软磁材料

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软磁材料
所谓软磁材料，特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。所谓的软，指这些材料容易磁化，在磁性上表现“软”。软磁材料的用途非常广泛。因为它们容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路的轭铁等。  
   
常用软磁材料：  
   
硅钢片：  
    硅钢是含硅量在3％左右、其它主要是铁的硅铁合金。硅钢片大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器。硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度（2.0T以上），因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作（如工作磁感值1.5T）。但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。  
    硅钢通常是薄片状的，这是为了在制造变压器铁芯时减小铁芯的涡流损失。目前硅钢片主要分热轧和冷轧两大类。  
    所谓热轧硅钢，是把硅钢板坯在850度以上加热后轧制，然后再进行退火。由于轧制温度高，所轧制出来的硅钢片都是各向同性的，也就是说硅钢片的磁性在各个方向上相同。这种各向同性的硅钢也叫做无取向硅钢。无取向硅钢大量应用在电机中的定子或者转子。因为要制造电机定子和转子，就要在大的硅钢片上冲压出圆形的零件。这时总是希望硅钢片沿圆周方向磁性一致，所以要用无取向硅钢。  
    为了获得更好的磁性能，后来人们发明了冷轧硅钢片，即在较低温度下轧制，再退火。冷轧取向硅钢片是其中的代表。冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结构缺陷。在随后的退火过程中，材料发生结构上的变化（称为再结晶），这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，也就是说磁性能和方向有关，因此被称为取向硅钢。在最终使用时，让铁芯中的磁力线沿磁性能最好的方向通过，这样便可以最大限度地发挥硅钢片的磁性能潜力。例如，在变压器中，铁芯材料的磁力线是沿一个方向通过的，如果把硅钢片适当裁剪，然后卷绕成铁芯，使得铁芯周长方向恰好是硅钢片磁性能最好的方向，那么铁芯的导磁率就会很高，容易磁化，能量损耗小，最终提高了变压器效率。  
    我国对硅钢片的编号是：热轧硅钢片D（如D31指含硅3.1％的热轧硅钢）；冷轧硅钢片DT；高磁感取向硅钢片Q和QG。这些材料的磁性能可以从相关的书籍和手册中得到。  
   
坡莫合金：                                    
    坡莫合金指铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35％－90％之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。它们的饱和磁感应强度一般在0.6--1.0T之间。  
    最简单的坡莫合金是铁镍两种元素组成的合金，通过适当的轧制和热处理，它们能够具备高导磁率，同时也可以合理搭配铁和镍的含量，获得比较高的饱和磁感应强度。但是，这种坡莫合金的电阻率低，力学性能不好，所以实际应用并不很多。  
    目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钼、铜等。添加这些元素的目的是增加材料的电阻率，以减小做成铁芯后的涡流损失。同时，添加元素也可以提高材料的硬度，这尤其有利于作为磁头等有磨损的应用。  
    坡莫合金的生产过程比较复杂。例如，板材轧制的工艺、退火温度、时间、退火后的冷却快慢等都对材料最终的磁性能有很大影响。  
    我国的坡莫合金牌号是1JXX。其中，J表示“精密合金”，“1”表示软磁，后面的数字为序号，通常表示合金中的含镍量。例如1J50、1J851等。坡莫合金具有高的导磁率，所以常常用在中高频变压器的铁芯或者对灵敏度有严格要求的器件中，例如高频（数十KHz）开关电源变压器、精密互感器、漏电开关互感器、磁屏蔽、磁轭等。  
   
软磁铁氧体：  
    铁氧体是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料（或者称为陶瓷材料）。铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低（0.5T以下），但导磁率比较高，而且电阻率很高（这时因为铁氧体是由很小的颗粒压制成的，颗粒之间的接触不好，所以导电不佳），因此非常有利于降低涡流损耗。正因为如此，铁氧体能够在很高的频率下（可以达到兆Hz甚至更高）使用，而它的饱和磁感应强度低，因此不适合在低频下使用。铁氧体最广泛的用途是高频变压器铁芯和各种电感铁芯。

软磁材料(zz)
软磁材料是指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料，如硅钢片、纯铁等。特点是易磁化、易去磁且磁滞回线较窄。软磁材料常用来制作电机、变压器、电磁铁等电器的铁心。
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。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。软磁材料种类繁多，通常按成分分为：
①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。
②铁硅系合金。含硅量 0.5％ ～ 4.8％，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。
③铁铝系合金 。含铝6％～16％，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。
④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。
⑤镍铁系合金。镍含量30％～90％，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。
⑥铁钴系合金。钴含量27％～50％。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。
⑦软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-2～1010Ω•m ），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）。
⑧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，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。
⑨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。
软磁材料的常用磁性能参数
饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。
剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值。
矩形比：Br∕Bs
矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。
磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值，与器件工作状态密切相关。
初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。
居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。
损耗P：磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，
磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc；降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为：
总功率耗散（mW）/表面积（cm2）
软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换
在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。
磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属及合金系统，随着生产的发展，在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料——铁氧体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其他铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。
铁氧体磁性材料按其晶体结构可分为：尖晶石型（MFe2O4）；石榴石型（R3Fe5O12）；磁铅石型（MFe12O19）；钙钛矿型（MFeO3）。其中M指离子半径与Fe2＋相近的二价金属离子，R为稀土元素。按铁氧体的用途不同，又可分为软磁、硬磁、矩磁和压磁等几类。
软磁材料是指在较弱的磁场下，易磁化也易退磁的一种铁氧体材料。有实用价值的软磁铁氧体主要是锰锌铁氧体Mn－ZnFe2O4和镍锌铁氧体Ni－ ZnFeO4。软磁铁氧体的晶体结构一般都是立方晶系尖晶石型，这是目前各种铁氧体中用途较广，数量较大，品种较多，产值较高的一种材料。主要用作各种电感元件，如滤波器、变压器及天线的磁性和磁带录音、录像的磁头。