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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(zhì)或亞鐵磁性物質(zhì)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(xiàn)象及磁滯現(xiàn)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(xù)增大H，Ms保持不變；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態(tài)相當于M～H曲線或B～H曲線上的某一點，該點常稱為工作點。

2. 軟磁材料的常用磁性能參數(shù)
飽和磁感應強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。
剩余磁感應強度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，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，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、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(tài)密切相關(guān)。
初始磁導率μi、大磁導率μm、微分磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp。
居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，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(guān)系為：
總功率耗散（mW）/表面積（cm2）
3. 軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換
在設計軟磁器件時，首先要根據(jù)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(tài)密切相關(guān)。設計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。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(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應的電氣參數(shù)。
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二、軟磁材料的發(fā)展及種類
1. 軟磁材料的發(fā)展
軟磁材料在工業(yè)中的應用始于19世紀末。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。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術(shù)的興起，促進了高導磁材料的發(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，是科學技術(shù)飛速發(fā)展的時期，雷達、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。進入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機等行業(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、結(jié)構(gòu)特點）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
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(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，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；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(shù)，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(gòu)成。在粉芯中價格低。飽和磁感應強度值在1.4T左右；磁導率范圍從22～100；初始磁導率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。
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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(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應強度值在7500Gs左右；磁導率范圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有低的損耗；溫度穩(wěn)定性好，廣泛用于太空設備、露天設備等；磁致伸縮系數(shù)接近零，在不同的頻率下工作時無噪聲產(chǎn)生。主要應用于300kHz以下的高品質(zhì)因素Q濾波器、感應負載線圈、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、功率因素補償電路等, 在AC電路中常用, 粉芯中價格最貴。
高磁通粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構(gòu)成。主要特點是：飽和磁感應強度值在15000Gs 左右；磁導率范圍從14～160；在粉末磁芯中具有高的磁感應強度，高的直流偏壓能力；磁芯體積小。主要應用于線路濾波器、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。價格低于MPP。
(3) 鐵硅鋁粉芯（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無噪聲產(chǎn)生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有好的性能價格比。主要應用于交流電感、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，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、 、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產(chǎn)，因此成本低，又因為是燒結(jié)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(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率從750～2300, 具有低損耗因子、高品質(zhì)因素Q、穩(wěn)定的磁導率隨溫度/時間關(guān)系, 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用于高Q濾波器、調(diào)諧濾波器、負載線圈、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。廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器，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強度，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。
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(二) 帶繞鐵芯
1. 硅鋼片鐵芯
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。該類鐵芯具有高的飽和磁感應強度值為20000Gs；由于它們具有較好的磁電性能，又易于大批生產(chǎn)，價格便宜，機械應力影響小等優(yōu)點，在電力電子行業(yè)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(chǎn)量和使用量大的材料。也是電源變壓器用磁性材料中用量大的材料。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、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對于大型電機，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，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，價格越高。
2. 坡莫合金
坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內(nèi)。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當?shù)墓に?，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導率、超過106的大磁導率、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 的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些，但磁導率比硅鋼高幾十倍，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 的初始磁導率可達十萬105以上，適合于作弱信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，形成周期性的點陣結(jié)構(gòu)，存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說，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年代問世的一個新型材料領域。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)冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時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?料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優(yōu)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性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單，從80年****始成為國內(nèi)外材料科學界的研究開發(fā)重點。目前美、日、德國已具有完善的生產(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。
我國自從70年****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)項目的完成，共取得科研成果134項，國家發(fā)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(xiàn)具有4條非晶合金帶材生產(chǎn)線、一條非晶合金元器件鐵芯生產(chǎn)線。生產(chǎn)各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關(guān)電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產(chǎn)值近2000萬元。“九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產(chǎn)線，進入國際先進水平行列。
目前，非晶軟磁合金所達到的好單項性能水平為：
初始磁導率? μo = 14 × 104
鈷基非晶大磁導率? 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納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態(tài)合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應性能。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 高脈沖磁導率快淬軟磁鈷基合金
1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金