《功能材料(磁性材料)课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能材料(磁性材料)课件（100页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、功能材料Function Materials,主讲：克默迪企业 杨子中,第五章 磁性材料,具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为硬磁、半硬磁、软磁材料三种。从应用方面考虑，磁性材料可分为软磁材料、硬磁材料、磁记录材料及一些特殊用途的磁性材料等等。,近年来，磁性材料又有了突飞猛进的发展，一些新型的磁性材料受到了重砚，并正在走向实用。如稀土永磁材料，室温磁致冷材料、新型的多层膜磁记录材料、有机铁磁材料、准晶、非晶材料；铁氧体材料、铁电反铁磁材料等已成为近几年来磁性功能材料领域研究的热点。磁性材料广泛地应用于计算
2、机、通讯、自动化、音像、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。,磁性材料的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防和人类生活的各个领域。据统计1994年全球磁性材料产量约650一750万吨。产值100亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值2美元。全球磁性材料需求量每年以l0一25%速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺不断涌现。是最活跃的材料领域之一。,5.1 软磁材料,矫顽力低(Hci100Am)、磁导率高的磁性材料称为软磁材料。软磁材料的磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。它主要应用于制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、电感器、电抗器、继
3、电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与磁介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯、极头与极靴；磁路的导磁体等。它是电机工程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料。,软磁材料的种类很多，大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体。现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等；若按材料的成分，可分为电工纯铁、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合金等；也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。,金属软磁(合金)材料是磁性材料中用途最广，用量最大的一类材料，包括纯铁，电工钢，合金及非晶态合金。不同
4、的工作条件，对材料的性能要求亦有不同：在强磁场下工作的磁性部件，如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等，要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感应强度，价格便宜，生产工艺简单，便于大批生产；在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁芯，磁屏蔽材料及有关磁性元件，基本上是在弱磁场下工作，要求相应的材料具有高的磁导率。,软磁材料的种类很多，大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体。现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等；若按材料的成分，可分为电工纯铁、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合
5、金等；也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。,5.1.1 电工用纯铁,电工用纯铁含碳量极低，其纯度在99.95以上，退火态起始磁导率i为3005000，最大磁导率m为6000120000，矫顽力Hc为39.895.5Am。电工用纯铁主要用于制造电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，杨声器的磁路，电话中的振动膜，磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极及冶金原料等。我国生产的电工用纯铁的机械性能如下：抗拉强度b27kgmm2；延伸率525；断面收缩率60；布氏硬度HB131。,表5-l 几种电工用纯铁的磁性能,影响纯铁磁性能的因素有多种，包括晶粒的结晶轴对磁
6、化方向的取向关系，纯铁中的杂质，晶粒大小，金属的塑性变形，加工过程中的内应力等等。为了改善纯铁的磁性能，除严格控制冶炼与轧制过程，还可以采用高温长时间氢气退火，消除晶格畸变和内应力，粗化晶粒。电工用纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工作，涡流损耗大。在纯铁中加入少量硅(0.380.45)形成固溶体，可以提高合金电阻率，减少材料涡流损耗。随着纯铁中含硅量的增加，磁滞损耗降低，而在弱磁场和中等磁场下，磁导率增加。但硅含量高于4，材料变脆。,5.1.2 电工用硅钢片 电工用硅钢片按材料生产方法，结晶织构和磁性能可分为以下四类；(1)热轧非织构(无取向)的硅钢片；(2)冷轧非织构(无取向)的硅钢片
7、；(3)冷轧高斯织构(单取向)的硅钢片；(4)冷轧立方织构(双取向)的硅钢片。 电工用硅钢片主要用于各种形式的电机、发电机和变压器中，在扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表中也大量使用。,不同的工作环境，对硅钢片的性能提出了不同的要求，一般将实用的硅钢片按强磁场、中等磁场(51000Am)、弱磁场(0.20.8Am)下工作来分类。硅钢片的机械性能与硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(碳，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关，在很大程度上取决于有害杂质含量、冶炼方法、轧制的压下制度、退火温度和介质以及钢板表面状况等。,硅钢片的磁性能同样与硅含量、冶炼过程、热处理工艺、晶粒大小有关。一般认为，硅含
8、量在66.5的钢具有高的磁导率(i，m)，硅也使铁的磁各向异性和磁致伸缩降低。考虑到硅钢的机械性能及加工工艺性能，其中硅的含量不宜超过4。另外，碳、氢、硫、锰等元素均对合金的磁性能有不利影响；增大晶粒可以改善硅钢的磁性能，但使磁滞损耗增加。,为了进一步提高电工钢的磁性能，高斯研制了具有取向结晶结构的硅钢片高斯织构硅钢片(冷轧取向硅钢片)。这种结构中，铁晶格的易磁化方向100轴与轧制方向吻合，难磁化方向111轴与轧制方向成55角，中等磁化轴110与轧制方向成90角，如图5-1所示。,图5-1 Fe-Si3.8合金单晶体 磁化方向示意图,这种织构以符号(110)100表示，(110)面与轧制面吻合
9、，而100方向与轧制方向吻合。由于结构上特点，冷轧取向硅钢片具有磁各向异性，在强磁场内，单位铁损的各向异性最大，在弱磁场中，磁感应强度和磁导率的各向异性最大。因此，用这种硅钢片制铁芯时常采用转绕方式。,立方织构硅钢片指晶粒按立方体取向，即立方体的(100)面与轧制面相吻合，立方体的棱100轴沿轧制方向取向。立方体的棱即易磁化方向是沿着和横着轧制方向取向的，中等难磁化轴110则与轧制方向成45角，而最难磁化轴111则偏离磁化平面。,立方织构硅钢在性能上优于上述高斯织构硅钢，如果两种织构合金的含硅量相同，立方织构极薄带钢的磁导率比高斯织构带钢高；沿轧制和垂直于轧制方向切取的立方织构试样，无论在弱磁
10、场或强磁场内，都具有同样高的磁导率。表5-2为两种织构硅钢片性能比较。虽然立方织构硅钢片显示了诸多优势，但限于其制造工艺不过关，故只用于制造个别试验用变压器，电动机和发电机，难以批量生产。,表5-2 高斯织构和立方织构硅钢片性能比较,工业上使用的硅钢片一般都在交变磁场下工作，为减小铁芯的涡流损耗，硅钢片表面都施以绝缘涂层。如有机漆和有机涂料、陶瓷质涂层等。,5.1.3 铁镍合金与铁铝合金 a）铁镍合金 铁镍软磁合金的主要成分是铁、镍、铬、钼、铜等元素。在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的娇顽力，低的损耗。该合金加工性能良好，可轧成3mm厚的薄带，可在500 kHz的高
11、频下应用。铁镍软磁合金与电工钢相比性能优越，被广泛地应用于电讯工业，仪表，电子计算机，控制系统等领域，只是价格昂贵。此外，工艺参数变动对其磁性能影响很大，因此，产品性能不够稳定。,图5-2是铁镍合金相图与不同成分合金的性能。常用的铁镍软磁合金的成分大致在含镍4090范围内，此成分范围的合金均为单相固溶体。超结构相Ni3Fe的有序-无序转变温度为506，其居里温度是611，有序相对居里温度有影响。原于有序化对电阻率有影响，同时强烈影响合金磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数；磁导率和矫顽力亦对组织结构较敏感。,图5-2 铁镍系合金的相图和基本物理性能,图5-3示出经过不同的热处理合金磁导率的变化。
12、由图可以看出含镍量7680范围内的合金具有较高的磁导率，这是因为此范围正在超结构相Ni3Fe成分附近，所以冷却过程中发生了明显的有序化转变，使K值及值发生了变化。,图5-3 不同的热处理工艺对铁镍合金 的起始磁导率的影响,为使K值及值均趋于零，需得到适量的有序度，因此，铁镍二元合金热处理时必须急冷，否则影响其磁性能。为了改善铁镍合金的磁性能，往往向其中加入钼、铬、铜等元素，使合金有序化速度减慢，降低合金的有序化温度，简化了热处理工艺。 根据特性和用途不同，铁镍软磁合金大致可分为五类：1J50 、1J51 、1J65 、1J79 、1J85 。每一类又有若干不同的牌号，它们的含镍量不同，具有不同
13、的性能和应用。,b）铁铝合金,铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16以下时，便可以热轧成板材或带材；含铝量在5-6以上时，合金冷轧较困难。 铁铝合金同其它金属软磁合金相比，具有如下特点：(1)电阻率高；(2)高的硬度和耐磨性；(3)比重小，可减轻铁芯自重；(4)对应力不敏感。一般软磁合金对应力最为敏感，铁铝合金是例外；(5)时效，材料使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化；(6)温度稳定性，可采用低温退火后淬火处理，也可以在50-150下保温10-20h人工时效来改善其温度稳定性。,5.1.4 非晶态合金 前已述及，非晶态合金结构上的无序性，决定了其具有优良的软磁性能，非晶态软磁合
14、金亦成为非常热门的磁性材料。70年代非晶态软磁薄带的研制成功，使它的实用化成为可能。 1铁基非晶态软磁合金 铁基合金的特点是饱和磁感应强度高，一般为1.61.8T；损耗低，只有硅钢的1/41/5。缺点是磁致伸缩系数大。其性能见表5-3。,表5-3 铁基非晶态合金某些特性,2钴基非晶态软磁合金 钴基合金的饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小；磁致伸缩系数趋近于零，性能见表5-4。,表5-4 钴基非晶态软磁合金的特性,3铁镍基非晶态软磁合金 与上述两类合金相比，铁镍基合金的性能基本上介于两者之间。饱和磁感应强度为0.71.0T；磁致伸缩系数较铁基合金低，其性能见表5-5。,表5-5 铁镍
15、基非晶态软磁合金特性,非晶态合金与常用的其它晶态软磁材料(如硅钢片)相比，磁导率高，电阻大，损耗小，图5-4为Fe8lB13.5Si3.5C2与硅钢片磁滞回线的比较。从长远来看，用非晶态合金代替硅钢片制作变压器铁芯前景十分可观；但就目前的情况看，仍存在许多问题，比如非态合金带的厚度要比硅钢片小得多，这将大大影响其使用性能。,图5-4 非晶态合金与晶粒取向硅钢片的磁滞回线,据报导，日本每年由于电器设备中的铁芯发热损失电量80亿度，若用非晶态合金代替硅钢片，可节电3/4。此外，非晶态合金的生产工艺简单，生产过程中的能耗比生产等量的硅钢片少80左右。由于非晶态合金电阻率较晶态材料高、所以适合在高频下
16、使用。研究表明，比较适作变压器的非晶态合金是铁基合金，如Fe-B系及在此基础上形成的Fe-B-Si系和Fe-B-Si-C系。美国和日本在这方面做了许多研究工作。,表5-6为美国试制的15kV变压器性能与硅钢片变压器比较。用非晶态合金制做电机可使铁芯损耗降低90左右。利用某些非晶态材料磁致伸缩系数大的特性，可以制造一些电子器件，如用Fe78Si10B12作为超声振子材料，用Fe-B系或Co-Si-B系非晶态合金制成传感器元件、开关晶体管组合成的应力传感器、漏电保护装置等。,表5-6 15kV配电变压器的性能,钴基非晶态合金不仅初始导磁率高，电阻率高，而且磁致伸缩极小，接近于零，是理想的磁头材料，目前在日本、美国已商品化。这部分内容将在磁记录材料中详述。此外，这类合金还适合作磁屏蔽材料，与通常作为磁屏蔽材料的坡莫合金相比，非晶态合金价格便宜；可织成布，容易弯曲、裁制、冲孔等，且不需要退火；从效果上看也比坡莫合金好。目前作磁屏蔽材料的非晶态合金主要是Co66Fe4(Mo, Si, B)30。,在单相钴基非晶软磁金属丝和薄带中，发现了交流磁阻抗随外加场增加而极其灵敏
