[科普中国]-高磁导率材料

定义

所谓高磁导率材料，指的是磁导率大约在以上的铁磁性材料。也称之为软磁性材料。1

这类材料要求磁导率高，饱和磁感应强度大，电阻高，损耗低，稳定性好等。其中尤其是高磁导率和低损耗最重要。生产上为了获得高磁导率的磁性材料，一方面要提高材料的值，这由材料的成分和原子结构决定；另一方面要减小磁化过程中的阻力，这主要取决于磁畴结构和材料的晶体结构。因而必须严格控制材料成分和生产工艺。右图列出了各种磁介质的磁导率。

起始磁导率高，即使在较弱的磁场下也有可能储藏更多的磁能。损耗低，当然要求电阻率高，也要求尽可能小的矫顽力和高的截至频率。但磁导率和截至频率的要求往往是矛盾的，在不同频段和不同器件上使用时又有不同要求，因此通常根据不同频段下的使用情况选用系统、成分、性能不同的铁氧体。如在音频、中频和高频范围选用的尖晶石铁磁体，基本上是含锌的尖晶石，最主要的是Ni—Zn、Mn—Zn、Li—Zn铁氧体；在超高频范围（），则用磁铁石型六方铁氧体。2

材料获得方法提高饱和磁通密度的方法为了提高值，必须选择高饱和磁化强度的材料，即每个原子中的磁矩要大。在选择中，只要按照斯莱特一泡林格(Slater—Pauling)曲线就可以。假如从这个曲线出发，想获得高饱和磁通密度的材料，在允许的前提下提高磁性合金和化合物中的铁的浓度和添加，是个有效的方法。

降低矫顽力，提高磁导率的方法不难理解，从静态磁化过程出发下述方法是合活的。从根本上讲，采用提高合金和化合物的组成来提高，降低各向异性常数K和饱和磁致伸缩系数λs。其次，可以采用提高材料纯度，用适当的机械加工和热处理方法，获得良好的结晶取向或磁畴取向，进而再减少杂质，气孔和内部形变(应力)。这样可以使降低。

降低磁损耗的方法在交变磁场中，磁损耗分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。从经典的涡流损耗考虑，欲降低损耗可通过控制材料的组份来提高材料本身的电阻率，另外还可以将材料做成片状或根据情况将材料制成粉状微粒，在使用时相互间进行绝缘处理。从畴壁运动造成涡流损耗的观点出发，为了降低值，只要通过增加材料中张力以提高畴壁数量就可以解决。1

应用低频磁场屏蔽低频磁场是较难屏蔽的。利用高磁导率材料吸收损耗大的特点来屏蔽低频磁场是一个常用的磁场屏蔽法。使用高磁导率材料应注意以下几点：

(1)磁导率随着频率的升高而降低，材料手册上给出的数据通常是直流时的磁导率。直流时的磁导率越高，其随频率升高降低得越快。

(2)高磁导率材料在经过加工或受到冲击、碰撞后会发生磁导率降低的现象，因此必须在加工后进行适当的热处理。

(3)磁导率与外加磁场的强度有关。当外加磁场适中时，磁导率最高；当外加磁场过强时，屏蔽材料会发生饱和，磁饱和时的场强与材料的种类和厚度有关。

当要屏蔽的磁场很强时，如果使用高磁导率材料，会因磁饱和而丧失屏蔽效能；而使用低磁导率材料，由于吸收损耗不够，将不能满足要求。遇到这种情况，可采用双层屏蔽，如右图所示。3

零磁通电流传感器目前，最有效的电流传感器是采用高磁导率材料制造的零磁通电流传感器，如坡莫合金、非晶态合金等。

一般传感器采用普通互感器原理，传感器工作在磁滞回线上很短的一个区域，这个区域可以近似为一条斜线，它们极易受材料内应力以及温度的影响，造成磁滞回线变化，测试数据极不稳定。零磁通传感器是由1个形线圈、1个1/V变换器组成，如右图所示。

右图中原边线圈流过电流时，在磁环内产生一个磁通，检测线圈检测到该磁通后，便控制电流源向补偿线圈中提供一个补偿电流，其大小与相同，而方向相反，与相抵消。若抵消不完全，则剩余的磁通会被检测线圈检测到，进一步调节电流源的大小和方向。这是一个典型的自动负反馈系统，其最终平衡点是补偿后磁环中的磁通为零(故称为零磁通传感器)，此时经1/V变换后。

此传感器的关键在于整个系统工作在磁通为零的这个工作点，而不像传统传感器工作在一条磁滞回线上，所以避免了传统传感器的特性随温度漂移、非线性不好等缺点。即使电流在较大范围内变化时，传感器也可正常工作。4