非晶軟磁合金材料及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

1、非晶軟磁合金材料及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景非晶軟磁合金材料及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景1非晶軟磁合金材料及其應(yīng)用1.1非晶軟磁合金材料及其形成機(jī)理我們根據(jù)原子排列方式把物質(zhì)劃分為晶體和非晶體兩類。物質(zhì)里面的原子排列是整齊有序的叫做晶體物質(zhì)的原子排列是混亂的叫做非晶體。通常情況下，金屬及合金在從液體凝固成固體時(shí)，原子總是從液體的混亂排列轉(zhuǎn)變成整齊的排列，即成為晶體。但是，如果金屬或合金的凝固速度非?？欤ɡ缬妹棵敫哌_(dá)一百萬(wàn)度的冷卻速率將鐵－硼合金熔

2、體凝固），原子來不及整齊排列便被凍結(jié)住了，最終的原子排列方式類似于液體，是混亂的，這就是非晶合金（又稱為金屬玻璃）。由于不同的物質(zhì)形成非晶所需要的冷卻速度大不相同。單一金屬需要每秒高達(dá)一億度以上的冷卻速度才能形成非晶態(tài)。受目前工藝水平的限制，實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到如此高的冷卻速度，普通的單一的金屬難以從生產(chǎn)上制成非晶。為了獲得非晶態(tài)的金屬，一般將金屬與其它物質(zhì)混合。當(dāng)原子尺寸和性質(zhì)不同的幾種物質(zhì)搭配混合后，就形成了合金。這些合金具有兩個(gè)重要

3、性質(zhì)：①合金的成分一般在冶金學(xué)上的所謂“共晶”點(diǎn)附近，它們的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于純金屬，例如FeSiB合金的熔點(diǎn)一般為1200度以下，而純鐵的熔點(diǎn)為1538度；②由于原子的種類多了，合金在液體時(shí)它們的原子更加難以移動(dòng)，在冷卻時(shí)更加難以整齊排列，也就是說更加容易被“凍結(jié)”成非晶。有了上面的兩個(gè)重要條件，合金才可能比較容易地形成非晶。實(shí)際上，目前所有的實(shí)用非晶合金都是兩種或更多種元素組成的合金，例如FeSiB，F(xiàn)eNiPB，CoZr，ZrTiCuNi

4、等。迄今為止，國(guó)內(nèi)外非晶合金開發(fā)最多的是作為軟磁材料的一類。它們?cè)诨瘜W(xué)成分上的一個(gè)共同點(diǎn)是：由兩類元素組成：一類是鐵磁性元素（鐵、鈷、鎳或者他們的組合），它們用來產(chǎn)生磁性；另一類是硅、硼、碳等，它們稱為類金屬，也叫做玻璃化元素，有了它們，合金的熔點(diǎn)比純金屬降低了很多，才容易形成非晶。1.2非晶軟磁合金材料的種類1.2.1鐵基非晶合金鐵基非晶合金：主要元素是鐵、硅、硼、碳、磷等。它們的特點(diǎn)是磁性強(qiáng)（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)1.41.7T）、磁導(dǎo)

5、率、激磁電流和鐵損等軟磁性能優(yōu)于硅鋼片，價(jià)格便宜，最適合替代硅鋼片，特別是鐵損低（為取向硅鋼片的13－15），代替硅鋼做配電變壓器可降低鐵損60－70％。鐵基非晶合金的帶材厚度為0.03毫米左右，廣泛應(yīng)用于中低頻變壓器的鐵心（一般在10千赫茲以下），例如配電變壓器、中頻變壓器、大功率電感、電抗器等。1.2.2鐵鎳基非晶合金鐵鎳基非晶合金：主要由鐵、鎳、硅、硼、磷等組成，它們的磁性比較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大約為1T以下），價(jià)格較貴，但磁導(dǎo)率

6、比較高，可以代替硅鋼片或者坡莫合金，用作高要求的中低頻變壓器鐵心，例如漏電開關(guān)互感器。1.2.3鈷基非晶合金鈷基非晶合金：由鈷和硅、硼等組成，有時(shí)為了獲得某些特殊的性能還添加其它元素，由于含鈷，它們價(jià)格很貴，磁性較弱（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T以下），但磁導(dǎo)率極高，一般用在要求嚴(yán)格的軍工電源中的變壓器、電感等，替代坡莫合金和鐵氧體。1.2.4納米(超微晶)軟磁合金材料由于非晶合金中原子的排列是混亂無序的這種特殊結(jié)構(gòu)，使得非晶合金具有一些獨(dú)

7、特的性質(zhì)。所以，以前的非晶合金在使用時(shí)，必須保證它們處于非晶態(tài)。一般的非晶合金存在著發(fā)生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內(nèi)部的原子排列就變成了有序的，也就是說成為晶體，而且晶粒組織很粗大，這時(shí)非晶合金原有的磁性能就會(huì)喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態(tài)下使用。但是，自從八十年代末，日本的吉澤克仁等發(fā)現(xiàn)，含有Cu和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時(shí)，會(huì)形成非常細(xì)小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有10－20納米。這時(shí)材料磁性能不僅

8、不惡化，反而非常優(yōu)良。這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱為納米晶合金（以前也曾稱為超微晶合金）。1.4非晶軟磁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域由于非晶軟磁合金具有優(yōu)良的電磁性能，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊。1.4.1電力電子技術(shù)領(lǐng)域：大功率中、高頻變壓器逆變電源變壓器大功率開關(guān)電源變壓器1.4.2通訊技術(shù)：程控交換機(jī)電源數(shù)據(jù)交換接口部件脈沖變壓器UPS電源濾波和存儲(chǔ)電源、功率因素校正扼流圈、標(biāo)準(zhǔn)扼流圈1.4.3抗電磁干擾部件：交流電源、可控硅、E

9、MI差模、共模電感、輸出濾波電感1.4.4開關(guān)電源：磁飽和電抗器磁放大器尖峰抑制器扼流圈1.4.5傳感器：電流電壓互感器零序電流互感器漏電開關(guān)互感器防盜感應(yīng)標(biāo)簽1.5有關(guān)非晶軟磁合金材料的幾個(gè)問題1.5.1材料穩(wěn)定性1.5.1.1溫度穩(wěn)定性(指非晶態(tài)合金的磁性能隨使用溫度的變化)：常用的磁性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，其飽和磁通密度都是下降的。當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，材料變成順磁性的，原有磁性能喪失，無法繼續(xù)使用。這個(gè)溫度稱為磁性材料的居里溫度（或

10、居里點(diǎn)）。居里點(diǎn)越高，表明材料可能的使用溫度越高，即材料的溫度穩(wěn)定性越好。對(duì)于幾種常用的磁性材料，其居里溫度如下：硅鋼：600℃，坡莫合金：400℃，鐵氧體：400℃鐵氧體無論是飽和磁通密度還是居里點(diǎn)都是最低的；硅鋼的居里點(diǎn)最高，可惜只能在低頻使用；坡莫合金的居里點(diǎn)較高，飽和磁通密度中等，同時(shí)能在20kHz以上使用，但價(jià)格高；而不同的非晶態(tài)合金具有不同的飽和磁通密度和居里點(diǎn)，分別可以應(yīng)用于高頻和低頻，同時(shí)價(jià)格也低于相應(yīng)的其它材料。因此，

11、可以說非晶態(tài)合金作為變壓器鐵心使用是非常理想的。除了居里點(diǎn)以外，非晶態(tài)合金的晶化溫度也是衡量材料溫度穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)。由于非晶態(tài)合金在高溫下會(huì)發(fā)生晶化，由此它的使用溫度受到晶化溫度的限制。但是，非晶態(tài)合金的晶化溫度的高低是足以應(yīng)付幾乎所有使用條件的。通常，非晶態(tài)合金的晶化溫度在450－600℃之間，而高頻電源中的其它元器件的最高使用溫度也只不過在150℃以下。非晶態(tài)合金的溫度穩(wěn)定性對(duì)于某些應(yīng)用是至關(guān)重要的，因此，在非晶態(tài)合金的研究開