软磁材料及应用课件.ppt

2.1 概述2.2 软磁材料理论基础2.3 金属软磁材料2.4 非晶、纳米晶软磁材料2.5 铁氧体软磁材料Part 2 软软磁磁材料软磁材料： 金属软磁 铁氧体软磁特性要求起始磁导率(i)、磁损耗(tg)、温度稳定性()、减落(D)、磁老化(Ia)截止频率(fr)理论基础磁性、结构磁化机制提高磁性能方法、措施配方、工艺目标方案技术途径2.1 2.1 概述概述能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料软磁材料分类及特性要求软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁导率i高，矫顽力Hc小，既容易获得也容易失去磁性，是极其重要的一类磁性材料按电阻率的不同，软磁材料可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材铁氧体软磁材料料两大类，金属软磁材料由于其电阻率较低而主要应用于频率较低的场合，铁氧体软磁材料则在频率较高的场合被广泛采用 衡量软磁材料性能优劣的主要参数：起始磁导率(i)、磁损耗(tg)、温度稳定性()、减落(D)、磁老化(Ia)截止频率(fr) 起始磁导率(i)处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率成为复数，其中表征储能特性，而表征能量损耗特征对于环形软磁样品，可等效为串联电路，则电感量Lx及表征磁损耗的等效电阻Rx可分别写为：式中 l：磁芯有效长度，N：线圈匝数，A：磁芯有效截面积，：工作角频率一般情况下，i高的材料，其e、m、也较高。

因此，通常把i作为软磁材料的基本特性参数之一，它是一个没有量纲的系数 磁损耗4处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会损耗能量，用tg来表征这种磁损耗B=B0sin(t-)H=H0sint =B/0H 温度稳定性 4软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比，最常用的是磁导率的温度系数 式中：温度为时的磁导率；ref：温度为ref时的磁导率 在实际应用中，也常用比温度系数 /i来表征软磁材料的温度特性，因为对于某种软磁材料而言，比温度系数u/i与形状和尺寸无关，是一个常数，希望这个常数越小越好 磁导率的减落 4软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降，这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化，它是材料的不稳定性之一，可以用下面三个参数来表示材料的减落特征： (1) 减落D：定义为在磁正常状态化之后，恒定温度下经过 一定的时间间隔 (t1-t2)，材料磁导率的相对减小。

式中 1、2分别为给定时间间隔开始(t1)和结束(t2)时的磁导 率值 (2) 减落系数d：定义为在磁正常状态化之后出现的减 落除以两次测量时间之比的对数 (3) 减落因子DF：定义为减落系数与开始测量时间(t1)测 得的磁导率之比 磁老化 4软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示式中1、2分别为老化前后测得的磁导率 老化系数的大小与材料值和制造工艺有关，一般地说高材料的老化系数较大，而如果采用高温淬火工艺制造的软磁材料，则由于保持了高温状态下的一些结构，故有一个向稳定状态过渡的过程，从而造成老化现象较严重 截止频率 44由于软磁材料畴壁共振及自然共振的由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的影响，使软磁材料的 值下降为起始值下降为起始值的一半且值的一半且 达到峰值时的频率达到峰值时的频率，称为截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关，各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高则应用频率的上限越高 除了上述六个参数以外，软磁材料在不同的应用场合还会有一些特殊的要求，如在高频大功率下工作时，要求材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率m要高，并且衡量软磁材料性能的其它参数还有饱和磁致伸缩系数s，居里点Tc，密度d，电阻率以及介电常数等，都会因特定的需要而提出相应的要求。

f小结4贮能高 高的饱和磁感应强度4灵敏度高 初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率4效率高 Hc低，电阻率高，损耗小4回线矩形比高4稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性2.2.2 提高软磁特性的措施 2.2 2.2 软磁材料理论基础软磁材料理论基础一、铁磁金属的结构和磁性（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性4 铁Fe（常压下）： 温度912体心立方（bcc）， 铁磁性的Fe， 居里温度为770 ， 易磁化方向为, 难磁化方向为 912 温度1394 面心立方, 顺磁性的Fe 温度1394 体心立方 顺磁性的Fe熔点: 1538 1001114镍 Ni （常压下）： 在常压下，在熔点以温范围内，均是面心立结构（fcc）;镍为铁磁性金属居里点为358易磁化方向为难磁化方向为 100111熔点: 1453 4 钴Co （常压下）： 温度450 简单六方结构铁磁性的- Co居里点为1117易磁化方向为难磁化方向为和1010 温度450 至熔点面心立方 - Co112010100001轴 和1010简单六方体心立方面心立方Fe、Ni、Co铁磁金属小结FeNiCo2.2B1.7B0.7B43d过渡族元素的磁性来源Fe、Ni、Co ： 3d电子的交换相互作用，铁磁性 （2.2B,0.6B,1.7B)Cr、Mn： 3d电子的直接交换相互作用，反铁磁性Cr、Mn的合金或化合物： 3d电子的超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性、稀土族元素的结构和磁性 结构 主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素， 加上性质类似的Y和Sc；晶体结构大都为密排六方结构。

磁性4Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁矩的取向随温度而变4Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性4重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁 磁性4Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩Yb思考题：为什么 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素， 但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩？稀土元素用途大多数稀土元素呈现顺磁性钆在0时比铁具更强的铁磁性铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的高蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大差异钐、铕、钇的热中子吸收截面比广泛用于核反应堆控制材料的镉、硼还大稀土金属具有可塑性，以钐和镱为最好除镱外，钇组稀土较铈组稀土具有更高的硬度稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等常用的氯化物体系为KCl-RECl3他们在工农业生产和科研中有广泛的用途，在钢铁、铸铁和合金中加入少量稀土能大大改善性能。

用稀土制得的磁性材料其磁性极强，用途广泛在化学工业中广泛用作催化剂稀土氧化物是重要的发光材料、激光材料 二、合金的组成1、基本概念4合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金 属元素组成的具有金属特性的物质4组元：组成合金最基本的、独立的单元可以 是金属元素，也可以是化合物4相： 合金中具有相同的化学成分和结构并有界 面隔开的独立均匀部分4组织：材料内部的微观形貌图象2、合金的基本相根据结构的基本特点分为固溶体金属间化合物(1) 固溶体：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组 成的单一均匀固体（合金相） 溶质只能以原子状态溶解，在结构上必 须保持溶剂组元的点阵类型工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成例如，广泛用的碳钢和合金钢，均以固溶体为基体相，其含量占组织中的绝大部分 据溶剂类型一次固溶体二次固溶体按固溶度有限固溶体无限固溶体按溶质原子的占位置换固溶体间隙固溶体按溶剂、溶质原子间相对分布无序固溶体有序固溶体固溶体分类如黄铜中，锌置换了铜原子如铁中，碳原子处在铁原子排列的间隙处金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时，金属与金属或非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构的化合物。

这些化合物统称为金属间化合物 稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5、Sm2Co17 、Nd2Fe14B就是典型的例子 金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律三、合金的磁性43d过渡族合金的结构和磁性4稀土族合金的结构和磁性4固溶体的结构和磁性1、3d过渡族合金的结构和磁性 多为无序固溶体，且多显示铁磁性； 合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系（p215)2.稀土族合金的结构和磁性 多为固溶体和金属间化合物目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料 晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构 轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合3 固溶体的结构和磁性 磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物4形成 置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。

4形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大4有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变4本征磁特性；二次磁特性影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗（一）、影响磁导率的因素4机理： 可逆磁畴转动 可逆畴壁位移 动力：饱和磁化强度 阻力：内应力、参杂、空泡、晶界1、可逆磁畴转动2、可逆畴壁位移 其中畴壁厚度杂质直径杂质体积浓度i = i 转+ i位2.2.2 提高软磁特性的措施决定磁性材料的因素4Ms;饱和磁化强度4K; 磁晶各向异性常数4; 磁致伸缩系数4Material microstructures (crystal defects, impurities, presence of 2nd phase); 晶格缺陷、杂质、第二相4Heat treatments (with and without H applied); 场退火4Grain sizes;晶粒尺寸4Magnetization mechanism (domain wall displacement or domain rotation) 磁化机制3.10。