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软磁材料
软磁材料
定义：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。
特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。
*对软磁材料的基本要求有：
（1）初始磁导率 i和最大磁导率 max要高；
（2）矫顽力Hc要小；
（3）饱和磁感应强度MS要高；
（4）功率损耗P要低;
（5）高的稳定性。
*主要的软磁材料：
（1）合金－－如硅钢（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、仙台斯特合金（Fe-Si-Al）；
（2）软磁铁氧体－－Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等；
（3）非晶态、纳米晶、薄膜等。
*发展史：
（1）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信各领域。优点：其MS远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、电机等至今仍是Fe-Si合金材料。缺点：涡流损耗限制了其在高频段的应用。
（2）20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。
50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。
（3）1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，
1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料问世，
90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁
氧体的新的竞争对手。
优点：性能上远优于铁氧体；缺点：性价比上尚处于劣势。
2.1 衡量软磁材料的重要指标
1、起始磁导率
影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗
（一）、影响磁导率的因素
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
畴壁厚度
杂质直径
杂质体积浓度
i = i 转+ i位
§2.2.2 提高软磁特性的措施
畴壁厚度
杂质直径
杂质体积浓度
i = i 转+ i位
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
主要因素： 基本上不随加工条件和应用情况变化。
次要因素： 会随加工条件和应用情况而变化。
2、矫顽力HC
量级：10-1A/m~ 102A/m
*材料内部应力起伏和杂质的含量与分布是影响HC的主要因素。
*降低HC的方法与提高 i的方法相一致。
3、饱和磁感应强度MS
*高的MS 高的 i值；节省资源，实现器件的小型化
*提高MS的方法：选择适当的配方成分，但实际上MS值一般不可能有很大的变动。
4、磁损耗
*软磁材料多用于交流磁场，因此动态磁化造成的磁损耗不可忽视。
5、稳定性
*高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高，减落要小，随时间的老化要尽可能地小，以保证其长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。
*影响软磁材料稳定工作的因素：
低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等
2.2 提高起始磁导率的途径
必要条件：提高MS并降低K1、 S的值
充分条件：降低杂质浓度，提高密度，增大晶粒尺寸，结构均匀化，消除内应力和气孔的影响。
1、提高MS
*选择合适的配方可提高材料的MS值，但往往变动不大。
*选择配方时更要考虑K1、 S对 i的作用。
*例：CoFe2O4、Fe3O4的MS虽然较高，但其K1和 S值太大，因而不宜作为配方的基本成分。
2、降低K1和 S
*提高 i 的最有效方法 从配方和工艺上使K1 0、 S 0
*铁氧体软磁材料：配方时选择K1和 S很小的基本成分，如MnFe2O4、MgFe2O4、CuFe2O4、NiFe2O4等。然后再采用正负K1、 S补偿或添加非磁性金属离子冲淡磁性离子间的耦合作用。
*例：Fe-Ni合金 质量分数 Ni 81%时， S 0； Ni 76%时， K1 0； Ni 78.5%Fe-Ni合金经过热处理后， i可达104
*选择适当合金成分和热处理条件可以控制K1和 S在较低值
3、改善材料的显微结构
*材料的显微结构是指结晶状态(晶粒大小、完整性、均匀性、织构等)、晶界状态、杂质和气孔的大小与分布等。
*杂质、气孔的含量与分布是影响 i的重要因素。
降低杂质、气孔的方法：原材料、烧结温度及热处理条件的选择
*平均晶粒尺寸对 i的影响很大，晶粒尺寸增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小， i升高。
例：MnZn铁氧体 尺寸5 m以下时， i～500；尺寸在5 m以上时， i～3000
*晶粒尺寸长大的方法：适当提高烧结温度，但温度过高，便会形成气孔，导致 i下降。
*材料的织构化，包括结晶织构和磁畴织构，都可提高 i
4、降低内应力
*根据内应力的不同来源，可采用不同的方法：
(1) 磁致伸缩引起的内应力，与 S成正比，可通过降低 S来
减小此应力。
(2) 烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。可采用低温退火处理来消除应力。
(3) 气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。可通过原材料的优选以及工艺过程的严格控制来消除。

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