第28卷第5期2005年l
月
兵器材料科学与工程
ORDN乃NCEMAJERIALSCIENCEANDENGINEERINGVol28N01
2005
非晶/纳米晶软磁材料及其应用
’
纪松钱冲明张延松谭锁奎
(中国兵器科学研究院宁波分院浙江宁波315103)摘要:综述了软磁材料的分类及其性能对比重点介绍了高性能非晶/纳米晶软磁材料的性能及应用非晶/纳米晶软磁材料具有较高的综合软磁性能如高饱和磁感应强度高磁导率低高频损耗等用非晶/纳米晶软磁材料制作的器件
具有质量轻体积小性能高等优点在大功率中高频变压器高频开关电源电磁兼容器件高精度电流互感器巨磁阻抗传感器等中得到了广泛的应用是软磁材料的又一个发展方向和研究热点关键词:非晶;纳米晶;软磁材料
;
中图分类号:TM2712文献标识码:A文章编号
:1004一2科X(2005)01一0051一05
Amorphous/nanoerystalnesoftmagneticmaterialsandthdraPPlicaUons
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(NinghoBranehofChinaAeademyofOrdnaneeSeieneeNingbo315103China
Abstract:Inthispapertheelassifieationandpropertyeontrastofsoftma叨etiematerialsaresumarizedTheemphasesare川aeedonthe厂叩e御andapplieationofhighprop,rtyamo甲hous/nanoe口stallinesoftmagndiematerialsThe二sultsshowth
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现代电力电子的仪器设备正朝着小型化轻量化的方向发展这种小型化轻量化是科技发展的需
求而且对于军用装备来说尤为
重要
在电子装备中部分无源器件如电阻电容等已
实现平面化可以大幅度减轻质量和减小体积但对
于功率器件如电感器变压器等尤其是在大功率条
件下因工艺技术所限实现平面化技术难度较大这就要求从器件材料角度出发利用新型材料所具有的高性能特点来减小器件的体积和质量如发展高饱
和磁感应强度高磁导率低高频损耗的综合性能软
磁材料针对这类实际使用要求软磁材料从Fe一Si合金铁氧体发展到非晶材料及近年来发展起来的纳米晶(也称超微晶)软磁材料特别是纳米晶软磁材料因其综合性能大幅度的提高为电子装备的小型
化轻量化提供了材料技术的基础
1软磁材料的分类
从十九世纪末最早的软磁材料工业纯铁开始软磁材料经过百余年的发展性能由低到高成分由简
单到复杂已发展成为一个由工业纯铁Fe一Si
合金
Fe一Ni合金Fe一51一AI合金Fe一C。合金Fe
基非
晶合金Fe一Ni基非晶合金Co基非晶合金和软磁铁氧体等构成的多品种多牌号的软磁材料体系为现
代工程技术的发展提供了强有力的材料技术支撑
从目前常规软磁材料的性能特征来看工业纯铁Fe一Si合金Fe一Co合金和Fe基非晶合金具有较高的饱和磁感应强度B但磁导率较低损耗高不宜
在高频下应用;Fe一Ni合金和CO基非晶合金具有高磁导率C。基非晶合金还具有低损耗特性可在高频
下使用但饱和磁感应强度较低且价格昂贵;软磁铁
收稿日期2004一01一18;修订日期2004一04一14作者简介纪松(1963一)男研究员级高工博士电
话
:0574一879023
01兵器材料科学与工程第28卷氧体具有低损耗特性但磁导率和饱和磁感应强度且均较低可见目前常规软磁材料往往仅具有某些较高的软磁性能还不具备高综合软磁性能即兼有
高
饱和磁感应强度高磁导率和低损耗等性能图1“’为
1kHz
下的纳米晶软磁材料和传统的软磁材料的饱和磁感应强度B与有效磁导率户的关系6’丫一叹砰石赢-250「\人。‘25r\认扮慷护“25犷\、丫决蕊礴乒!\)、夺洛推{攫里’5「~冬琴若。125卜r、、丫共尧砚}l、丫狱忿62下女{二蓝几多’5琳鱿我袜一一125一00510152刀25BslT图1IkHzo4A/m下软磁材料的饱和磁感应强度B和有效磁导率户的关系20世纪80年代末问世的Fe基纳米晶软磁材料在性能上兼有与Fe基非晶材料相近的高饱和磁感应强度与CO基非晶材料相当的高磁导率和低损耗在软磁材料发展史上首次实现了集常规软磁材料的性能优势于一体综合软磁性能十分优异这是20世
纪
继非晶软磁材料后软磁材料领域的又一重大进
展
成为磁性材料研制和应用开发领域的又一热点和学科发展前沿经过多年的研究开发Fe基纳米晶软磁
材料在电子装备中得到了广泛的应用目前常用非晶纳米晶软磁材料及其性能见表1’2〕
2非晶纳米晶软磁材料的应用
鉴于非晶纳米晶软磁材料的优异特性可应用于电子仪器设备中的大功率中高频变压器高频开关电源电磁兼容器件高精度电流互感器高频电流取样器磁传感器等器件中
21大功率中高频变压器
在20一50kHz频率范围内的变压器以往一般采
用铁氧体做变压器磁芯由于制造工艺的限制大功
表1常用软磁材料及其性能合金产0“(mHm)产/(mHm)Hc/(Am)Br/B铁基纳米晶铁基非晶钻基非晶铁镍基非晶坡莫合金IJ85功率铁氧体冷轧硅钢09085095口/T尸/(wkg)125W月二34刀/(闷m)d/(gemTc/
℃
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187556W=4=4=30=457572572
767741527x1005x10]2x105x104062飞q427
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价5512
62
03W=204776
55x10
0502南50
率变压器所需要的磁芯很难解决不得不使用几个磁
芯纳米晶软磁材料具备的优异性能为高频变压器
的小型化轻量化提供了理想材料用纳米晶软磁材料制造的变压器具有以下优点l”’
:
功率大:当10~20kw时功率密度可达到15-
20kw/kg;漏感小:一般小于5
卜H;
效率高:可达
到
90%以上;体积小质量轻:巧kw
变压器的质量仅为
3kg左右体积比铁氧体降低50%;
温升小:由于纳米
晶软磁材料的低损耗可大幅度降低发热从而提高变压器的使用可靠性22高频开关电源
非晶纳米晶软磁材料的薄带厚度和电阻率决定其最佳应用频率范围在kHz频带这正好与目前的高频开关电源频带相同高频开关电源就成了应用非晶纳
米晶软磁材料应用的重要领域高频开关电源中使用的磁性器件较多如图2[,’所示这些磁性器件均为开
控制功率变压器
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图2开关电源中使用的磁性器件
关电源的核心元件如功率变压器电流互感器共模
电感扼流圈滤波电感可饱和电感尖峰信号抑制器和抗噪声干扰器等
我国已开发出多种规格的非晶纳米晶材料的O型C型CD型等器件应用于开关电源变压器的磁芯
并广泛应用到了中频电源逆变电源程控交换机及逆变焊机等的电源变压器这些产品的成功推广应用有效地提高了非晶纳米晶软磁材料及器件的技术与
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