106 高頻低損耗fe-si-b 系快淬軟磁鐵基合金
1k107 高頻低損耗fe-nb-cu-si-b 系快淬軟磁鐵基奈米晶合金
1k201 高脈衝磁導率快淬軟磁鈷基合金
1k202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金
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