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1、2.1 概述 2.2 软磁材料理论基础 2.3 金属软磁材料 2.4 非晶、纳米晶软磁材料 2.5 铁氧体软磁材料,Part 2 软磁磁材料,软磁材料： 金属软磁 铁氧体软磁,特性要求,起始磁导率(i)、磁损耗(tg)、 温度稳定性()、减落(D)、 磁老化(Ia) 截止频率(fr)。,理论基础,磁性、结构 磁化机制,提高磁性能方法、措施,配方、工艺,目标,方案,技术途径,2.1 概述,能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。,软磁材料分类及特性要求,软磁材料的磁滞回线窄而长，起始磁导率i高，矫顽力Hc小，既容易获得也容易失去磁性，是极其重要的一类磁性材料。 按电阻率的不
2、同，软磁材料可分为金属软磁材料和铁氧体软磁材料两大类，金属软磁材料由于其电阻率较低而主要应用于频率较低的场合，铁氧体软磁材料则在频率较高的场合被广泛采用。,衡量软磁材料性能优劣的主要参数： 起始磁导率(i)、 磁损耗(tg)、 温度稳定性()、 减落(D)、 磁老化(Ia) 截止频率(fr)。,起始磁导率(i),处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率成为复数，其中表征储能特性，而表征能量损耗特征。对于环形软磁样品，可等效为串联电路，则电感量Lx及表征磁损耗的等效电阻Rx可分别写为：,式中 l：磁芯有效长度，N：线圈匝数，A：磁芯有效截面积，：工作角频率,一般情况下，i高的材料，其e、m、也较高。因
3、此，通常把i作为软磁材料的基本特性参数之一，它是一个没有量纲的系数。,磁损耗,处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会损耗能量，用tg来表征这种磁损耗,B=B0sin(t-),H=H0sint,=B/0H,温度稳定性,软磁材料的温度稳定性用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比，最常用的是磁导率的温度系数 ,式中：温度为时的磁导率；ref：温度为ref时的磁导率,在实际应用中，也常用比温度系数 /i来表征软磁材料的温度特性，因为对于某种软磁材料而言，比温度系数u/i与形状和
4、尺寸无关，是一个常数，希望这个常数越小越好。,磁导率的减落,软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，从而导致磁导率下降，这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化，它是材料的不稳定性之一，可以用下面三个参数来表示材料的减落特征：,(1) 减落D：定义为在磁正常状态化之后，恒定温度下经过 一定的时间间隔 (t1-t2)，材料磁导率的相对减小。式中 1、2分别为给定时间间隔开始(t1)和结束(t2)时的磁导 率值。,(2) 减落系数d：定义为在磁正常状态化之后
5、出现的减 落除以两次测量时间之比的对数,(3) 减落因子DF：定义为减落系数与开始测量时间(t1)测 得的磁导率之比,磁老化,软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称为磁老化，用老化系数Ia表示。式中1、2分别为老化前后测得的磁导率。,老化系数的大小与材料值和制造工艺有关，一般地说高材料的老化系数较大，而如果采用高温淬火工艺制造的软磁材料，则由于保持了高温状态下的一些结构，故有一个向稳定状态过渡的过程，从而造成老化现象较严重。,截止频率,由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的值下降为起始值的一半且达到峰值时的频率，称为
6、截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关，各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，fr越高则应用频率的上限越高。,除了上述六个参数以外，软磁材料在不同的应用场合还会有一些特殊的要求，如在高频大功率下工作时，要求材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁导率m要高，并且衡量软磁材料性能的其它参数还有饱和磁致伸缩系数s，居里点Tc，密度d，电阻率以及介电常数等，都会因特定的需要而提出相应的要求。,小结 贮能高 高的饱和磁感应强度 灵敏度高 初始磁导率，最大磁导率，脉冲磁导率 效率高 Hc低，电阻率高，损耗小 回线矩形比高 稳定性好 磁滞回线较窄 矫顽力小 磁导率高,2.2.1 铁磁金
7、属和合金的结构和磁性 2.2.2 提高软磁特性的措施,2.2 软磁材料理论基础,一、铁磁金属的结构和磁性 （一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性,2.2.1 铁磁金属和合金的结构和磁性,铁Fe（常压下）： 温度912 体心立方（bcc）， 铁磁性的Fe， 居里温度为770 ， 易磁化方向为, 难磁化方向为 912 温度1394 面心立方, 顺磁性的Fe 温度1394 体心立方 顺磁性的Fe,熔点: 1538,镍 Ni （常压下）： 在常压下，在熔点以温 范围内，均是面心立结 构（fcc）; 镍为铁磁性金属 居里点为358 易磁化方向为 难磁化方向为,100,111,熔点: 1453,钴Co （常压下
8、）： 温度450 简单六方结构 铁磁性的- Co 居里点为1117 易磁化方向为 难磁化方向为和1010 温度450 至熔点 面心立方 - Co,Fe、Ni、Co铁磁金属小结,Fe,Ni,Co,2.2B,1.7B,0.7B,3d过渡族元素的磁性来源,Fe、Ni、Co ： 3d电子的交换相互作用，铁磁性 （2.2B,0.6B,1.7B) Cr、Mn： 3d电子的直接交换相互作用，反铁磁性 Cr、Mn的合金或化合物： 3d电子的超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性,、稀土族元素的结构和磁性, 结构 主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素， 加上性质类似的Y和Sc；晶体结构大都为密排六方
9、结构。 磁性 Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁矩的取向随温度而变。 Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。 重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁 磁性。 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩。,Yb,思考题：为什么 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素， 但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩？,稀土元素用途 大多数稀土元素呈现顺磁性。钆在0时比铁具更强的铁磁性。铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的高蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大差异。钐、铕、钇的热中子吸收截面比广
10、泛用于核反应堆控制材料的镉、硼还大。稀土金属具有可塑性，以钐和镱为最好。除镱外，钇组稀土较铈组稀土具有更高的硬度。 稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。 常用的氯化物体系为KCl-RECl3他们在工农业生产和科研中有广泛的用途，在钢铁、铸铁和合金中加入少量稀土能大大改善性能。用稀土制得的磁性材料其磁性极强，用途广泛。在化学工业中广泛用作催化剂。稀土氧化物是重要的发光材料、
11、激光材料。,http:/ 合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金 属元素组成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以 是金属元素，也可以是化合物。 相： 合金中具有相同的化学成分和结构并有界 面隔开的独立均匀部分。 组织：材料内部的微观形貌图象。,2、合金的基本相,根据结构的 基本特点分为,固溶体,金属间化合物,固溶体：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组 成的单一均匀固体（合金相）。 溶质只能以原子状态溶解，在结构上必 须保持溶剂组元的点阵类型。,工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。例如，广泛用的碳钢和合金钢，均以固溶体为基
12、体相，其含量占组织中的绝大部分。,固溶体分类,如黄铜中，锌置换了铜原子,如铁中，碳原子处在铁原子排列的间隙处,金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时，金属与金属或非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。 稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5、Sm2Co17 、Nd2Fe14B就是典型的例子。 金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律。,三、合
13、金的磁性,3d过渡族合金的结构和磁性 稀土族合金的结构和磁性 固溶体的结构和磁性,1、3d过渡族合金的结构和磁性 多为无序固溶体，且多显示铁磁性； 合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系（p215),2.稀土族合金的结构和磁性 多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。 晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。 轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。,3 固溶体的结构和磁性 磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物。 形成 置换固溶体时，
14、磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。 形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大。 有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变。 本征磁特性；二次磁特性,影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗 （一）、影响
15、磁导率的因素 机理： 可逆磁畴转动 可逆畴壁位移 动力：饱和磁化强度 阻力：内应力、参杂、空泡、晶界 1、可逆磁畴转动 2、可逆畴壁位移 其中,i = i 转+ i位,2.2.2 提高软磁特性的措施,决定磁性材料的因素,Ms;饱和磁化强度 K; 磁晶各向异性常数 ; 磁致伸缩系数 Material microstructures (crystal defects, impurities, presence of 2nd phase); 晶格缺陷、杂质、第二相 Heat treatments (with and without H applied); 场退火 Grain sizes;晶粒尺寸 Magnetization mechanism (domain wall displacement or domain rotation) 磁化机制,3.10,
