功能材料-(磁性材料)

第三章磁性材料Chapter3MagneticMaterials主要内容：软磁材料硬磁材料磁记录材料软磁材料磁性材料磁记录材料硬磁材料磁性材料是应用物质的磁性和各种磁效应，以满足电工设备、电子仪器、电子计算机等各方面技术要求的金属、合金及铁氧体化合物材料。磁性材料的基本参量：起始磁导率i、最大磁导率m、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br、最大磁能积(BH)m等。磁性材料的类别：第三章磁性材料第一节软磁材料软磁材料是电力和电子工业中的重要磁性材料。一、软磁材料的特性矫顽力低一般为Hc0.8kA/m。易磁化在磁场中容易显示磁性，即使磁场强度较小。易退磁施加外磁场即显示磁性，去掉外磁场，则获得的磁性便会全部或大部分丧失。第三章磁性材料－§3.1软磁材料软磁材料的磁滞回线BrO-HcHc-BrBHBs-Bs二、软磁材料的基本性能要求贮能高：要求单位体积贮存的磁能量高。磁性参量的要求：高的Bs或Br。灵敏度高：要求在弱磁场中对信号有高灵敏性。磁性参量的要求：高的i和m。效率高：要求在磁场中工作时具有低的磁滞损耗和涡流损耗。磁性参量的要求：低的Hc，高的。回线矩形比高：保证噪音小，信号不失真等。磁性参量的要求：高的Br/Bs比值。稳定性好：要求磁性不随外界条件变化而改变，其变化率越小则稳定性越好。第三章磁性材料－§3.1软磁材料三、软磁材料的种类电工用纯铁含碳量wc0.04%的铁碳合金，纯度在99.5%以上。1、电工用纯铁的性能（1）磁性能高的饱和磁感应强度，高的磁导率，低的矫顽力。i＝300～5000，m＝6000～120000，Hc＝0.0398～0.0955kA/m，Bs=2.16T。（2）电性能电阻率很低，铁损很大。10×10－8·m。（3）力学性能强度、硬度很低，塑性好。b＝27kg/mm2，HB＝131，＝25%，＝60%。第三章磁性材料－§3.1软磁材料电工用纯铁的磁性磁性等级牌号Hc/A·m-1不大于m/10-3H·m-1不小于磁感应强度/T，不小于B5B10B25B50B100普级高级特级超级DT3,DT4,DT5,DT6DT3A,DT4A,DT5A,DT6ADT4E,DT6EDT4C,DT6C967248327.508.7511.3015.001.401.501.621.711.80B5、B10、B25、B50和B100分别表示H为500、1000、2500、5000和10000A/m时的磁感应强度值。第三章磁性材料－§3.1软磁材料2、影响电工用纯铁性能的因素及改善性能的方法（1）杂质的影响杂质种类：C、N、O、H、S、P、Mn、Si、Al、Cu等。其中C的影响最为突出，使Ms降低，磁滞损耗增加，磁化困难。改善方法：严格控制冶炼与轧制过程，去除气体含量和有害杂质。（2）晶粒大小的影响晶粒大，有利于提高磁导率，降低矫顽力Hc。（3）塑性变形（冷加工）的影响冷加工使矫顽力Hc增加，磁导率下降，使磁性能恶化。3、主要用途直流磁场下工作的磁性元件，如电磁铁和继电器的铁芯。第三章磁性材料－§3.1软磁材料电工用硅钢片在纯铁中加入1.04.0%Si的铁碳硅合金。Si的加入，提高了电阻率，从而减少涡流损耗。1、电工用硅钢片的种类硅钢片按生产方法、结晶织构和磁性能的分类：热轧非织构（无取向）硅钢片电工用硅钢片冷轧非织构（无取向）硅钢片冷轧高斯织构（单取向）硅钢片冷轧立方织构（双取向）硅钢片第三章磁性材料－§3.1软磁材料2、Si对硅钢片性能的影响随Si%的增大：磁化越容易磁导率增大矫顽力Hc减小电阻率增大磁各向异性减小磁致伸缩效应降低脆性增大，加工性能差综合考虑：Si%≤4%小提示：磁致伸缩是当铁磁体磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方向长度伸长或缩短。磁滞损耗降低涡流损耗降低第三章磁性材料－§3.1软磁材料3、高斯织构硅钢片结构特点：易磁化方向[100]与轧制方向平行难磁化方向[111]与轧制方向成55角中等磁化方向[110]与轧制方向成90角高斯织构硅钢片具有磁各向异性，沿[100](轧制方向)磁性能最佳。4、立方织构硅钢片结构特点：(100)面与轧制面平行易磁化方向[100]、[010]分别平行和垂直轧制方向中等磁化方向[110]与轧制方向成45角难磁化方向[111]偏离磁化平面立方织构硅钢片沿轧向和垂直轧向均具有良好的磁性。轧制方向[100][111][110]横向55轧制方向[100][111][110]45（100）轧制面[010]第三章磁性材料－§3.1软磁材料高斯织构和立方织构硅钢片性能比较高斯织构立方织构轧制方向垂直轧制方向轧制方向垂直轧制方向m/0Hc/79.6A/mBr/10-4TBm/10-4TP1.5/W/kg550000.089500163000.8880000.271750110002.241160000.0712200166000.85650000.0811500160001.0铁损P下标代表磁感应强度的kT数，如P1.5就代表B＝1.5kT时单位重量的铁损。第三章磁性材料－§3.1软磁材料5、主要用途电力工业中的铁芯材料各种电动机、发电机、变压器的铁芯。可采用无取向的硅钢片。电讯工业中的铁芯材料一般在较高频率的弱磁场中使用。仪器仪表工业中的电磁元件扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表中的电磁元件。主要应用：电动机、发电机、变压器的铁芯。第三章磁性材料－§3.1软磁材料铁镍合金（坡莫合金，Permalloy)含镍3090%的铁镍合金。合金牌号的表示方法：1J举例：1J791、铁镍合金的特点在中、弱磁场下具有高的、低的Bs、很低的Hc和低的损耗。随Ni含量的升高，磁导率()增大。磁滞回线的矩形比(Br/Bs)高。塑性和加工性能良好。工艺参数变动对磁性能影响较大，产品性能不够稳定。软磁合金代号的序号，表示合金中的镍含量第三章磁性材料－§3.1软磁材料2、铁镍合金的种类及应用（1）1J50类特点：含镍量36～50%。具有较低的磁导率、较高的饱和磁感应强度、较大的矫顽力。热处理时适当提高温度，延长时间，可降低矫顽力，提高磁导率。牌号：1J46、1J50、1J54应用：中等强度磁场下工作的磁性器件，如中小功率变压器、微电机、继电器、扼流圈的铁芯、屏蔽罩、话筒振动片等。（2）1J51类特点：含镍34～50%。磁滞回线矩形比高，在中等磁场下有较高的磁导率和饱和磁感应强度。经过纵向磁场热处理可使材料沿磁路方向的最大磁导率m及矩形比Br/Bs增加，矫顽力降低。牌号：1J51、1J52、1J34应用：中小功率磁放大器、磁调制器、脉冲变压器，计算机元件。第三章磁性材料－§3.1软磁材料（3）1J65类特点：含镍量～65%。具有高的最大磁导率、低的矫顽力、磁滞回线矩形比高(Br/Bs达0.98)。经纵向磁场热处理可以改善磁性能。牌号：1J65、1J67应用：中等功率磁放大器、扼流圈、继电器的铁芯等。（4）1J79类特点：含79%Ni、4%Mo及少量Mn。在弱磁场下具有极高的最大磁导率，低的饱和磁感应强度。牌号：1J76、1J79、1J80、1J83应用：弱磁场下的高灵敏度小型功率变压器、小功率磁放大器、继电器的铁芯，录音磁头和磁屏蔽等。（5）1J85类特点：含镍79～81%。具有最高的起始磁导率、很高的最大磁导率、极低的矫顽力。对微弱信号反应极灵敏。牌号：1J85、1J86、1J87应用：弱磁场下的扼流圈、音频变压器、高精度电桥变压器、互感器、录音机磁头的铁芯等。第三章磁性材料－§3.1软磁材料铁镍合金的类别、特性及主要用途类别典型牌号特性主要用途高矩形系数1J511J521J53矫形系数高，Bs较高，m较高中、小功率的脉冲变压器和记忆元件高磁感应强度1J501J461J54非取向材料，具有较高的Bs和Hc值中、小功率变压器，扼流圈，继电器以及控制微电机铁芯高磁导率1J791J801J831J76较高的i和m值，较低的Bs和Hc值弱磁场下的各类小功率变压器，继电器，扼流圈的铁芯，磁头和磁屏蔽等高直流磁导率1J651J67具有最高的直流磁导率和矫形磁滞回线扼流圈和计算机元件，因电阻率低，不宜用于高频高起始磁导率1J851J861J77很高的i和m，极低的Hc和损耗扼流圈，音频变压器的铁芯，磁头等第三章磁性材料－§3.1软磁材料铁铝合金以铁和铝（约6～16%）为主要元素组成的软磁合金。1、铁铝合金的特点电阻率较高，因此高频磁特性较好。例如1J16的电阻率是目前所有软磁金属材料中最高的一种，达到150·cm，为1J79铁镍合金的2～3倍。硬度、强度和耐磨性较高。例如1J16的硬度和耐磨性比1J79合金高，适用于磁头等磁性器件。密度较低。可以减轻磁性元件的铁芯质量。对应力敏感性小。适于在冲击、振动等环境下工作。合金的时效性良好。随着环境温度的变化和使用时间的延长，其磁性变化不大。第三章磁性材料－§3.1软磁材料2、铁铝合金的主要应用铁和铝资源丰富、价格低廉，铁铝合金的磁性能与铁镍合金类似，同时还具有一些独特的优点，因此是铁镍合金的一种替代材料，适用于电子变压器、磁头和磁致伸缩换能器等方面。铁铝合金的牌号、主要成分、特点和用途牌号铝含量/%特点主要用途1J65.5～6.0在铁铝合金中Bs最高，磁性能不如硅钢片，但有较好的耐蚀性微电机的铁芯等1J1211.6～12.4和Bs值介于1J6和1J16之间，与1J50属同类型合金，具有高电阻率、抗应力、耐辐射等特性控制微电机、中功率音频变压器，脉冲变压器，继电器等铁芯1J1312.8～14.0与纯镍相比，Bs高，Hc小，但抗蚀性稍差水声器件和超声器件1J1615.5～16.3在铁铝合金中，最大，Hc最小，但Bs值不高弱磁场下工作的小功率变压器，互感器，磁屏蔽第三章磁性材料－§3.1软磁材料铁钴合金牌号为1J22的铁钴合金（含钴50%，含钒1.4～1.8%，余为铁），又称为坡明德（Premendur）合金。1J22铁钴合金的特点及用途饱和磁感应强度最高，超过目前任何已知的软磁材料。适合制做重量轻、体积小的空间技术器件(如微电机、电磁铁、继电器等)。很高的居里温度（980C）。在其他软磁材料已完全热退磁的温度下，仍能保持良好的磁稳定性，适于高温环境工作。很高的饱和磁致伸缩系数。1J22制造的磁致伸缩换能器能够输出高的能量。电阻率(0.4·m)低，加工性差，容易氧化，价格昂贵。第三章磁性材料－§3.1软磁材料软磁铁氧体铁氧体是将铁的氧化物(如Fe2O3)与其他某些金属氧化物用特殊工艺制成的复合氧化物，呈亚铁磁性。最典型的软磁铁氧体：以三价铁为基本组成的复合氧化物系列。举例：MFe2O4、M3Fe2O5、MFeO3、MFe12O19(分子式中M为某些金属离子)1、软磁铁氧体的特点（与金属软磁材料相比）磁导率与磁化率之比很大，电阻率高（达102～1012·m）涡流损耗小，介质损耗小。起始磁导率和磁感应强度较低。饱和磁感应强度只有纯铁的1/5～1/3，单位体积储能较低。第三章磁性材料－§3.1软磁材料2、常用软磁铁氧体材料及应用（1）锰锌铁氧体（MnO·ZnO·Fe2O3）特点：尖晶石型结构，晶粒粗大，结构紧密，常呈黑色。i值较大。随Zn2+含量增加，Ms增大，K1、s值减小，居里温度（Tc）下降。增加Fe2O3含量，使Bs值增大，Tc升高。应用：制作1MHz以下的磁性元件，如滤波器、中频变压器、偏转线圈、中波磁性天线等的磁芯。（2）镍锌铁氧体（NiO·ZnO·Fe2O3）特点：晶粒细小，常呈棕色。价格高。i值较低，低频下损耗大；m值较大，高频时损耗小，为优良的高频软磁铁氧体材料。应用：调频器磁芯，高、中频电感线圈、滤波线圈，脉冲变压器、磁放大器、高频天线中的磁芯。第三章磁性材料－§3.1软磁材料（3）镁锌铁氧体特点：饱和磁矩低，高频特性不如镍锌铁氧体，低频特性不如锰锌铁氧体。但原料中不有