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1、,软 磁 材 料,制作 庾金良 吴健 韩旸,矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。,软磁材料的定义,软磁材料是指在较低的磁场下，易磁化也易退磁，具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。,软磁材料的基本性能,软磁材料具有以下磁性能：(1)高的磁导率。磁导率(符号为)是对磁场灵敏度的量度(2)低的矫顽力hc显示磁性材料既容易受外加磁场磁化，又容易受外加磁场或其他因素退磁，而且磁损耗也低；(3)高的饱和磁通密度bs和高的饱和磁化强度ms。这样较容易得到高的磁导率和低的矫顽力hc，也可以提高磁能密度；(4)低的磁损耗和电损耗。这就要求低的矫顽力h
2、c和高的电阻率；(5)高的稳定性，这就要求上述的软磁特性对于温度和震动等环境因素有高的稳定性。,软磁材料与硬磁材料的区别,软磁材料易磁化也易退磁，具有较小的矫顽力。硬磁材料的剩余磁化强度和矫顽力均很大，在磁化后不易退磁而能长期保留磁性。,软磁材料的种类,金属软磁材料非晶软磁材料和纳米晶软磁材料 其他软磁材料,金属软磁材料,金属软磁材料，主要以铁芯形式用在变压器、电磁铁、电动机、发电机和继电器等电工和电子设备中。传统的金属软磁材料有电工纯Fe、Fe-Ni、Fe-Si、Fe-Al、Fe-Co和Fe-Si-Al等金属系列,铁-硅(Fe-Si)系软磁材料,含硅量 0.5 4.8，随着硅含量增加，热导率
3、降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。,铁氧体软磁材料,又称氧化物磁性材料，是由铁和其它金属组成的复合氧化物，其主要特点是起始磁导率高和矫顽力低，可以在高频率和超高频率使用，在通信和多种电子学器件中有着重要的应用。,.,铁-镍(Fe-Ni)系软磁合金,镍含量3090，又称坡莫合金，其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。,非晶软磁材料和纳米晶软磁材料,非晶软磁材料的特点是制造工艺较简单，化学成分变化范围较宽、磁性均匀和良好的各向同性。将适当成分的非晶软磁材料通过
4、适当的热处理后，可以使非晶状态转变为晶粒直径为纳米量级的结晶态软磁材料，也可以得到良好的软磁材料。,其他软磁材料,选择适当的化学成分和适当的制造工艺，可以得到具有特定软磁等性能的软磁材料。例如，具有高能和磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系软磁合金，具有较高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系软磁合金，具有磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)合金等。,图1钕铁硼稀土永磁材料,软磁材料的应用方向,绿色照明电子产品的电感和线圈太阳能光伏产业通信元器件LCD显示屏,磁带录音原理,硬磁性材料被磁化以后，还留有剩磁，剩磁的强弱和方向随磁化时磁性的强弱和方向而定。录音磁带是由带基、粘合剂
5、和磁粉层组成。带基一般采用聚碳酸脂或氯乙烯等制成。磁粉是用剩磁强的rFe2O3或CrO2细粉。录音时，是把与声音变化相对应的电流，经过放大后，送到录音磁头的线圈内，使磁头铁芯的缝隙中产生集中的磁场。随着线圈电流的变化，磁场的方向和强度也作相应的变化。当磁带匀速地通过磁头缝隙时，磁场就穿过磁带并使它磁化。由于磁带离开磁头后留有相应的剩磁，其极性和强度与原来的声音相对应。磁带不断移动，声音也就不断地被记录在磁带上。,矩磁材料,矩磁材料，这里是指具有矩形磁滞回线的铁氧体材料。它的特点是，当有较小的外磁场作用时，就能使之磁化，并达到饱和，去掉外磁场后，磁性仍然保持与饱和时一样。如镁锰铁氧体，锂锰铁氧体
6、等就是这样。这种铁氧体材料主要用于各种电子计算机的存储器磁芯等方面。应用于计算机磁性存储设备和作为乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡所用的磁性材科及作用原理，同磁带所用的磁性材料及作用原理基本相同。但材料是矩磁材料（易磁化不易去磁）。,磁开关和磁开关保护,软磁材料有一个重要的特性磁滞,即在交变磁场作用下,磁场H 和磁感应强度B 不同相,B落后于H,用代数式表示就是:B=Bm sin(t-)(1)H=Hm sint(2)也就是说,在某一时间t,B 落后H 一个相位角。这样就导致其B2H 曲线是独特的磁滞回线形状,如图1 所示。,而对于一些剩磁Br 较高的软磁材料,其磁滞回线为矩形磁滞回线(如图1b
7、),这时材料在不饱和区(即曲线很陡)具有很大的磁导率(=B/H),而在饱和区(曲线斜率很小)磁导率很低(趋于零)。由于软磁铁芯饱和状态下和不饱和状态下磁导率之间的巨大差异,铁芯具有延缓电流增大的作用,即开关作用,相当于可饱和电抗器。,图2 为磁开关的电路和原理示意图,在一个预先设置的时间周期内,饱和状态下的电抗器铁芯就好比一个二极管,对正向电流导通,同时截止反方向的电流,保护磁开关的优点,用软磁铁芯制成的保护磁开关可以有效地增大脉冲电源系统的可靠性和整体寿命。无论在半导体开关或闸流管开关系统中,使用这种磁保护开关可以减小开关系统的损耗并可延长开关的使用寿命,因为这个可饱和电抗器可以阻拦电流直到
8、开关变为完全导通时为止。这个阻拦减小了系统中电流和电压之间的重叠,这样就减小了功率的吸收。磁保护开关的优点还有:高的di/dt,在半导体开关系统中,完全导通后,可以对负载安全地施加更高的di/dt。而利用可饱和电抗器的二极管反向截止时间,使系统进行复位,这是它的又一个优点。,图2 软磁材料加工厂,软磁材料的发展历程及现状,20世纪30年代以前，金属软磁材料一统天下。1935年荷兰Philip实验室的斯洛克（Snoek）研制成功软磁体氧体材料，5080年代是软磁铁氧体材料的黄金时期。70年代初开发成功非晶态软磁材料1988年日本的日立金属实验室（Hitachi Metals Laboratory
9、）的吉泽克仁（Yoshizawa）及其同事发明了铁系纳米晶软磁材料。90年代以来，纳米材料的金属磁性材料的崛起，已经成为软磁铁氧体有力的竞争者软磁材料被广泛的应用于各种电力设备与电子器件中,电力、电子设备的小型化、轻量化、节能、高灵敏度使人们生活更加便利,对环境的影响越来越小。,软磁材料的发展趋势,在软磁铁氧体中，目前需求量最大及对性能改进要求最为迫切的材料是高频低功率损耗铁氧体材料和高磁导率铁氧体材料。高频低功率损耗铁氧体材料主要用于各种高频小型化的开关电源(如AC-DC、DC-AC 变换器)及显示器回扫变压器等；高磁导率铁氧体材料则主要用于宽带变压器、脉冲变压器用抗电磁波干扰器件等,软磁材
10、料的发展趋势,电子信息产业的高速发展，对高频电感元件(如高频变压器、小型电感器等)也提出了各种新的要求，随之也要求改进和提高作为电感元件的主要组成部分铁氧体磁芯的性能。因此，对软磁铁氧体材料及磁芯元件也提出了更高的材料标准和要求，如元器件的小型化、片式化、高频化、高性能、低损耗等。,软磁材料的发展趋势,软磁铁氧体材料重点要发展高频低功耗、高磁导率材料和片式化的表面贴装元件；在非晶软磁合金和磁记录材料及高频软磁合金方面则重点发展纳米材料目前传统的铁氧体软磁材料正朝着提高综合性能指标的方向发展。,参考文献,刘亚丕软磁材料的发展趋势齐凤春软磁材料的发展现状赵修科软磁材料和应用Yoshizawa Y,Oguma S,Yamaauchi K.J Appl Phys,1988,64:6044.金属功能材料,2000,7(2):38.Ruthner M J,ICF-7(1996).,Thank you!,
