软磁材料技术发展与产业概括 一、软磁材料技术基础 定义：能够迅速响应外磁场的变化，当磁化发生在矫顽力Hc不大于100A/m（1.25Oe），这样的材料称为软磁体。 技术要求：能低损耗地获得高磁感应强度，即低损耗（P=涡流损耗Phv&磁损耗Pev）、高饱和磁感应强度（Ms），既容易受外加磁场磁化，也容易退磁，即高磁导率（μa）、高稳定性。低损耗可以保证能量转换效率高，器件不容易发热；高
饱和磁感应强度可以保证提供磁场强度大，最高的Fe-0.35Co合金拥有2.45T的饱和磁化强度，纯铁的有2.15T；容易磁化和退磁可以保证器件灵敏度。 材料分类： 1. 金属软磁，以硅钢片、坡莫合金、仙台合金等为代表，包括Fe系、Fe-Si系、Fe-Al系、Fe-Ni系、Fe-Si-Al系、Fe-Co系、Fe-Cr系等 2. 晶体软磁，又称铁氧体软磁材料，以Mn-Zn系、Ni-Zn系和Mg-Zn系为代表的各种软磁铁氧体 3. 非晶、纳米晶软磁材料，简称Finemet，有Fe基和Co 基两种非晶软磁材料； 按制品形态分类： i. 合金类，主要有硅钢片坡莫合金、非晶及纳米晶合金； ii. 粉芯类，又称磁粉芯，包括：铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯（High Flux）、坡莫合金粉芯（MPP）； iii. 铁氧体类：算是特殊的粉芯类， 包括：锰锌系、镍锌系 常用软磁材料特性： 大分类 主分类 主要系列 化学成分 饱和磁密度T 初始磁导率 电阻率Ω·m 居里温度℃
合金
硅钢 硅钢片 Fe-(<4.5)Si 1.8~2.1 ~103 45 750 坡莫合金 铁镍合金 Fe-(30-90)Ni 1.5 104~105 45 450
非晶合金 铁基 80Fe-20(Si-B)及少量C、P、Ni、Mo、Cr等 1.3~1.8 103~104 135~140 415
铁镍基 40Fe-40Ni-20(Si-B)少量C、P等 0.7~1.0 4*103~2*104 160 360 钴基 80Co-20(Si-B)少量P、V等 0.5~0.8 104~105 136~142 330
微晶(纳米晶)合金 铁基
80Fe-20(Si-B)及少量Cu-Nb、Mo等 1.23 >8*104 120 570
Fe-M-B(M=Zr,Hf,Nb) 1.5~1.7 3*103 - -
粉芯 铁粉芯 纯铁 100Fe 1.4 10~75 11 700 铁硅粉芯 铁硅粉 Fe-(<6.5)Si 1.5 50~70 - 500 铁硅铝粉芯 仙台粉 Fe-5.5Si-9Al 1.05 26~125 80 500 高磁通粉芯 铁镍粉 Fe-50Ni 1.5 14~200 100 400
钼坡莫合金粉芯 镍铁钼粉 Ni-17Fe-2Mo 0.75 14~550 120 400
铁氧体
锰锌系 功率铁氧体
Fe3+(Fe2+M2+)O4 M为Mn、Mg、Zn、Ni、Cu、Pb等二价金属元素 0.35~0.4 >103 103~104 130~ 250 高导铁氧体 高温高Ms铁氧体 高直流偏置铁氧体 MnMgZn铁氧体
镍锌系 常规NiZn铁氧体 Fe3+(Fe2+M2+)O4 M为Mg、Zn、Ni、Cu、Pb等二价金属元素 0.2~0.3 1~2*103 106 110~ 350 射频宽带NiCuZn铁氧体 低温鉄结NiCuZn铁氧体
二、软磁材料的应用介绍 软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到二十世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从四十年代到六十年代，雷达、电视广播、集成电路的发明等，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入七十年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金。
大分类 主分类 主要系列 制备特点 应用实例 发展趋势
合金 硅钢 硅钢片 可冲片、切割，有叠片式及卷绕式，价格便宜，产量大；Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度，使材料变脆 使用温度可超200度，其使用频率不超过400Hz。广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。 冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，厚度可低至0.02～0.05mm，近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。
坡莫合金 铁镍合金 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。加工后须退火1200～1300℃，保温3h并缓冷至600℃。Ni－Fe在600℃以下的冷却过程中发生有序化转变形成Ni3Fe；不利于磁性能。 在弱磁场下具有很高磁导率的铁芯材料和磁屏蔽材料，用于制作音频变压器、互感器、磁放大器、磁调制器、扼流器、音频磁头等。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。 根据磁性原子比理论和生产实践的检验，修正最佳成分设计公式及饱和磁感(Bs)和电阻率(ρ)经验公式；开发廉价坡莫合金，低镍(35-40%)的PD型采用关键技术可使磁性能达到PB型(42~50%)水平；控制适量的Nb含量和增加C、N、O含量，再配以合适的冷热加工工艺，获得{110} {311} {111}再结晶织构，提高磁性能和耐磨性。 非晶合金 铁基 气相沉积法:真空蒸发、溅射、辉光放电和化学沉积。液相急冷法: 将熔融合金用加压惰性气体(如氩气)将液态合金从直径为0.2-0.5μm的石英喷嘴中喷射到高速旋转(2000-10000r/min)的冷却棍表面.液态合金以106~108 K/s的高速冷却，形成非晶态.高能粒子注入法：采用能量密度较高(约100 kw/cm2)的激光或电子束来辊照金属表面时，可使表面局部熔化，并利用自身基体冷却产生4*l04—5* l06 K/s冷却速度，得到约400 μm厚度的非晶层. 高饱和磁感应强度，铁损低（取向硅钢片1/3~1/5），最佳应用是替代硅钢制作配电变压器铁芯, 达到节能目的。其最佳使用频率为kHz级， 其缺点主要是只能以带材卷绕方式制成磁芯， 因而大多为环形， 难以制造形状较复杂的磁芯。 选择合适的铁基非晶合金体系和元素掺杂，加大非晶形成能力和高饱和磁致伸缩的铁磁性块体非晶合金。铁基块体非晶合金体系100 K的大过冷液相区，进行形状复杂的超塑性加工。磁致伸缩传感器芯体材料。 铁镍基 铁镍基非晶材料的最佳适用频率较高，其范围为工频至30 kHz。主要用于制造中频变压器、大功率电抗器及功率因素校正器等。可以代替硅钢片或者坡莫合金，价格较贵。
钴基 钴基非晶材料其磁导率随频率增高而下降的很快， 因而不适于制作宽频带感性器件。另外， 由于成份中有钴， 因而成本较高。其磁致伸缩为零。主要用于制造高频变压器(相对工频而改造和完善现有的Co基磁性材料，提高其Bs值，降低矫顽力和高频损耗，拓宽其它性能如质量更轻、韧性和加工性更好、耐腐蚀性更高、适应于超高温下工作等 言)、脉冲变压器、磁放大器、功率因素校正器等。
微晶(纳米晶)合金 铁基 属于特殊的非晶合金，铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B 元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为10－20 纳米的微晶,弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料.
同时具有高饱和磁感Bs、高磁导率μ、高居里温度Tc及很低的损耗。最佳适用频率范围超不过500 kHz， 不适于制作宽频带感性器件。需要考虑其在高温下的组织稳定性。
纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展。科学界又发现纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用提供了良好的前景。
纳米晶合金都有优良的软磁特性。既有较高的Bs值，同时拥有优良的软磁特性。可以预期作为在电杆上变压器以及各种电力机器用磁心材料中能得到应用。 纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展。
粉芯 铁粉芯 纯铁Fe 磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。将磁性材料制成粉末，在粉末颗粒之间加上绝缘物质，用压缩成型的办法制成磁心，使用频率可以提高到几百MHz。 由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5～5 羰基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉。储能式电感，大部分应用在频率范围100KHz ~100MHz之间的高频功率扼流圈、谐振电感、RF调谐电感芯体。此外，用铁粉芯来替代铁镍相磁粉（MPP）的高磁通量磁芯或铁硅铝芯是一种高性价比设
价格低，初始磁导率μi随频率的变化稳定性好；高频损耗高。铁粉芯一般适用于-65℃~+125℃的温度范围。当磁芯的温度较高时，会使电感的品质因数(Q)永久性的降低。