简析纳米晶软磁材料

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摘要:本文首先回顾了纳米晶软磁材料的发展过程，介绍了纳米晶软磁材料的组织结构与磁特性，并介绍了纳米晶软磁合金的应用。

关键词:纳米晶;软磁材料;铁芯;铁基合金

引言:八十年代以来，由于计算机网络和多媒体技术、高密度记录技术和高频微磁器件等的发展和需要，越来越要求所用各种元器件高质量、小型、轻量，这就要求制造这些器件所用的软磁合金等金属功能材料不断提高性能，向薄小且高稳定性发展[1]。正是根据这种需要，1988年日本的Yoshizawa等人首先发现，在Fe—Si—B非晶合金的基体中加人少量Cu和M(M=Nb，Fa，Mo，W等)，经适当的温度晶化退火以后，可获得一种性能优异的具有b.c.c结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金[2]。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良，这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe73.5CuNb3Si13.5B9，牌号为Finemet。其后，Suzuki等人又开发出了Fe—M—B(M=Zr，Hf，Ta)系。到目前为止，已经开发了许多纳米晶软磁材料，包括：Fe基、Co基、Ni基[3]。由于Co基和Ni基易于形成K、λs、同时为零的非晶态或晶态合金，如果没有特殊情况，实用价值不大。故本文主要介绍铁基纳米晶软磁合金。铁基纳米晶合金是以铁元素为主，加人少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为l0—20纳米的微晶，弥散分布在非晶母体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感(1.2T)、高初始磁导率(8万)、低Hc(0.32A/M)，高磁感下的高频损耗低(P0.5T/20kH=30W/kg)，电阻率为80微欧厘米，比坡莫合金(50—60微欧厘米)高，经纵向或横向磁场处理，可得到高Br(0.9T)或低Br值(1000Gs)。是目前市场上综合性能最好的材料。

1 纳米晶软磁合金的性能

1.1 软磁合金的磁特性

对于纳米晶软磁合金，按性能要求，常分为高Bs型、高0型等。

(1)高型纳米晶合金，其成份至今局限于FeSiB系。以FeCuNbSiB系磁性最佳，其性能参数达到：在磁场0.08A/m下，相对磁导率达14万以上，矫顽力最低已达0 .16A/m，饱和磁感Bs高达135T，在频率lOOkHz和磁感0.2T下铁损低达250kW/1T。值得研究的是饱和磁致伸缩系数21×10-6，而不是0左右。

(2)高Bs型铁基纳米晶合金，其Fe含量在88at%以上，Bs值可达16～1.72T，典型成份为FeMB(M=Zr，Hf等)。对于FeZrB系合金，典型成份为Fe73.5CuNb3Si13.5B9，经600℃退火1h，其Bs=166T，j(1kHz)=24000。对于FeHfB系，典型成份也是FeHf7B2在600退火1h，其Bs=1 6T，(1kHz)=18000。另外，对于Fe—P—C系合金，以Nd作为添加元素也可获得高Bs的铁基软磁合金。FeCuNbSiB系纳米晶合金是综合性能优秀的典型合金。曾将FeCuNbSiB系纳米软磁合金与其它软磁材料的磁特性进行过对比，发现其它各类软磁材料都是在一两项性能方面具有优势。

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

2.1 大功率中高频变压器

在 20～50 kHz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：功率大：当 10～20 kW时，功率密度可达到 15～ 20 kW/kg;漏感小：一般小于5 H;效率高：可达到 90%以上;体积小、质量轻：15 kW变压器的质量仅为 3 kg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。

2.2 高频开关电源

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。这些磁性器件均为开关电源的核心元件，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烦扰器等。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生产水平。

2.3 电磁兼容器件

在现代电子设备设计中，EMC(电磁兼容)与 EMI(抗电磁干扰)已越来越引起人们重视，解决这些问题的关键元件之一即是电感器件。对EMI器件中使用的电感器设计，人们在磁芯材料选用上曾做过很多探讨。选用价格低的硅钢和铁粉芯，其频率特性不佳，易发热，影响开关管工作;使用常规高性能铁氧体材料，其饱和磁感应强度和居里点低，需要增大磁芯尺寸与加大气隙;选用坡莫合金铁芯，成本则较高，而且大电流条件下使用时的性价比更高。因为这种电感器的工作频带在 kHz级，非晶纳米晶材料正适合用于此频带。现在，通过改进工艺加工技术和热处理技术，研制出了有效磁导率从几十到几万的系列材料，可以满足不同的电感器件需要。 2.4高精度电流互感器

对于大电流、高精度的电流互感器，磁芯材料的磁特性是产生误差的一个很大的影响因素。以往较常用的材料是坡莫合金，但坡莫合金高昴的价格限制了其大规模应用，纳米晶软磁材料是目前最为理想的制造大电流、高精度电流互感器磁芯的材料。纳米晶软磁材料的高磁导率 (初始磁导率 ≥60000)和低损耗特性很好地满足了电流互感器的精度要求磁芯材料的温度稳定性对测量精度有很大的影响。对纳米晶软磁材料进行温度稳定性研究发现，在工作磁感应强度低于0.8T、使用温度低于 120℃时，磁芯的值随温度的升高而略有增加，这有利于减小互感器的测量误差。近几年来，国内有关单位开展了电流互感器纳米晶软磁磁芯的研制生产工作，所生产的纳米晶软磁电流互感器不仅质量要比坡莫合金轻 1/3，而且精度可达 0.2S级水平。

2.5 高频电流取样器

高频电流取样器由于其使用频带宽、测量精度高，用常规软磁材料难于满足其全频段幅值和相位的高精度测量，通常用适合于不同频段的几种软磁材料制作电流取样器，进行分频段测试，这不但大幅度地增加了测量仪器的质量和体积，设备操作不便，且对测试精度有着较大的影响。通过对纳米晶软磁材料的成分及处理工艺进行设计和调整，用该种材料制备的纳米晶软磁磁芯制作高频电流取样器，其性能与国外同类产品相当。

2.6巨磁阻抗传感材料及器件

材料的交流阻抗随外加直流磁场的改变而变化的特性称为磁阻抗效应。最初对这一效应研究得最多的是具有零或负磁致伸缩系数的钴基非晶态软磁合金细丝，随着研究的深入以及新型纳米软磁材料一铁基纳米晶软磁合金的研制成功，由于其具有非常优异的软磁性能，是研究 GMI效应的最佳材料，正日益受到国内外学者的重视。当这种细丝通以高频电流时，丝两端感生的电压振幅随沿丝长方向所加外磁场强度的改变而变化，这种变化无磁滞效应，而且响应快、灵敏度高，这种特别大的磁阻抗效应即为巨磁阻抗效应(Giant Mago—impedance)。它的灵敏度一般情况下可达 0.25%/(A·m )，比传统的霍尔元件高出两个数量级，同时比最近几年才发展起来的巨磁电阻效应 (Giant Mago—Resistance，GMR)还高一个数量级，巨磁阻抗效应一般简写为 GMI。

参考文献：

[1]卢志超，周少雄.非晶合金发展的历史、现状与展望.

[2]徐泽玮.新软磁材料和新磁芯结构在电子变压器中的应用[J].金属功能材料，2005，12(1)：30.

[3]李志华.配电变压器用铁基非晶合金最新进展[J].金属功能材料，2000，7(5)：16.

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