基本介紹
- 中文名：軟磁材料
- 外文名：soft magnetic material
- 作用：最小的外磁場實現最大的磁化強度
- 含義：當磁化發生在Hc不大於1000A/m
成分分類,性能參數,新軟磁體,研究進展,發展趨勢,
成分分類
①純鐵和低碳鋼
含碳量低於0.04%，包括電磁純鐵 、電解鐵和羰基鐵。其特點是飽和磁化強度高，價格低廉，加工性能好；但其電阻率低、在交變磁場下渦流損耗大，只適於靜態下使用，如製造電磁鐵芯、極靴、繼電器和揚聲器磁導體、磁禁止罩等。
軟磁材料加工廠
軟磁材料加工廠②鐵矽系合金
含矽量 0.5% ～ 4.8%，一般製成薄板使用，俗稱矽鋼片。在純鐵中加入矽後，可消除磁性材料的磁性隨使用時間而變化的現象。隨著矽含量增加，熱導率降低，脆性增加，飽和磁化強度下降，但其電阻率和磁導率高，矯頑力和渦流損耗減小，從而可套用到交流領域，製造電機、變壓器、繼電器、互感器等的鐵芯。
③鐵鋁系合金
含鋁6%～16%，具有較好的軟磁性能，磁導率和電阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用於製造小型變壓器、磁放大器、繼電器等的鐵芯和磁頭、超聲換能器等。
④鐵矽鋁系合金
錳鋅鐵氧體磁環
鐵矽鋁磁環⑤鎳鐵系合金
⑥鐵鈷系合金
鈷含量27%～50%。具有較高的飽和磁化強度，電阻率低。適於製造極靴、電機轉子和定子、小型變壓器鐵芯等。
⑦軟磁鐵氧體
非金屬亞鐵磁性軟磁材料。電阻率高（10-2～1010Ω·m ），飽和磁化強度比金屬低，價格低廉，廣泛用作電感元件和變壓器元件（見鐵氧體）。
⑧非晶態軟磁合金
一種無長程有序、無晶粒合金，又稱金屬玻璃，或稱非晶金屬。其磁導率和電阻率高，矯頑力小，對應力不敏感，不存在由晶體結構引起的磁晶各向異性，具有耐蝕和高強度等特點。此外，其居里點比晶態軟磁材料低得多，電能損耗大為降低，是一種正在開發利用的新型軟磁材料。
⑨超微晶軟磁合金
20世紀80年代發現的一種軟磁材料。由小於50納米左右的結晶相和非晶態的晶界相組成，具有比晶態和非晶態合金更好的綜合性能，不僅磁導率高、矯頑力低、鐵損耗小，且飽和磁感應強度高、穩定性好。現主要研究的是鐵基超微晶合金。
性能參數
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矢量整齊排列。
剩餘磁感應強度Br：是磁滯回線上的特徵參數，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。
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，
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）
新軟磁體
軟磁鐵氧體
軟磁鐵氧體的特點是：飽和磁通密度低，磁導率低，居里溫度低，中高頻損耗低，成本低。前三個低是它的缺點，限制了它的使用範圍，現在(21世紀初)正在努力改進。後兩個低是它的優點，有利於進入高頻市場，現在(21世紀初)正在努力擴展。
以100kHz，0.2T和100℃下的損耗為例，TDK公司的PC40為410mW/cm3，PC44為300mW/cm3，PC47為 250mW/cm3。TOKIN公司的BH1為250mW/cm3，損耗不斷在下降。國內金寧生產的JP4E也達到300mW/cm3。
不斷地提高工作頻率，是另一個努力方向。TDK公司的PC50工作頻率為500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作頻率都超過1MHz。國內金寧的JP5，天通的TP5A工作頻率都達到 500kHz至1.5MHz。東磁的DMR1.2K的工作頻率甚至超越3MHz，達到5.64MHz。
磁導率是軟磁鐵氧體的弱項。現在(21世紀初)國內生產的產品一般為10000左右。國外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分別達到30000和20000。
採用SHS法合成MnZn鐵氧體材料的研究，值得注意。用這種方法的試驗結果表明，可以大大降低鐵氧體的製造能耗和成本。國內已有試驗成功的報導。
非晶和納米晶合金
鐵基非晶合金在工頻和中頻領域，正在和矽鋼競爭。鐵基非晶合金和矽鋼相比，有以下優缺點。
1)鐵基非晶合金的飽和磁通密度Bs比矽鋼低，但是，在同樣的Bm下，鐵基非晶合金的損耗比0.23mm厚的3%矽鋼小。一般人認為損耗小的原因是鐵基非晶合金帶材厚度薄，電阻率高。這只是一個方面，更主要的原因是鐵基非晶合金是非晶態，原子排列是隨機的，不存在原子定向排列產生的磁晶各向異性，也不存在產生局部變形和成分偏移的晶粒邊界。因此，妨礙疇壁運動和磁矩轉動的能量壁壘非常小，具有前所未有的軟磁性，所以磁導率高，矯頑力小，損耗低。
2)鐵基非晶合金磁芯填充係數為0.84～0.86，與矽鋼填充係數0.90～0.95相比，同樣重量的鐵基非晶合金磁芯體積比矽鋼磁芯大。
3)鐵基非晶合金磁芯的工作磁通密度為1.35T～1.40T，矽鋼為1.6T～1.7T。鐵基非晶合金工頻變壓器的重量是矽鋼工頻變壓器的重量的130%左右。但是，即使重量重，對同樣容量的工頻變壓器，磁芯採用鐵基非晶合金的損耗，比採用矽鋼的要低70%～80%。
4)假定工頻變壓器的負載損耗(銅損)都一樣，負載率也都是50%。那么，要使矽鋼工頻變壓器的鐵損和鐵基非晶合金工頻變壓器的一樣，則矽鋼變壓器的重量是鐵基非晶合金變壓器的18 倍。因此，國內一般人所認同的拋開變壓器的損耗水平，籠統地談論鐵基非晶合金工頻變壓器的重量、成本和價格，是矽鋼工頻變壓器的130%～150%，並不符合市場要求的性能價格比原則。國外提出兩種比較的方法，一種是在同樣損耗的條件下，求出兩種工頻變壓器所用的銅鐵材料重量和價格，進行比較。另一種方法是對鐵基非晶合金工頻變壓器的損耗降低瓦數，折合成貨幣進行補償。每瓦空載損耗折合成5～11美元，相當於人民幣 42～92元。每瓦負載損耗折合成0.7～1.0美元，相當於人民幣6～8.3元。例如一個50Hz，5kVA單相變壓器用矽鋼磁芯，報價為1700元/ 台;空載損耗28W，按60元人民幣/W計，為1680元;負載損耗110W，按8元人民幣/W計，為880元;則，總的評估價為4260元/台。用鐵基非晶合金磁芯，報價為2500元/台;空載損耗6W，折合成人民幣360元;負載損耗110W，折合成人民幣880元，總的評估價為3740元/台。如果不考慮損耗，單計算報價，5kVA鐵基非晶合金工頻變壓器為矽鋼工頻變壓器的147%。如果考慮損耗，總的評估價為89%。
5)現在(21世紀初)測試工頻電源變壓器磁芯材料損耗，是在畸變小於2%的正弦波電壓下進行的。而實際的工頻電網畸變為5%。在這種情況下，鐵基非晶合金損耗增加到106%，矽鋼損耗增加到123%。如果在高次諧波大，畸變為75%的條件下(例如工頻整流變壓器)，鐵基非晶合金損耗增加到160%，矽鋼損耗增加到300%以上。說明鐵基非晶合金抗電源波形畸變能力比矽鋼強。
6)鐵基非晶合金的磁致伸縮係數大，是矽鋼的3～5倍。因此，鐵基非晶合金工頻變壓器的噪聲為矽鋼工頻變壓器噪聲的120%，要大3～5dB。
7)現行市場上，鐵基非晶合金帶材價格是0.23mm3%取向矽鋼的150%，是0.15mm3%取向矽鋼(經過特殊處理)的40%左右。
8)鐵基非晶合金退火溫度比矽鋼低，消耗能量小，而且鐵基非晶合金磁芯一般由專門生產廠製造。矽鋼磁芯一般由變壓器生產廠製造。
根據以上比較，只要達到一定生產規模，鐵基非晶合金在工頻範圍內的電子變壓器中將取代部分矽鋼市場。在400Hz至10kHz中頻範圍內，即使有新的矽鋼品種出現，鐵基非晶合金仍將會取代大部分0.15mm以下厚度的矽鋼市場。
值得注意的是，日本正在大力開發FeMB系非晶合金和納米晶合金，其Bs可達1.7～1.8T，而且損耗為現有FeSiB系非晶合金的50%以下，如果用於工頻電子變壓器，工作磁通密度達到1.5T以上，而損耗只有矽鋼工頻變壓器的10%～15%，將是矽鋼工頻變壓器的更有力的競爭者。日本預計在2005年就可以將FeMB系非晶合金工頻變壓器試製成功，並投入生產。
非晶納米晶合金在中高頻領域中，正在和軟磁鐵氧體競爭。在10kHz至50kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金的工作磁通密度可達0.5T，損耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率電子變壓器中有明顯的優勢。在50kHz至100kHz電子變壓器中，鐵基納米晶合金損耗P0.2 /100k為30～75W/kg，
鐵基非晶合金P0.2/100k為30W/kg，可以取代部分鐵氧體市場。
非晶納米晶合金經過20多年的推廣套用，已經證明其具有下述優點：
1)不存在時效穩定性問題，納米晶合金在200℃以下，鈷基非晶合金在100℃以下，經過長期使用，性能無顯著變化;
2)溫度穩定性比軟磁鐵氧體好，在-55℃至150℃範圍內，磁性能變化5%～10%，而且可逆;
軟磁複合材料
經過爭論，現在(21世紀初)對磁粉芯等已經取得了一致認識，即認為它屬於軟磁複合材料。軟磁複合材料是將磁性微粒均勻分散在非磁性物中形成的。與傳統的金屬軟磁合金和鐵氧體材料相比，它有很多獨特的優點：磁性金屬粒子分散在非導體物件中，可以減少高頻渦流損耗，提高套用頻率;既可以採取熱壓法加工成粉芯，也可以利用現在(21世紀初)的塑膠工程技術，注塑製造成複雜形狀的磁體;具有密度小，重量輕，生產效率高，成本低，產品重複性和一致性好等優點。缺點是由於磁性粒子之間被非磁性體分開，磁路隔斷，磁導率現在(21世紀初)一般在100以內。不過，採用納米技術和其他措施，國外已有磁導率超過1000的報導，最大可達6000。
軟磁複合材料的磁導率受到很多因素的影響，如磁性粒子的成分，粒子的形狀，尺寸，填充密度等。因此，根據工作頻率可以進行調整。
磁粉芯是軟磁複合材料的典型例子。現在(21世紀初)已在20kHz至100kHz甚至1MHz的電感器中取代了部分軟磁鐵氧體。例如鐵矽鋁磁粉芯，矽含量為 8.8%，鋁為5.76%，剩餘全為鐵。粒度為90～45μm，45～32μm和32～30μm。用矽樹脂作粘接劑，1%左右硬脂酸作潤滑劑，在 2t/cm2壓力下，製成13×8×5 的環形磁芯，在氫氣中用673°K，773°K，873°K退火，使磁導率達到100，300，600。在 100kHz下損耗低，已經代替軟磁鐵氧體和MPP磁粉芯用於電感器中。
已經有人對大功率電源的電感器用軟磁複合材料——磁粉芯進行了開發研究。在20kHz以下，磁導率基本不變。在1.0T下，磁導率為100左右。50Hz～20kHz損耗小，可製成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音頻範圍，噪聲比環形鐵氧體磁芯降低10dB。可以在大功率電源中代替矽鋼和軟磁鐵氧體。
有人用鈷/二氧化矽(Co/SiO2)納米複合軟磁材料製作不同於薄膜的大尺寸磁芯。鈷粒子平均尺寸為30μm，填充度40%至90%，經過攪拌後，退火形成Co/SiO2納米複合粉，然後壓製成環形磁芯。磁導率在300MHz以下，都可達到16。鎳鋅鐵氧體的磁導率為12，而且在100MHz 以後迅速下降。證明在高頻和超高頻下，軟磁複合材料也可取代部分鐵氧體市場。
研究進展
近年來，出現了採用電驅動裝置和電子控制裝置實現產品的驅動、自動控制和多功能化的趨勢，關鍵的核心材料之一就是軟磁材料。軟磁材料在各種器件中起到能量耦合傳遞及轉換的作用。在能源日趨緊缺和環境問題日趨嚴重的今天，降低軟磁材料的損耗提高磁芯效率，在節約能源及控制環境污染等方面具有重大意義。
20世紀90年代以來，軟磁材料發展走過了輝煌的一頁：非晶、納米晶、金屬玻璃軟磁材料，磁粉芯、非晶微晶條帶、軟磁複合材料給越來越重視環境和能源問題的世界各國的節能減排帶來希望。軟磁材料在汽車、新能源、信息、消費電子以及電力電子領域的小型化和高性能化中具有重要意義，有待於我們加強基礎，勇於探索，進行創新性的研究，爭取在未來的國際磁性材料領域中，中國的自主智慧財產權占相當的比例。
發展趨勢
電子器件日益向小型化、高性能、高速化方向發展，因此對高頻電感元件提出新的要求，並進一步要求改進和提高作為電感元件的鐵氧體磁芯的性能，這對軟磁材料及磁芯元件的要求就更高。良好的軟磁材料應滿足下述基本要求：（1）為了提高功能效率，初始磁導率和最大磁導率要高；（2）為了省資源，便於輕薄短小，迅速回響外磁場極性的反轉，剩餘磁通密度要低，飽和磁感應強度要高；（3）損低，提高功能效率；（4）矯頑力小，提高高頻磁性能；（5）電阻率高，提高高頻性能，減少渦流損失；（6）磁致伸縮係數低，降低噪聲；（7）作為基本特性的磁各向異性係數K 要低，在各個結晶方向都容易磁化。
從近幾年各國軟磁材料生產量的變化可以看出，世界軟磁材料的生產格局已經發生了很大的變化。產量仍將有較大幅度的增長，但是競爭將會變得更為激烈。因此，如何降低成本、提高效率、提高產品檔次及市場競爭力將成為競爭的關鍵。
目前需求量最大及對性能改進要求最為迫切的材料是高頻低功率損耗鐵氧體材料和高磁導率鐵氧體材料。高頻低功率損耗鐵氧體材料主要用於各種高頻小型化的開關電源及顯示器、變壓器等。高磁導率鐵氧體材料則主要用於寬頻變壓器、脈衝變壓器用抗電磁波干擾器件等。
從根本上來說，材料的微觀結構決定其巨觀性質，因此應以磁性量子理論為指導，著手分析並改進材料的微觀結構，以改善其巨觀磁學性能。目前，對軟磁材料的研究已由粗晶轉變到納米晶合金材料的製備及其成分設計。納米材料的研究及材料設計科學正是基於這種巨觀磁學性能思想而發展起來的，即從第一原理出發來進行材料設計，在磁性材料方面，隨著現代科學技術的發展，量子理論對自旋有序材料的成功解釋及量子理論與微磁學的結合，逐漸實現高飽和磁感應強度和低損耗軟磁的目標。
納米科技給傳統磁性產業帶來跨越式的發展。利用納米材料的優異性能和特殊結構來全面提高傳統軟磁材料的綜合性能的優點，是在不用對現有設備進行大的技術改造的前提下，就可以達到全面提高企業傳統材料的技術含量及質量等級的目的。
總之，軟磁材料的發展將沿著高飽和磁感應強度、高磁導率、高居里溫度、低損耗、低矯頑力和高頻化、小型化、薄型化方向發展。將軟磁鐵氧體材料進一步向高頻、高磁導率和低損耗發展。非晶、納米晶軟磁合金將研製開發新型、功能性的非晶納米晶複合材料，拓寬非晶納米晶複合材料的套用領域。
