[科普中国]-软磁材料

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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，

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）

软磁铁氧体的特点是：饱和磁通密度低，磁导率低，居里温度低，中高频损耗低，成本低。前三个低是它的缺点，限制了它的使用范围，现在(21世纪初)正在努力改进。后两个低是它的优点，有利于进入高频市场，现在(21世纪初)正在努力扩展。

以100kHz，0.2T和100℃下的损耗为例，TDK公司的PC40为410mW/cm3，PC44为300mW/cm3，PC47为 250mW/cm3。TOKIN公司的BH1为250mW/cm3，损耗不断在下降。国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。

不断地提高工作频率，是另一个努力方向。TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz。FDK公司的7H20，TOKIN的B40也能在1MHz下工作。Philips公司的3F4，3F45，3F5工作频率都超过1MHz。国内金宁的JP5，天通的TP5A工作频率都达到 500kHz至1.5MHz。东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz，达到5.64MHz。

磁导率是软磁铁氧体的弱项。现在(21世纪初)国内生产的产品一般为10000左右。国外TDK公司的H5C5，Philips公司的3E9，分别达到30000和20000。

采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究，值得注意。用这种方法的试验结果表明，可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本。国内已有试验成功的报导。

铁基非晶合金在工频和中频领域，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比，有以下优缺点。

1)铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低，但是，在同样的Bm下，铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3%硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄，电阻率高。这只是一个方面，更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态，原子排列是随机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，具有前所未有的软磁性，所以磁导率高，矫顽力小，损耗低。

2)铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84～0.86，与硅钢填充系数0.90～0.95相比，同样重量的铁基非晶合金磁芯体积比硅钢磁芯大。

3)铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度为1.35T～1.40T，硅钢为1.6T～1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130%左右。但是，即使重量重，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗，比采用硅钢的要低70%～80%。

4)假定工频变压器的负载损耗(铜损)都一样，负载率也都是50%。那么，要使硅钢工频变压器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的18　倍。因此，国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格，是硅钢工频变压器的130%～150%，并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提出两种比较的方法，一种是在同样损耗的条件下，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数，折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成5～11美元，相当于人民币 42～92元。每瓦负载损耗折合成0.7～1.0美元，相当于人民币6～8.3元。例如一个50Hz，5kVA单相变压器用硅钢磁芯，报价为1700元/ 台;空载损耗28W，按60元人民币/W计，为1680元;负载损耗110W，按8元人民币/W计，为880元;则，总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯，报价为2500元/台;空载损耗6W，折合成人民币360元;负载损耗110W，折合成人民币880元，总的评估价为3740元/台。如果不考虑损耗，单计算报价，5kVA铁基非晶合金工频变压器为硅钢工频变压器的147%。如果考虑损耗，总的评估价为89%。

5)现在(21世纪初)测试工频电源变压器磁芯材料损耗，是在畸变小于2%的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网畸变为5%。在这种情况下，铁基非晶合金损耗增加到106%，硅钢损耗增加到123%。如果在高次谐波大，畸变为75%的条件下(例如工频整流变压器)，铁基非晶合金损耗增加到160%，硅钢损耗增加到300%以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。

6)铁基非晶合金的磁致伸缩系数大，是硅钢的3～5倍。因此，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120%，要大3～5dB。

7)现行市场上，铁基非晶合金带材价格是0.23mm3%取向硅钢的150%，是0.15mm3%取向硅钢(经过特殊处理)的40%左右。

8)铁基非晶合金退火温度比硅钢低，消耗能量小，而且铁基非晶合金磁芯一般由专门生产厂制造。硅钢磁芯一般由变压器生产厂制造。

根据以上比较，只要达到一定生产规模，铁基非晶合金在工频范围内的电子变压器中将取代部分硅钢市场。在400Hz至10kHz中频范围内，即使有新的硅钢品种出现，铁基非晶合金仍将会取代大部分0.15mm以下厚度的硅钢市场。

值得注意的是，日本正在大力开发FeMB系非晶合金和纳米晶合金，其Bs可达1.7～1.8T，而且损耗为现有FeSiB系非晶合金的50%以下，如果用于工频电子变压器，工作磁通密度达到1.5T以上，而损耗只有硅钢工频变压器的10%～15%，将是硅钢工频变压器的更有力的竞争者。日本预计在2005年就可以将FeMB系非晶合金工频变压器试制成功，并投入生产。

非晶纳米晶合金在中高频领域中，正在和软磁铁氧体竞争。在10kHz至50kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金的工作磁通密度可达0.5T，损耗P0.5/20k≤25W/kg，因而，在大功率电子变压器中有明显的优势。在50kHz至100kHz电子变压器中，铁基纳米晶合金损耗P0.2 /100k为30～75W/kg，

铁基非晶合金P0.2/100k为30W/kg，可以取代部分铁氧体市场。

非晶纳米晶合金经过20多年的推广应用，已经证明其具有下述优点：

1)不存在时效稳定性问题，纳米晶合金在200℃以下，钴基非晶合金在100℃以下，经过长期使用，性能无显著变化;

2)温度稳定性比软磁铁氧体好，在-55℃至150℃范围内，磁性能变化5%～10%，而且可逆;

经过争论，现在(21世纪初)对磁粉芯等已经取得了一致认识，即认为它属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点：磁性金属粒子分散在非导体物件中，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用现在(21世纪初)的塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体;具有密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断，磁导率现在(21世纪初)一般在100以内。不过，采用纳米技术和其他措施，国外已有磁导率超过1000的报导，最大可达6000。

软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响，如磁性粒子的成分，粒子的形状，尺寸，填充密度等。因此，根据工作频率可以进行调整。

磁粉芯是软磁复合材料的典型例子。现在(21世纪初)已在20kHz至100kHz甚至1MHz的电感器中取代了部分软磁铁氧体。例如铁硅铝磁粉芯，硅含量为 8.8%，铝为5.76%，剩余全为铁。粒度为90～45μm，45～32μm和32～30μm。用硅树脂作粘接剂，1%左右硬脂酸作润滑剂，在 2t/cm2压力下，制成13×8×5　的环形磁芯，在氢气中用673°K，773°K，873°K退火，使磁导率达到100，300，600。在 100kHz下损耗低，已经代替软磁铁氧体和MPP磁粉芯用于电感器中。

已经有人对大功率电源的电感器用软磁复合材料——磁粉芯进行了开发研究。在20kHz以下，磁导率基本不变。在1.0T下，磁导率为100左右。50Hz～20kHz损耗小，可制成100kg重量以上的大型的磁芯，而且在20kHz下音频范围，噪声比环形铁氧体磁芯降低10dB。可以在大功率电源中代替硅钢和软磁铁氧体。

有人用钴/二氧化硅(Co/SiO2)纳米复合软磁材料制作不同于薄膜的大尺寸磁芯。钴粒子平均尺寸为30μm，填充度40%至90%，经过搅拌后，退火形成Co/SiO2纳米复合粉，然后压制成环形磁芯。磁导率在300MHz以下，都可达到16。镍锌铁氧体的磁导率为12，而且在100MHz 以后迅速下降。证明在高频和超高频下，软磁复合材料也可取代部分铁氧体市场。

近年来，出现了采用电驱动装置和电子控制装置实现产品的驱动、自动控制和多功能化的趋势，关键的核心材料之一就是软磁材料。软磁材料在各种器件中起到能量耦合传递及转换的作用。在能源日趋紧缺和环境问题日趋严重的今天，降低软磁材料的损耗提高磁芯效率，在节约能源及控制环境污染等方面具有重大意义。

20世纪90年代以来，软磁材料发展走过了辉煌的一页：非晶、纳米晶、金属玻璃软磁材料，磁粉芯、非晶微晶条带、软磁复合材料给越来越重视环境和能源问题的世界各国的节能减排带来希望。软磁材料在汽车、新能源、信息、消费电子以及电力电子领域的小型化和高性能化中具有重要意义，有待于我们加强基础，勇于探索，进行创新性的研究，争取在未来的国际磁性材料领域中，中国的自主知识产权占相当的比例1。

电子器件日益向小型化、高性能、高速化方向发展，因此对高频电感元件提出新的要求，并进一步要求改进和提高作为电感元件的铁氧体磁芯的性能，这对软磁材料及磁芯元件的要求就更高。良好的软磁材料应满足下述基本要求2：（1）为了提高功能效率，初始磁导率和最大磁导率要高；（2）为了省资源，便于轻薄短小，迅速响应外磁场极性的反转，剩余磁通密度要低，饱和磁感应强度要高；（3）损低，提高功能效率；（4）矫顽力小，提高高频磁性能；（5）电阻率高，提高高频性能，减少涡流损失；（6）磁致伸缩系数低，降低噪声；（7）作为基本特性的磁各向异性系数K 要低，在各个结晶方向都容易磁化。

从近几年各国软磁材料生产量的变化可以看出，世界软磁材料的生产格局已经发生了很大的变化。产量仍将有较大幅度的增长，但是竞争将会变得更为激烈。因此，如何降低成本、提高效率、提高产品档次及市场竞争力将成为竞争的关键。

目前需求量最大及对性能改进要求最为迫切的材料是高频低功率损耗铁氧体材料和高磁导率铁氧体材料。高频低功率损耗铁氧体材料主要用于各种高频小型化的开关电源及显示器、变压器等。高磁导率铁氧体材料则主要用于宽带变压器、脉冲变压器用抗电磁波干扰器件等。

从根本上来说，材料的微观结构决定其宏观性质，因此应以磁性量子理论为指导，着手分析并改进材料的微观结构，以改善其宏观磁学性能。目前，对软磁材料的研究已由粗晶转变到纳米晶合金材料的制备及其成分设计。纳米材料的研究及材料设计科学正是基于这种宏观磁学性能思想而发展起来的，即从第一原理出发来进行材料设计，在磁性材料方面，随着现代科学技术的发展，量子理论对自旋有序材料的成功解释及量子理论与微磁学的结合，逐渐实现高饱和磁感应强度和低损耗软磁的目标。

纳米科技给传统磁性产业带来跨越式的发展。利用纳米材料的优异性能和特殊结构来全面提高传统软磁材料的综合性能的优点，是在不用对现有设备进行大的技术改造的前提下，就可以达到全面提高企业传统材料的技术含量及质量等级的目的。

总之，软磁材料的发展将沿着高饱和磁感应强度、高磁导率、高居里温度、低损耗、低矫顽力和高频化、小型化、薄型化方向发展。将软磁铁氧体材料进一步向高频、高磁导率和低损耗发展。非晶、纳米晶软磁合金将研制开发新型、功能性的非晶纳米晶复合材料，拓宽非晶纳米晶复合材料的应用领域3。