1、第4章 軟磁材料衡量軟磁材料的重要指標衡量軟磁材料的重要指標提高起始磁導率的途徑提高起始磁導率的途徑金屬軟磁材料金屬軟磁材料鐵氧體軟磁材料鐵氧體軟磁材料非晶及納米晶軟磁材料非晶及納米晶軟磁材料本章講述的主要內容：本章講述的主要內容：能夠迅速響應外磁場的變化，且能低能夠迅速響應外磁場的變化，且能低耗損地獲得高磁感應強度的材料。耗損地獲得高磁感應強度的材料。4.1 衡量軟磁材料的重要指標起始磁導率起始磁導率高高 矯頑力矯頑力HC 小飽和磁感應強度飽和磁感應強度MS 高磁損耗磁損耗小小 穩定性穩定性好好 與MS平方成正比；與K1和S成反比；與內應力和雜質濃度成反比 降低HC的方法與提高i的方法相一致

2、 調節配方4.2提高起始磁導率的途徑降低磁晶各向異性常數降低磁晶各向異性常數K1和磁致伸縮系數和磁致伸縮系數S 改善材料的顯微結構改善材料的顯微結構 降低內應力降低內應力 提高飽和磁化強度提高飽和磁化強度MS MS很難調整，效果不明顯是最有效的方法，從配方和工藝上使K10，S0 降低雜質和氣孔的含量，增大晶粒尺寸，材料的織構化4.3 金屬軟磁材料電工純鐵硅鋼坡莫合金其它軟磁合金鐵鋁合金 鐵硅鋁合金 鐵鈷合金 4.3.1電工純鐵指純度在指純度在99.8以上的鐵以上的鐵 是最早，最常用的純金屬軟磁材料是最早，最常用的純金屬軟磁材料 面心立方面心立方 體心立方體心立方升溫、加壓升溫、加壓降溫、降壓降

3、溫、降壓結構與磁性的變化相結構隨溫度和壓力變化相結構隨溫度和壓力變化結構和磁性隨溫度變化結構和磁性隨溫度變化相結構的變化導致磁性變化相結構的變化導致磁性變化Fe-C相圖Fe3Cd-d-Feg-g-Fea-a-FeL012345671600140012001000800600400T/ c/%Fe含碳量影響磁性能 c增加（增加（）主要是因為碳對疇壁移主要是因為碳對疇壁移動形成阻礙作用動形成阻礙作用 Cu、Mn、Si、N、O、S等也等也會對軟磁性能產生不利影響會對軟磁性能產生不利影響 max減少（減少（）Hc上升（上升（）電工純鐵的主要用途磁鐵的鐵芯和磁極磁鐵的鐵芯和磁極繼電器的磁路和各種零件繼電

4、器的磁路和各種零件感應式和電磁式測量儀表的各種零件感應式和電磁式測量儀表的各種零件揚聲器的磁路揚聲器的磁路電話中的振動膜電話中的振動膜電機中用以導引直流磁通的磁極電機中用以導引直流磁通的磁極冶金原料冶金原料電工用純鐵主要用于制造：電工用純鐵主要用于制造：4.3.2 硅鋼電工純鐵只能在直流磁場下工作，電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場中，在交變磁場中，渦流損耗大渦流損耗大電阻率（電阻率（），渦流損耗（），渦流損耗（）硅鋼也稱硅鋼也稱硅鋼片硅鋼片或或電工鋼片電工鋼片 碳碳的質量分數的質量分數 c在在0.02以下，以下，硅硅的質量分數的質量分數為為1.54.5的的Fe合金合金 在純鐵中加入硅，

5、形成固溶體，這樣在純鐵中加入硅，形成固溶體，這樣硅鋼的性能60Hz，B=1T,厚度為厚度為0.35mm冷軋無取向硅鋼片評價和用途添加適量硅，添加適量硅，K K（）， s s（），鐵損（鐵損（）因此是非常優秀的軟磁材料和交流電器的理想材料因此是非常優秀的軟磁材料和交流電器的理想材料主要用于：主要用于：扼流圈扼流圈各種形式的電動機、發電機和變壓器各種形式的電動機、發電機和變壓器電磁機構電磁機構繼電器繼電器測量儀表測量儀表已經成為用量最大的磁性材料已經成為用量最大的磁性材料4.3.3坡莫合金坡莫合金源于英文坡莫合金源于英文permalloy是指是指鎳鎳的質量分數為的質量分數為3090的鎳鐵合金的鎳鐵

6、合金 坡莫合金具有很高的磁導率，成分范圍寬坡莫合金具有很高的磁導率，成分范圍寬而且磁性能可以通過改變成分和熱處理工藝等進行調節而且磁性能可以通過改變成分和熱處理工藝等進行調節坡莫合金中含有坡莫合金中含有Ni，因此，因此 磁學特性優于硅鋼磁學特性優于硅鋼 價格貴于硅鋼價格貴于硅鋼合金成分與磁學特性急冷是防止急冷是防止Ni3Fe相析出相析出典型成分在在 Ni為為70%80%的范圍內，具有最佳的綜合軟磁性能：的范圍內，具有最佳的綜合軟磁性能： Ni在在81附近，磁致伸縮系數附近，磁致伸縮系數 s0 Ni在在76附近，磁各向異性常數附近，磁各向異性常數K0 但是，但是，飽和磁通密度較低飽和磁通密度較低

7、，Ni又是又是高價高價金屬材料金屬材料所以通常采用所以通常采用 Ni為為4050的坡莫合金的坡莫合金通過退火除雜后，具有高磁通，較高磁導率通過退火除雜后，具有高磁通，較高磁導率可以滿足實用要求可以滿足實用要求 坡莫合金的用途高磁導率的鐵芯材料高磁導率的鐵芯材料磁屏蔽材料磁屏蔽材料恒磁導率脈沖變壓器恒磁導率脈沖變壓器各種矩磁合金各種矩磁合金熱磁合金熱磁合金磁致伸縮合金磁致伸縮合金坡莫合金主要用于：坡莫合金主要用于：4.3.4其他軟磁合金鐵鋁合金鐵鋁合金 鐵鋁合金是以鐵和鋁為主要成分的軟磁材料 通過調解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料： 高的磁導率 高的電阻率 高的飽和磁致伸縮系數 高的硬

8、度、強度和耐磨性 鐵鋁合金價格低廉，常作為鐵鎳合金的替代品。其主要用于磁屏蔽，小功率變壓器，繼電器，微電機，訊號放大鐵芯，超聲波換能器元件，磁頭等鐵硅鋁合金又稱仙臺斯特合金，是又稱仙臺斯特合金，是1932年在日本仙臺被開發出來的年在日本仙臺被開發出來的成分為成分為Fe-9.6Si-5.4Al在該成分時，合金的磁致伸縮系數在該成分時，合金的磁致伸縮系數 s和磁各向異性常數和磁各向異性常數K1幾乎同時趨于零，并且具有高磁導率和低矯頑力。幾乎同時趨于零，并且具有高磁導率和低矯頑力。同時，不需要高價的同時，不需要高價的Co和和Ni，而且電阻率高、耐磨性，而且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料材料

9、比較理想。好，所以作為磁頭磁芯材料材料比較理想。 鐵鈷合金鐵鈷合金具有鐵鈷合金具有高的飽和磁化強度高的飽和磁化強度，在，在 Co為為35時，時，最大飽和磁化強度達到最大飽和磁化強度達到2.45T。在在 Co為為50左右的鐵鈷合金，具有高的飽和磁化強左右的鐵鈷合金，具有高的飽和磁化強度，高的初始磁導率和最大磁導率。度，高的初始磁導率和最大磁導率。鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發電機定子材料以及電話受話器的振動膜片等。空發電機定子材料以及電話受話器的振動膜片等。此外，由于鐵鈷合金具有較高的飽和磁致伸縮系數，此外，由于鐵鈷合金具有較高的飽和

10、磁致伸縮系數，也是一種很好的磁致伸縮合金。也是一種很好的磁致伸縮合金。4.4 鐵氧體軟磁材料軟磁鐵氧體最早由軟磁鐵氧體最早由Snock于于1935年研制成功的年研制成功的這類材料具有窄而長的磁滯回線，矯頑力這類材料具有窄而長的磁滯回線，矯頑力HC小，既容易小，既容易獲得磁性，也容易失去磁性。獲得磁性，也容易失去磁性。軟磁鐵氧體的磁性來源于軟磁鐵氧體的磁性來源于亞鐵磁性亞鐵磁性，故飽和磁化強度，故飽和磁化強度MS較金屬低，但比金屬軟磁的電阻率較金屬低，但比金屬軟磁的電阻率 要高得多，因此具有要高得多，因此具有良好的良好的高頻特性高頻特性。在弱電高頻技術領域，軟磁鐵氧體具有獨特的優點，廣在弱電高頻

11、技術領域，軟磁鐵氧體具有獨特的優點，廣泛地應用于有線通訊、無線通訊、廣播、電視、航天技泛地應用于有線通訊、無線通訊、廣播、電視、航天技術及其它電子科技中用作電感元件和變壓器等。術及其它電子科技中用作電感元件和變壓器等。其應用頻率從幾百赫的音頻范圍到千兆赫的微波頻段。其應用頻率從幾百赫的音頻范圍到千兆赫的微波頻段。發展最早，應用最廣的一類鐵氧體材料發展最早，應用最廣的一類鐵氧體材料 軟磁鐵氧體材料類別軟磁鐵氧體材料主要包括MnZn，NiZn，MgZn等尖晶石型鐵氧體以及Co2Y，Co2Z等平面六角型鐵氧體 在1MHz頻率下，錳鋅鐵氧體應用極廣。其磁滯損耗低，在相同高磁導率的情況下居里溫度較NiZ

12、n高，起始磁導率i高，且價格低廉。 在1100MHz范圍內，鎳鋅鐵氧體應用最廣。因為Ni2+不易變價，電阻率高，適用于作高頻軟磁材料，且頻帶寬。由于鎳的價格較高，在頻率低于30MHz的情況下，可以用價格便宜的鎂鋅鐵氧體來代替，只是性能稍差一些。軟磁鐵氧體主要應用方向由于晶體結構的限制，立方晶系鐵氧體的使用頻率大體上僅能在數百兆赫之下。幾百兆赫到數千兆赫的高頻軟磁材料基本上是以平面型六角晶系鐵氧體為主 現代軟磁鐵氧體材料發展的主要方向 ：高磁導率材料，i104，用于寬頻帶變壓器、低頻變壓器、小型環形脈沖變壓器和微型電感器等。 高飽和磁感應強度低功耗材料（又稱功率鐵氧體）。用于開關電源、電視機偏轉

13、磁芯及U型磁芯 4.5 非晶及納米晶軟磁材料晶態與非晶態晶態DE1AEnCE2B晶態與非晶的原子排布晶態與非晶的能壘模型4.5.1非晶態軟磁材料作為磁性材料，磁導率高，矯頑力低。原子排布為長程無序、短程有序；不存在位錯及晶粒邊界；加熱具有結晶化傾向；電阻率比晶態材料高；機械強度較高且硬度較高；電阻率高，渦流損耗小。所以，非晶態材料擁有優良的綜合軟磁性能非晶態材料的特征：非晶態材料的特征：典型的非晶態磁性材料其中T為Fe，Co；R為Gd，Tb，Dy，Nd等。例如，GdTbFe，TbFeCo等（光磁記錄材料）。 3d過渡金屬（T）非金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；非金屬為B，C，Si，P等。例

14、如Co-Fe-B-Si非晶薄帶（音頻磁頭等），Fe-Si（磁芯材料），Fe78Si10B12（高磁致伸縮材料）。 3d過渡金屬（T）金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；金屬為Ti，Zr，Nb，Ta等。例如，Co-Nb-Zr系濺射薄膜，Co-Ta-Zr系濺射薄膜（VTR磁頭，薄膜磁頭）。 過渡金屬（T）稀土類金屬（R）系。非晶態材料的制備方法氣體液體非晶體晶體高能粒子注入（平衡）（獲得非晶態的途徑用空心箭頭標出）非晶材料的制備方法氣相沉積；液相急冷；高能粒子注入非晶材料制備方法通常有：非晶軟磁材料的應用 鐵基非晶帶的損耗僅為硅鋼的1/3，在電力工業中應用可以顯著地降低損耗，但由于成本較高，目前尚

15、難以大量取代傳統的材料現在在下列方面獲得應用：高功率脈沖變壓器航空變壓器開關電源環型非晶電感線圈4.5.2納米晶軟磁材料1988年，Yashizawa等人在非晶合金基礎上通過晶化處理開發出納米晶軟磁合金（Finemet）。此類合金的突出優點在于兼備了鐵基非晶合金的高磁感應強度和鈷基非晶合金的高磁導率、低損耗，并且是成本低廉的鐵基材料。鐵基納米晶合金的發明是軟磁材料的一個突破性進展。目前已經開發或正在開發研究的系統有Fe-Cu-M-Si-B（M為Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）、Fe-M-C和Fe-M-V（M為Ta等耐熱金屬）系等納米晶軟磁材料。 晶粒尺寸與矯頑力的關系納米晶軟磁發明之后，才

16、全面認識到晶粒尺寸與矯頑力的關系納米晶與鐵氧體、非晶性能對比FinemetFT-1KMMnZn鐵氧體Co基非晶Fe基非晶10kHz500005300900004500100kHz1600030%5300180004500飽和磁通密度BST1.350.440.531.56矯頑力HCA/m1.38.00.325.0矩磁比（Br/BS）0.600.230.500.65磁芯損耗PCkW/m335012003002200居里溫度TC570150180415飽和磁致伸縮常數S10-6+2.30+27電阻率m1.110-60.201.310-61.410-6密度dSMg/m37.44.857.77.18各類軟磁材料性能比較Co基非晶合金納米微晶Fe-M-B基合金Mn-Zn鐵氧體Fe基非晶合金硅鋼納米微晶Fe-Si-B-Nb-Cu合金5020105210.50.20.11040.501.51.02.03.02.5iBS（T）坡莫合金納米晶軟磁的制備和應用制備