永磁功能材料和軟磁功能材料
2006/4/13 2:01:10
上海亞皓儀表設(shè)備有限公司 供稿
永磁功能材料常稱永磁材料，又稱硬磁材料，而軟磁功能材料常稱軟磁材料。這裡的硬和軟並不是指力學(xué)性能上的硬和軟，而是指磁學(xué)性能上的硬和軟。磁性硬是指磁性材料經(jīng)過外加磁場(chǎng)磁化以後能長(zhǎng)期保留其強(qiáng)磁性(簡(jiǎn)稱磁性)，其特徵是矯頑力(矯頑磁場(chǎng))高。矯頑力是磁性材料經(jīng)過磁化以後再經(jīng)過退磁使具剩餘磁性(剩餘磁通密度或剩餘磁化強(qiáng)度)降低到零的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而軟磁材料則是加磁場(chǎng)既容易磁化,又容易退磁,即矯頑力很低的磁性材料。退磁是指在加磁場(chǎng)(稱為磁化場(chǎng))使磁性材料磁化以後，再加同磁化場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)使其磁性降低的磁場(chǎng)。
永磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用都最早的一類磁性材料。我國(guó)最早發(fā)明的指南器(稱為司南)便是利用天然永磁材料磁鐵礦製成的。現(xiàn)在的永磁材料不但種類很多，而且用途也十分廣泛。常用的永磁材料主要具有4種磁特性：(1)高的最大磁能積。最大磁能積[符號(hào)為(BH)m]是永磁材料單位體積存儲(chǔ)和可利用的最大磁能量密度的量度；(2)高的矯頑(磁)力。矯頑力[符號(hào)為(H)c]是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量度；(3)高的剩餘磁通密度(符號(hào)為Br)和高的剩餘磁化強(qiáng)度(符號(hào)為Mr)。它們是具有空氣隙的永磁材料的氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的量度；(4)高的穩(wěn)定性，即對(duì)外加干擾磁場(chǎng)和溫度、震動(dòng)等環(huán)境因素變化的高穩(wěn)定性。當(dāng)前常用的重要永磁材料主要有：(1)稀土永磁材料，這是當(dāng)前最大磁能積最高的一大類永磁材
圖1 釹鐵硼稀土永磁材料料，為稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金屬互化物(又稱金屬間化合物)。圖1是我國(guó)研製和生產(chǎn)的釹鐵硼稀土合金永磁材料。(2)金屬永磁材料。這是一大類發(fā)展和應(yīng)用都較早的以鐵和鐵族元素(如鎳、鈷等)為重要組元的合金型永磁材料，主要有鋁鎳鈷(AlNiCo)係和鐵鉻鈷(FeCrCo)係兩大類永磁合金。鋁鎳鈷係合金永磁性能和成本屬於中等，發(fā)展較早，性能隨化學(xué)成分和製造工藝而變化的範(fàn)圍較寬，故應(yīng)用範(fàn)圍也較廣。鐵鉻鈷係永磁合金的特點(diǎn)是永磁性能中等，但其力學(xué)性能可進(jìn)行各種機(jī)械加工及冷或熱的塑性變形，可以製成管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應(yīng)用。(3)鐵氧體永磁材料。這是以Fe2O3為主要組元的複合氧化物強(qiáng)磁材料(狹義)和磁有序材料如反鐵磁材料(廣義)。其特點(diǎn)是電阻率高，特別有利於在高頻和微波應(yīng)用。如鋇鐵氧體(BaFe12O19)和鍶鐵氧體(SrFe12O19)等都有很多應(yīng)用。除上述3類永磁材料外，還有一些製造、磁性和應(yīng)用各有特點(diǎn)的永磁材料。例如微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材料(可應(yīng)用於電冰箱門的封閉)、可加工永磁材料等。
圖2 鐵-硅係軟磁材料的磁和電損耗P隨年代降低
圖3 非晶軟磁材料的低損耗
軟磁材料種類多和用途廣,具有5種主要的磁特性：
(1)高的磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率(符號(hào)為μ)是對(duì)磁場(chǎng)靈敏度的量度；
(2)低的矯頑力Hc顯示磁性材料既容易受外加磁場(chǎng)磁化，又容易受外加磁場(chǎng)或其他因素退磁，而且磁損耗也低；
(3)高的飽和磁通密度Bs和高的飽和磁化強(qiáng)度Ms。這樣較容易得到高的磁導(dǎo)率μ和低的矯頑力Hc，也可以提高磁能密度；
(4)低的磁損耗和電損耗。這就要求低的矯頑力Hc和高的電阻率；
(5)高的穩(wěn)定性，這就要求上述的軟磁特性對(duì)於溫度和震動(dòng)等環(huán)境因素有高的穩(wěn)定性。當(dāng)前常用的重要的軟磁材料主要有：(1)鐵-硅(Fe-Si)係軟磁材料，常稱硅鋼片，是電機(jī)工業(yè)廣泛使用磁性材料。圖2示出這一磁性材料系統(tǒng)的非取向Fe-Si合金(i)、單取向Fe-Si合金(ⅱ)、雙取向Fe-Si合金(ⅲ)、特殊處理Fe-Si合金(ⅳ)和非晶Fe-Si-B材料(v)的磁和電損耗P降低隨年代的進(jìn)展。(2)鐵-鎳(Fe-Ni)係軟磁合金是磁導(dǎo)率μ和矯頑力Hc低的性能良好的軟磁材料，有著廣泛的應(yīng)用。(3)鐵氧體軟磁材料，其突出優(yōu)點(diǎn)是電阻率極高，可以在高頻率和超高頻率使用，在通信和多種電子學(xué)器件中有著重要的應(yīng)用。(4)非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料，是在20世紀(jì)後期發(fā)展起來的新軟磁材料。非晶軟磁材料的特點(diǎn)是製造工藝較簡(jiǎn)單，化學(xué)成分變化範(fàn)圍較寬、磁性均勻和良好的各向同性(因無(wú)晶粒結(jié)構(gòu))。從圖3中可以看出非晶軟磁材料的低損耗的優(yōu)點(diǎn)。將適當(dāng)成分的非晶軟磁材料透過適當(dāng)?shù)臒崽幚磲幔梢允狗蔷顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫ЯＶ睆綖榧{米量級(jí)的結(jié)晶態(tài)軟磁材料，也可以得到良好的軟磁材料。(5)其他軟磁材料。選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和適當(dāng)?shù)难u造工藝，可以得到具有特定軟磁等性能的軟磁材料。例如，具有高能和磁化強(qiáng)度的鐵-鈷(Fe-Co)係軟磁合金，具有較高電阻率的鐵-鋁(Fe-Al)係軟磁合金，具有磁晶各向異性和磁致伸縮都趨近於零的鐵-硅-鋁(Fe-Si-Al)合金等。
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永磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用都最早的一類磁性材料。我國(guó)最早發(fā)明的指南器(稱為司南)便是利用天然永磁材料磁鐵礦製成的。現(xiàn)在的永磁材料不但種類很多，而且用途也十分廣泛。常用的永磁材料主要具有4種磁特性：(1)高的最大磁能積。最大磁能積[符號(hào)為(BH)m]是永磁材料單位體積存儲(chǔ)和可利用的最大磁能量密度的量度；(2)高的矯頑(磁)力。矯頑力[符號(hào)為(H)c]是永磁材料抵抗磁的和非磁的干擾而保持其永磁性的量度；(3)高的剩餘磁通密度(符號(hào)為Br)和高的剩餘磁化強(qiáng)度(符號(hào)為Mr)。它們是具有空氣隙的永磁材料的氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的量度；(4)高的穩(wěn)定性，即對(duì)外加干擾磁場(chǎng)和溫度、震動(dòng)等環(huán)境因素變化的高穩(wěn)定性。當(dāng)前常用的重要永磁材料主要有：(1)稀土永磁材料，這是當(dāng)前最大磁能積最高的一大類永磁材
圖1 釹鐵硼稀土永磁材料料，為稀土族元素和鐵族元素為主要成分的金屬互化物(又稱金屬間化合物)。圖1是我國(guó)研製和生產(chǎn)的釹鐵硼稀土合金永磁材料。(2)金屬永磁材料。這是一大類發(fā)展和應(yīng)用都較早的以鐵和鐵族元素(如鎳、鈷等)為重要組元的合金型永磁材料，主要有鋁鎳鈷(AlNiCo)係和鐵鉻鈷(FeCrCo)係兩大類永磁合金。鋁鎳鈷係合金永磁性能和成本屬於中等，發(fā)展較早，性能隨化學(xué)成分和製造工藝而變化的範(fàn)圍較寬，故應(yīng)用範(fàn)圍也較廣。鐵鉻鈷係永磁合金的特點(diǎn)是永磁性能中等，但其力學(xué)性能可進(jìn)行各種機(jī)械加工及冷或熱的塑性變形，可以製成管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應(yīng)用。(3)鐵氧體永磁材料。這是以Fe2O3為主要組元的複合氧化物強(qiáng)磁材料(狹義)和磁有序材料如反鐵磁材料(廣義)。其特點(diǎn)是電阻率高，特別有利於在高頻和微波應(yīng)用。如鋇鐵氧體(BaFe12O19)和鍶鐵氧體(SrFe12O19)等都有很多應(yīng)用。除上述3類永磁材料外，還有一些製造、磁性和應(yīng)用各有特點(diǎn)的永磁材料。例如微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材料(可應(yīng)用於電冰箱門的封閉)、可加工永磁材料等。
圖2 鐵-硅係軟磁材料的磁和電損耗P隨年代降低
圖3 非晶軟磁材料的低損耗
軟磁材料種類多和用途廣,具有5種主要的磁特性：
(1)高的磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率(符號(hào)為μ)是對(duì)磁場(chǎng)靈敏度的量度；
(2)低的矯頑力Hc顯示磁性材料既容易受外加磁場(chǎng)磁化，又容易受外加磁場(chǎng)或其他因素退磁，而且磁損耗也低；
(3)高的飽和磁通密度Bs和高的飽和磁化強(qiáng)度Ms。這樣較容易得到高的磁導(dǎo)率μ和低的矯頑力Hc，也可以提高磁能密度；
(4)低的磁損耗和電損耗。這就要求低的矯頑力Hc和高的電阻率；
(5)高的穩(wěn)定性，這就要求上述的軟磁特性對(duì)於溫度和震動(dòng)等環(huán)境因素有高的穩(wěn)定性。當(dāng)前常用的重要的軟磁材料主要有：(1)鐵-硅(Fe-Si)係軟磁材料，常稱硅鋼片，是電機(jī)工業(yè)廣泛使用磁性材料。圖2示出這一磁性材料系統(tǒng)的非取向Fe-Si合金(i)、單取向Fe-Si合金(ⅱ)、雙取向Fe-Si合金(ⅲ)、特殊處理Fe-Si合金(ⅳ)和非晶Fe-Si-B材料(v)的磁和電損耗P降低隨年代的進(jìn)展。(2)鐵-鎳(Fe-Ni)係軟磁合金是磁導(dǎo)率μ和矯頑力Hc低的性能良好的軟磁材料，有著廣泛的應(yīng)用。(3)鐵氧體軟磁材料，其突出優(yōu)點(diǎn)是電阻率極高，可以在高頻率和超高頻率使用，在通信和多種電子學(xué)器件中有著重要的應(yīng)用。(4)非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料，是在20世紀(jì)後期發(fā)展起來的新軟磁材料。非晶軟磁材料的特點(diǎn)是製造工藝較簡(jiǎn)單，化學(xué)成分變化範(fàn)圍較寬、磁性均勻和良好的各向同性(因無(wú)晶粒結(jié)構(gòu))。從圖3中可以看出非晶軟磁材料的低損耗的優(yōu)點(diǎn)。將適當(dāng)成分的非晶軟磁材料透過適當(dāng)?shù)臒崽幚磲幔梢允狗蔷顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫ЯＶ睆綖榧{米量級(jí)的結(jié)晶態(tài)軟磁材料，也可以得到良好的軟磁材料。(5)其他軟磁材料。選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分和適當(dāng)?shù)难u造工藝，可以得到具有特定軟磁等性能的軟磁材料。例如，具有高能和磁化強(qiáng)度的鐵-鈷(Fe-Co)係軟磁合金，具有較高電阻率的鐵-鋁(Fe-Al)係軟磁合金，具有磁晶各向異性和磁致伸縮都趨近於零的鐵-硅-鋁(Fe-Si-Al)合金等。
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