磁性材料

實(shí)驗(yàn)表明，任何物質(zhì)在外磁場中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據(jù)物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可分為五類:順磁性物質(zhì)，抗磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)，亞鐵磁性物質(zhì)，反磁性物質(zhì)。

根據(jù)分子電流假說，物質(zhì)在磁場中應(yīng)該表現(xiàn)出大體相似的特性，但在此告訴我們物質(zhì)在外磁場中的特性差別很大。這反映了分子電流假說的局限性。實(shí)際上，各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)是有差異的，這種物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性是物質(zhì)磁性差異的原因。

我們把順磁性物質(zhì)和抗磁性物質(zhì)稱為弱磁性物質(zhì)，把鐵磁性物質(zhì)稱為強(qiáng)磁性物質(zhì)。

通常所說的磁性材料是指強(qiáng)磁性物質(zhì)。磁性材料按磁化后去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物質(zhì)叫軟磁性材料，不容易去磁的物質(zhì)叫硬磁性材料。一般來講軟磁性材料剩磁較小，硬磁性材料剩磁較大。

磁電共存這一基本規(guī)律導(dǎo)致了磁性材料必然與電子技術(shù)相互促進(jìn)而發(fā)展，例如光電子技術(shù)促進(jìn)了光磁材料和磁光材料的研制。磁性半導(dǎo)體材料和磁敏材料和器件可以應(yīng)用于遙感、遙則技術(shù)和機(jī)器人。人們正在研究新的非晶態(tài)和稀土磁性材料(如FeNa合金)。磁性液體已進(jìn)入實(shí)用階段。某些新的物理和化學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)(如拓?fù)湫?yīng))也給新材料的研制和應(yīng)用(如磁聲和磁熱效應(yīng)的應(yīng)用)提供了條件。

1、軟磁材料的發(fā)展

軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)末。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細(xì)小的鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等。到20世紀(jì)初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至21世紀(jì)，硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20世紀(jì)20年代，無線電技術(shù)的興起，促進(jìn)了高導(dǎo)磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)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(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進(jìn)入70年代，隨著電訊、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了另一類材料--非晶態(tài)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(gòu)成磁性材料的基本組元。 按(主要成分、磁性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn))制品形態(tài)分類:

(1) 粉芯類: 磁粉芯，包括:鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、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:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金

2、含自由基磁性高分子

一種形成有機(jī)自旋體系的方法是使有機(jī)自由基形成一定的有序結(jié)構(gòu)，進(jìn)而表現(xiàn)出鐵磁性?？梢栽O(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，通過氫鍵使自由基相互連接，得到磁有序狀態(tài)，第一個(gè)通過氫鍵組合自由基形成的有機(jī)鐵磁體是在1994年由Sugawara等合成的。之后，Veciana等也制備了幾種類似結(jié)構(gòu)的苯基硝基硝氧基自由基的衍生物，其中一種間位結(jié)構(gòu)的RSNN在0.45k有鐵磁性的相轉(zhuǎn)變。

另一種方法是制備成高分子使有機(jī)自由基穩(wěn)定并呈現(xiàn)鐵磁性有序。從合成有機(jī)聚合物鐵磁體來看，聚二乙炔衍生物要比聚乙炔衍生物更易使其中的自由基穩(wěn)定和呈現(xiàn)鐵磁性。將含有有機(jī)自由基的單體聚合，通過高分子鏈的傳遞作用使自由基中的電子自旋發(fā)生耦合，從而表現(xiàn)出宏觀的磁性。如Ovchinnikov等在1987年制備的第一個(gè)有機(jī)磁性高分子BIPO，單體分子中具有兩個(gè)可進(jìn)行聚合反應(yīng)的三鍵，以及兩個(gè)帶有哌啶環(huán)的亞硝酰穩(wěn)定的自由基。Ovchinnikov提出了超交換模型，從理論上分析了這種含自由基的高分子的磁性來源。更多內(nèi)容參照劉爽老師論文。

磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.5~5 微米)，又被非磁性電絕緣膜物質(zhì)隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率;另一方面由于顆粒之間的間隙效應(yīng)，導(dǎo)致材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性;又由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率的變化也就較為穩(wěn)定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導(dǎo)磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數(shù)、絕緣介質(zhì)的含量、成型壓力及熱處理工藝等。

常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 磁芯的有效磁導(dǎo)率μe及電感的計(jì)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(shù)，S為磁芯有效截面積(cm2)。

常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構(gòu)成。在粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.4T左右;磁導(dǎo)率范圍從22~100;初始磁導(dǎo)率μi隨頻率的變化穩(wěn)定性好;直流電流疊加性能好;但高頻下?lián)p耗高。鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨直流磁場強(qiáng)度的變化。鐵粉芯初始磁導(dǎo)率隨頻率的變化

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(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在7500Gs左右;磁導(dǎo)率范圍大，從14~550;在粉末磁芯中具有最低的損耗;溫度穩(wěn)定性極佳，廣泛用于太空設(shè)備、露天設(shè)備等;磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生。主要應(yīng)用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應(yīng)負(fù)載線圈、諧振電路、在對溫度穩(wěn)定性要求高的LC電路上常用、輸出電感、功率因素補(bǔ)償電路等， 在AC電路中常用, 粉芯中價(jià)格最貴。

高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點(diǎn)是:飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在15000Gs 左右;磁導(dǎo)率范圍從14~160;在粉末磁芯中具有最高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最高的直流偏壓能力;磁芯體積小。主要應(yīng)用于線路濾波器、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。價(jià)格低于MPP。

(Kool Mμ Cores)

鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構(gòu)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(dǎo)磁率從26~125;磁致伸縮系數(shù)接近0，在不同的頻率下工作時(shí)無噪聲產(chǎn)生;比MPP有更高的DC偏壓能力;具有最佳的性能價(jià)格比。主要應(yīng)用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時(shí)也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。

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，采用粉末冶金方法生產(chǎn)。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)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(yīng)用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導(dǎo)率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因?yàn)槭菬Y(jié)物硬度大、對應(yīng)力不敏感，在應(yīng)用上很方便。而且磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現(xiàn)，磁粉芯的生產(chǎn)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(nèi)外鐵氧體的生產(chǎn)廠家很多，在此僅以美國的Magnetics公司生產(chǎn)的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應(yīng)用狀況。分為三類基本材料:電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。

電信用鐵氧體的磁導(dǎo)率從750~2300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導(dǎo)率隨溫度/時(shí)間關(guān)系， 是磁導(dǎo)率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%~4%。廣泛應(yīng)用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負(fù)載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導(dǎo)磁率鐵氧體，磁導(dǎo)率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導(dǎo)率、高阻抗/頻率特性。廣泛應(yīng)用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護(hù)器、絕緣變壓器、信號(hào)及脈沖變壓器，在寬帶變壓器和EMI上多用。功率鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，為4000~5000Gs。另外具有低損耗/頻率關(guān)系和低損耗/溫度關(guān)系。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(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因素校正電路。

硅鋼片是一種合金，在純鐵中加入少量的硅(一般在4.5%以下)形成的鐵硅系合金稱為硅鋼。該類鐵芯具有最高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值為20000Gs;由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價(jià)格便宜，機(jī)械應(yīng)力影響小等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子行業(yè)中獲得極為廣泛的應(yīng)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(chǎn)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。常用的有冷軋硅鋼薄板DG3、冷軋無取向電工鋼帶DW、冷軋取向電工鋼帶DQ，適用于各類電子系統(tǒng)、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，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下?lián)p耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。從應(yīng)用角度看，對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素:磁性和成本。對小型電機(jī)、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片;對于大型電機(jī)，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片;對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時(shí)，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米;在400Hz下使用時(shí)，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價(jià)格越高。

坡莫合金鐵芯

坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應(yīng)用非常廣泛的軟磁合金。通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢杂行У乜刂拼判阅?，比如超過105的初始磁導(dǎo)率、超過106的最大磁導(dǎo)率、低到2‰奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數(shù)，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)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(tài)。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比硅鋼稍低一些，但磁導(dǎo)率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護(hù)開關(guān)鐵芯、共模電感鐵芯及電流互感器鐵芯。1J85 的初始磁導(dǎo)率可達(dá)十萬105以上，適合于作弱信號(hào)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、非晶及納米晶軟磁合金(Amorphous and Nanocrystalline alloys)

硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態(tài)材料，原子在三維空間做規(guī)則排列，形成周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯(cuò)、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學(xué)上來說，原子不規(guī)則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)對獲得優(yōu)異軟磁性能是十分理想的。非晶態(tài)金屬與合金是70年代問世的一個(gè)新型材料領(lǐng)域。它的制備技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術(shù)，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制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(tǒng)冶金工藝的一項(xiàng)革命。由于超急冷凝固，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)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(xué)的一項(xiàng)革命。這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。21世紀(jì)，美、日、德國有完善的生產(chǎn)規(guī)模，并且大量的非晶合金產(chǎn)品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。

中國自從70年代開始了非晶態(tài)合金的研究及開發(fā)工作，經(jīng)過"六五"、"七五"、"八五"期間的重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的完成，共取得科研成果134項(xiàng)，國家發(fā)明獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲專利16項(xiàng)，已有近百個(gè)合金品種。

70年代后，非晶軟磁合金所達(dá)到的最好單項(xiàng)性能水平為:

初始磁導(dǎo)率 μo = 14 × 104

鈷基非晶最大磁導(dǎo)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(qiáng)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納米晶合金。其國家牌號(hào)及性能特點(diǎn)見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應(yīng)性能。這幾類材料各有不同的特點(diǎn)，在不同的方面得到應(yīng)用。

牌號(hào)基本成分和特征:

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 系快淬軟磁鐵基納米晶合金

1K201 高脈沖磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金

1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金

1K205 高起始磁導(dǎo)率快淬軟磁鈷基合金

1K206 淬態(tài)高磁導(dǎo)率軟磁鈷基合金

1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

1K502 Fe-Ni-V-Si-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金

400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯

功率(W) 45 45

鐵芯損耗(W) 2.4 1.3

激磁功率(VA) 6.1 1.3

總重量(g) 295 276

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得具有類似人的智能的新型的包括磁性材料在內(nèi)的智能材料在科學(xué)研究中出現(xiàn)，并在高新技術(shù)等許多方面得到應(yīng)用。就在具有強(qiáng)磁性或含有強(qiáng)磁性元 素的智能磁性材料中，就研究出具有形狀記憶智能的磁智能材料，并得到或?qū)⒌玫街匾膽?yīng)用。例如，利用鎳-鈦(Ni-Ti)系形狀記憶智能磁性材料研制試驗(yàn)了宇宙飛船的無線電通信天線，其制法和應(yīng)用的示意圖如附圖所示。首先前Ni-Ti合金絲加熱到65℃高溫，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體物相(圖中a)，然后將合金絲冷卻，冷卻到65℃以下合金絲轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌奈锵囫R氏體。在室溫下將馬氏體合金絲切成許多小段，再把這些合金絲彎成天線形狀，并將天線中各小段相互交叉處焊接固定(圖中b)，然后把這天線壓成小團(tuán)，使天線的線度減小到十分之一，以便于宇宙飛船攜帶(圖中c)。當(dāng)需要使用天線時(shí)，只需把這天線小團(tuán)加熱到77℃，使馬氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，天線便會(huì)自動(dòng)張開，完全恢復(fù)天線原來的大小和形狀(圖中d)。從這個(gè)例子可以看出形狀記憶智能磁性材料的重要應(yīng)用。此外，形狀記憶智能磁性材料還可應(yīng)用于飛機(jī)的輸液管道密封接頭，多種電子裝置和衛(wèi)星閉鎖裝置，醫(yī)學(xué)上人工肢體關(guān)節(jié)接合器和骨骼折斷部分接合器等。