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1、软磁材料概述 一 软磁材料简介1.1 软磁材料介绍当磁化发生在Hc不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体 。软磁材料的矫顽力很低，在磁场中可以反复磁化，当外电场去掉以后获得的磁性便会全部或大部分消失。磁性材料又分为软磁材料、硬磁材料等。软磁材料作为信息功能材料的磁性材料，是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因应用而异，但通常软磁材料的磁导率要高、矫顽力和损耗要低。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。1.2 软磁材料的分类 纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交
2、变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。铁硅系合金。含硅量0.54.8，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，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。铁铝系合金。含铝616，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应
3、强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。镍铁系合金。镍含量3090，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。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。铁钴系合金。钴含量2750。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-21010m），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃
4、，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。超微晶软磁合金。20世纪80年代发现的一种软磁材料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。二 金属软磁材料和铁氧体软磁材料2.1 铁氧体软磁材料 2.1.1 背景及分类人类研究铁氧体是从20世纪30年代开始的。20世纪50年代是铁氧体蓬勃发展的时期。
5、1952年磁铅石硬磁铁氧体研制成功；1956年又在此晶系中开发出平面型超高频铁氧体，同时发现了合稀土元素的石榴石型铁氧体，从而形成了尖晶石型、磁铅石型和石榴石型三大晶系铁氧体材料体系。应该说铁氧体的问世是强磁学和磁性材料发展史上的一个重要里程碑。软磁铁氧体是以Fe2O3为主成分的亚铁磁性氧化物，采用粉末冶金方法生产。有Mn-Zn、Cu-Zn、Ni-Zn等几类，其中Mn-Zn铁氧体的产量和用量最大。软磁铁氧体材料的分类： 1）按晶体结构:尖晶石型;平面六角晶系 。 2）按材料应用性能分： 高磁导率材料：低频、宽频带变压器及脉冲变压器 低损耗材料：电源磁芯,高功率场合 低损耗高温定性材料:通信滤波
6、器磁芯 高频大磁场材料： 空腔谐振器、高功率变压器等 功率铁氧体（高Bs）材料： 开关电源及低频功率变压器 高密度记录材料：用做录音,录象磁头 电波吸收体材料：吸收电磁波能量，广泛应用于抗干扰 电子技术 软磁铁氧体的损耗：软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗,即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散。磁损耗分类 ：非共振区：涡流损耗 、磁滞损耗 剩余损耗 共振区：尺寸损耗 、畴壁损耗 自然共振其中：非共振区损耗较小，共振区损耗较大。2.1.2 软磁铁氧体材料粉料的制备 软磁铁氧体微粉的制备大多采用火法和湿化学法两种, 铁氧体微粉的制备主要采用湿
7、化方法 ，软磁铁氧体微粉的制备主要采用共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法等湿化学法 。下面以湿法工艺制备Mn-Zn铁氧体微粉为实例进行讲述。 1、共沉淀法制备铁氧体微粉 化学共沉淀法制备铁氧体微粉是选择一种合适的可溶于水的金属盐类, 按所制备材料组成计量, 将金属盐溶解, 并以离子状态混合均匀, 再选择一种合适的沉淀剂, 将金属离子均匀沉淀或结晶出来, 再将沉淀物脱水或热分解而制得铁氧体微粉。因此化学共沉淀法是一种最经济的制备铁氧体微粉的方法。由于其所制备的粉体微粒具有纯度高, 粒度分布均匀, 活性好等特点, 使之近年来得到深入研究及广泛应用。共沉淀法按其沉淀剂的不同可分为：碳酸盐、草酸盐和氢氧化
8、物等若干种方法。1氢氧化物共沉淀法这种方法可分为中和法和氧化法。中和法就是将三价铁离子和组成铁氧体材料的其它金属盐溶液, 用碱中和, 在一定条件下, 直接在水溶液中形成尖晶石型铁氧体。其离子反应方程式为 ：2Fe3+ + M 2+ + OH- - MO- Fe2O 3中和法形成铁体的主要影响因素是溶液 pH值和温度( 一般 pH 为 1013, 温度近沸) 。 氧化法的主要工艺是先配制含有二价铁离子和其它二价金属离子的硫酸盐水溶液, 加过量的强碱溶液, 保持 pH 为一定值, 即形成悬浮液, 然后往此溶液中通入空气氧化而逐渐生成铁氧体沉淀物。铁氧体的形成及其晶粒大小, 受溶液 pH 值、温度等
9、因素影响。在 pH 10 时, 铁氧体颗粒大小, 随金属阳离子浓度增大而增大, 随温度降低而减小。要制备具有实用价值、结构完美, 并具有一定颗粒大小的沉淀物, 必须选择适当的条件才能达到。2碳酸盐共沉淀法 碳酸盐共沉淀法是它是在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂碳酸盐, 得到前驱体沉淀物, 再焙烧成粉体。在共沉淀时, 为了防止钠离子的污染, 选用 NH3- NH4HCO 3 作沉淀剂, 可消除使用 单一沉淀剂所产生的沉淀过滤困难和后烧结困难等蔽端。此法工艺简单, 易于操作, 成本较低, 具有较好的经济价值。2溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是 20 世纪 90 年代兴起的一种新的湿化学合成方法, 被广泛的
10、应用于各种无机功能材料的合成当中。此法是将金属有机化合物如醇盐等溶解于有机溶剂中, 通过加入纯水等使其水解、聚合、形成溶胶, 再采取适当的方法使之形成凝胶, 并在真空状态下低温干燥, 得疏松的干凝胶, 再作高温煅烧处理, 即可制得纳米级氧化物粉末, 凝胶的结构和性质在很大程度上取决于其后的干燥致密过程, 并最终决定材料的性能。此法制备的粉体纯度高, 均匀性好, 粒经小 ，尤其对多组分体系, 其均匀度可达到分子或原子 水平。烧结温度比高温固相反应温度低, 晶粒大小随温度和时间的增加而增大, 完全晶化温度约为750 左右。与共沉淀法相比, 该法合成的纳米粉体仅在烧结时才出现团聚, 且在不高的温度(
11、 700800 ) 晶化完全。这样可以节约能源, 避免由于烧结温度高而从反应器中引入杂质, 同时烧前易部分形成凝胶, 具有较大的表面积, 利于产物的形成。是一种较好的制备超微粉的方法 。3水热法 水热法也是近 10 余年来发展起来的制备超微粉又一新的合成方法。此法以水作溶剂, 在一定温度和压力下, 使物质在溶液中进行化学反应的一种制备无机功能材料微粉的方法, 此法可实现多价离子的掺杂, 这些特性为研究新材料提供了有利条件。在水热反应中, 微粉晶粒的形成经历了一个溶 解-结晶的 过程, 所制备 的微粉晶体粒 径小, 粒度较均匀, 不需高温煅烧预处理, 合成温度大约为 900 , 形成的晶体较为完
12、整, 纯度高, 且具有较高的活性。有研究表明, 水热反应温度、时间等对产物纯度、颗粒、磁性有较大影响, 所制备的微粉晶粒一般只有几十纳米。 4超临界法超临界法是指以有机溶剂等代替水作溶剂,在水热反应器中, 在超临界条件下制备微粉的一种方法。反应过程中液相消失, 更有利于体系中微粒的均匀成长和晶化, 比水热法更为优越, 是一个进一步值得研究的方法。超临界流体干燥法所制备的微粉粒度分布较均匀, 晶体完全, 比表面能较小, 不易团聚。2.1.3 铁氧体软磁材料的发展趋势近年来，国内外学者在磁性材料方面进行了卓有成效地新探索，其重点的研究和应用主要集中在以下几个方面：1、铁氧体吸波材料由于科学技术的讯
13、猛发展，在武器的隐身技术和电子计算机防信息泄露技术中，以及在生物学中的热效应方面，铁氧体作为吸波材料方面的应用尤为重要 。近年来研究者主要集中研究复合铁氧体材料以及纳米尺寸的铁氧体来控制其电磁参数，铁氧体纳米磁性材料作为微波的吸收体，纳米级的微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，吸收率高，一方面，它能吸收空所中的游离的分子或介质中其他分子通过成键方式连接在一起，造成各向异生的改变。另一方面，在微波场中，活性原子及电子运动加剧，促使磁化，最终将电磁能转化为热能，从而增加吸收体的吸波能力。 2、铁氧体材料在信息存储方面的应用。 信息存储铁氧体材料磁记录是利用强磁性介制输入、记录、存储和输出
14、信息的技术和装置。其磁记录用的磁性材料分为两类：磁记录介制，是作为记录和存储信息的材料，属于永磁材料。另一类是磁头材料，是作为输入和输出信息用的传感器材料，属于软磁材料。 3、磁性流体磁流体是一种新型的功能材料，它由磁性颗粒、稳定剂（表而活性剂）和载液三部份组成，在磁场作用下显示出优于其他磁性材料的优良性能，因此被广泛应用。这是一种人工合成的胶体系统，包括胶状的磁性微料（磁铁矿），经界面活性剂的辅助分散于连续的载粒液中，磁性微粒的直径约10mm。磁性流体集固体的可磁化性和液体的流动性于一体，在磁场作用下，磁性流体可被磁化，显示超顺磁性。磁性流体在生物医学领域具有广泛的应用，近年发展起来的磁性药
15、物载体是国内外十分关注的高新技术4 绿色材料，低碳节能随着2010年世博会的召开。以低能耗、低污染、低排放为基础的新型经济模式低碳经济时代的到来，持续的低碳和绿色经济,将是未来世界发展的大势所趋,这对于新能源、环保、节能等新兴产业会带来巨大的中长期的投资和发展机遇。低碳经济涉及广泛的产业领域和管理领域，也与磁性材料的发展密切相关，也将是未来新型的高新磁性材料应用和市场的重要发展方向 。现在软磁铁氧体产品，高技术领域应用占22%，如数字通信、电磁兼容（EMC）、射频宽带、抗电磁干扰（EMI）、高清显示、汽车电子。传统中低档产品领域应用占78%，如电视机、电源适配器、电子镇流器、普通开关电源变压器、天线棒。从总体来看，中国的铁氧体磁体的性能还以中低档为多数，虽然产量高居世界第一，但产值并不理想。现在中国的磁性材料总产值约265亿人民币，永磁铁氧体产值62亿，平均价格在1.5万元/吨；软磁铁氧体产值在93亿，平均价格在3.1万元/吨，其余钐钴磁体、钕铁硼磁体和金属磁体占市场110亿元 。铁氧体软磁材料的发展趋势：1、人工、能源成本上涨是趋势；2、原料价格继续在波动中上涨仍然是必然； 3、磁性产品和电子元件出口
