软磁材料及应用-March.ppt
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1、磁性功能材料及应用磁性功能材料及应用4Part 1 绪论绪论(4)4Part 2 磁电子学材料及应用磁电子学材料及应用(4)4Part 3 软磁材料及应用软磁材料及应用(12)4Part 4 永磁材料及应用永磁材料及应用(12)4Part 5 旋磁铁氧体材料及其应用(旋磁铁氧体材料及其应用(4)4Part 6 电磁波吸收材料的发展及其在电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用中的应用(4)3.1 概述概述3.2 软磁材料理论基础材料理论基础 金属软磁材料软磁材料 非晶、纳米晶软磁材料2.5 铁氧体软磁材料软磁材料Part 3 软磁磁材料软磁磁材料3.5 3.5 软磁铁氧体材料软磁铁氧体材料3.
2、5.1 软磁铁氧体材料特性要求软磁铁氧体材料特性要求3.5.2 软磁铁氧体材料合成与制备软磁铁氧体材料合成与制备3.5.3 尖晶石铁氧体材的结构与特性尖晶石铁氧体材的结构与特性3.5.4 常见的软磁铁氧体材料常见的软磁铁氧体材料3.5.1 软磁铁氧体材料的特性要求软磁铁氧体材料的特性要求软磁铁氧体材料的特性要求软磁铁氧体材料的特性要求一一.概述概述:1.要求:要求:四高四高-i、Q、fr、稳定性高、稳定性高(温度系数温度系数、减减 落因子落因子DF);2.特点:容易获得磁性也容易失去特点:容易获得磁性也容易失去,主要用于高主要用于高f弱场弱场二二.分类分类 二二.分类分类 1.按晶体结构按晶体
3、结构:尖晶石型尖晶石型;平面六角晶系平面六角晶系;2.按材料应用性能分:按材料应用性能分:1.高磁导率材料高磁导率材料(i=2000-4 104):低频、宽频带变压器低频、宽频带变压器 及小及小 型型 脉冲变压器脉冲变压器 2.低损耗材料:电源磁芯低损耗材料:电源磁芯,高功率场合高功率场合;3.低损耗高温定性材料低损耗高温定性材料:通信滤波器磁芯通信滤波器磁芯;4.高频大磁场材料:空腔谐振器、高功率变压器等高频大磁场材料:空腔谐振器、高功率变压器等 5.功率铁氧体(高功率铁氧体(高Bs)材料:)材料:开关电源及低频功率变压器开关电源及低频功率变压器 6 高密度记录材料:用做录音高密度记录材料:
4、用做录音,录象磁头录象磁头;7 电波吸收体材料:吸收电磁波能量,广泛应用于抗干扰电子电波吸收体材料:吸收电磁波能量,广泛应用于抗干扰电子 技术技术磁特性参数磁特性参数磁特性参数磁特性参数1.起始磁导率起始磁导率I L:电感量(:电感量(mH););R:电阻;:电阻;h、Di、Do:样品高,内径,外径:样品高,内径,外径2.磁损耗磁损耗:品质因素:品质因素:Q=L/R;损耗角正切:损耗角正切:tg=1/Q;比损耗系数比损耗系数:tg /i=1/iQ 一般材料一般材料i Q=常数常数.3.温度稳定性温度稳定性:温度系数温度系数 比温度系数:比温度系数:u/i4.4.减落减落:反映材料随时间的稳定性
5、反映材料随时间的稳定性5.5.磁老化磁老化6.6.截止频率截止频率fr:fr:由于畴壁或自然共振由于畴壁或自然共振,值值值值迅速下降迅速下降为起始值的一半且为起始值的一半且为起始值的一半且为起始值的一半且 达达达达到峰值时的频率到峰值时的频率到峰值时的频率到峰值时的频率,衡量材料应用频率的上限衡量材料应用频率的上限.f 软磁材料的磁性能软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降随时间增长而不断下降,其原因,其原因除减除减落之外,还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆落之外,还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化变化,称为磁老化,用老化系数,称为磁老化,用老化系数Ia表示。式中表示。式中 1、
6、2分分别为老化前后测得的磁导率。别为老化前后测得的磁导率。在磁正常状态化之后,恒定温度下经过在磁正常状态化之后,恒定温度下经过 一定的时一定的时间间隔间间隔(t1-t2),材料磁导率的相对减小。,材料磁导率的相对减小。软磁铁氧体的磁导率软磁铁氧体的磁导率一、起始磁导率的理论概述一、起始磁导率的理论概述:微观机理微观机理:可逆畴转,可逆畴壁位移可逆畴转,可逆畴壁位移 i=i 转转+i位位对于一般烧结铁氧体:对于一般烧结铁氧体:1.如内部气孔较多如内部气孔较多,密度低密度低,壁移难壁移难,i转转为主为主;2.如晶粒大如晶粒大,气孔少气孔少,密度高密度高,以壁移为主以壁移为主.磁化的难易程度决定于磁
7、化动力磁化的难易程度决定于磁化动力(MsH)与阻滞之比与阻滞之比,比值比值高则易磁化高则易磁化;反之难磁化反之难磁化.理论上提高磁导率的条件理论上提高磁导率的条件:1.1.必要条件:必要条件:1.Ms 1.Ms要高要高(MsMs2 2););2.k 2.k1 1,s s0;0;2.2.充分条件充分条件:1.1.原料杂质少原料杂质少,;2.2.密度要提高密度要提高(P (P ),),即材料晶粒尺寸要大即材料晶粒尺寸要大(D(D ););3.3.结构要均匀结构要均匀(晶界阻滞晶界阻滞););4.4.消除内应力消除内应力 s s ;5.5.气孔气孔,另相另相 (退磁场退磁场)二、提高二、提高i 的方
8、法的方法(一)(一).提高材料的提高材料的Ms 尖晶石铁氧体尖晶石铁氧体 Ms=|MB-MA|1.选高选高MBs的单元铁氧体的单元铁氧体 如如:MnFe2O4(4.6-5 B);NiFe2O4(2.3 B)2.加入加入Zn,使使MAs降低降低 (二二).).降低降低 k k1 1和和 s s 1.离子取代降低离子取代降低k1,s 1.加入加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性冲淡磁性离子的磁各向异性 2.加入加入Co2+:一般铁氧体一般铁氧体k10,正负正负k补偿;补偿;3.引入引入Fe2+,Fe2+在在MnZn表现为正表现为正k,可正负补偿调整可正负补偿调整k;4.加入加入Ti4+,2Fe3
9、+Fe2+Ti4+;有轨道矩存在的离子,通过晶场效应与自旋有轨道矩存在的离子,通过晶场效应与自旋-轨道耦合作用,轨道耦合作用,将产生大的磁晶各向异性。将产生大的磁晶各向异性。L=0或轨道矩猝灭的离子,磁或轨道矩猝灭的离子,磁晶各向异性小。晶各向异性小。2.2.选总轨道角动量选总轨道角动量L L=0=0的单元铁氧体的单元铁氧体;MnFe;MnFe2 2O O4 4,LiFeO,LiFeO4 4 3.3.选择选择L L被被猝灭猝灭;NiFe;NiFe2 2O O4 4 ,CuFe,CuFe2 2O O4 4 (三三).).显微结构:显微结构:1.1.结晶状态结晶状态:晶粒大小、完整性、均匀性;晶粒
10、大小、完整性、均匀性;2.2.晶界状态晶界状态:厚薄、气孔、另相;厚薄、气孔、另相;3.3.晶粒内气孔晶粒内气孔,另相另相:大小、多少和分布;大小、多少和分布;高高 材料材料:大晶粒大晶粒,晶粒均匀完整晶粒均匀完整,晶界薄晶界薄,无气孔和另相无气孔和另相(四四).).内应力对内应力对 的影响:的影响:1.1.有磁化过程中的磁致伸缩引起,它与有磁化过程中的磁致伸缩引起,它与 s s 成正比;成正比;2.2.烧结后冷却速度太快,晶格应变和离子、空位烧结后冷却速度太快,晶格应变和离子、空位 分布不均匀而产生畸变;分布不均匀而产生畸变;3.3.由气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀由气孔、杂质、另相
11、、晶格缺陷、结晶不均匀 等引起的应力,与原材料纯度和工艺有关。等引起的应力,与原材料纯度和工艺有关。高高材料材料:消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等消除内应力、晶格畸变等 综上所述综上所述综上所述综上所述 1.1.1.1.原材料原材料原材料原材料:纯度高、活性好、杂质少:纯度高、活性好、杂质少:纯度高、活性好、杂质少:纯度高、活性好、杂质少,对对对对MnZnMnZnMnZnMnZn材料材料材料材料 而言粒度最好在而言粒度最好在而言粒度最好在而言粒度最好在0.150.150.150.150.25 m0.25 m0.25 m0.25 m范围内。特别注范围内。特别注范
12、围内。特别注范围内。特别注 意半径较的大杂质混入;意半径较的大杂质混入;意半径较的大杂质混入;意半径较的大杂质混入;2.2.2.2.配方除满足高配方除满足高配方除满足高配方除满足高MsMsMsMs,更重要是满足,更重要是满足,更重要是满足,更重要是满足k k k k1 1 1 1 0,0,0,0,s s s s 0 0 0 0;一般当要求一般当要求一般当要求一般当要求 i i i i在在在在5000500050005000以下时以下时以下时以下时,可以加入必要的添可以加入必要的添可以加入必要的添可以加入必要的添 加剂如加剂如加剂如加剂如 CaO,TiO CaO,TiO CaO,TiO CaO,
13、TiO2 2 2 2,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi,LaO,CuO,Bi2 2 2 2O O O O3 3 3 3,B,B,B,B2 2 2 2O O O O3 3 3 3,BaO,BaO,BaO,BaO,V V V V2 2 2 2O O O O5 5 5 5,ZrO,ZrO,ZrO,ZrO2 2 2 2 等,以改善损耗特性及其它性能;等,以改善损耗特性及其它性能;等,以改善损耗特性及其它性能;等,以改善损耗特性及其它性能;3.3.3.3.保证获得高密度及优良显微结构,造成磁化过程保证获得高密度及优良显微结构,造成磁化过程保证获得高密度及优良显微结构,造成
14、磁化过程保证获得高密度及优良显微结构,造成磁化过程 以以以以壁移壁移壁移壁移为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结 法是获得稳定优良性能必不可少的条件;法是获得稳定优良性能必不可少的条件;法是获得稳定优良性能必不可少的条件;法是获得稳定优良性能必不可少的条件;4.4.4.4.采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性 能,促使均匀化,消除内应力,调节离子、空位能,促使均匀化
15、,消除内应力,调节离子、空位能,促使均匀化,消除内应力,调节离子、空位能,促使均匀化,消除内应力,调节离子、空位 的稳定分布状态。的稳定分布状态。的稳定分布状态。的稳定分布状态。1.1010 还可能发生自然还可能发生自然交换共振。交换共振。摘自当代磁学摘自当代磁学p82一、软磁铁氧体磁谱及形状一、软磁铁氧体磁谱及形状软磁铁氧体的磁谱软磁铁氧体的磁谱磁谱磁谱:软磁材料在弱交变磁场中,复磁导率软磁材料在弱交变磁场中,复磁导率r=r-r 随频随频率变化的曲线率变化的曲线 二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素二、影响磁谱的因素一、尺寸因素一、尺寸因素尺寸共振:尺寸共振:电磁波在介质内
16、的波长小于真空中的波长电磁波在介质内的波长小于真空中的波长c c是真空中的光速,是真空中的光速,f f是频率。是频率。对对Mn-ZnMn-Zn铁氧体铁氧体 103,5104,若若,求得,求得波长为厘米波长为厘米,当与磁场垂直方向,当与磁场垂直方向的磁芯尺寸与半波长()整数倍相近时,将有驻波发生,电的磁芯尺寸与半波长()整数倍相近时,将有驻波发生,电磁波将在样品中发生共振。采用磁波将在样品中发生共振。采用减小尺寸或叠片方式减小尺寸或叠片方式,可以,可以避免尺寸共振。避免尺寸共振。磁力共振效应:磁力共振效应:当交变磁场的频率与样品当交变磁场的频率与样品机械振动的固有频率一致机械振动的固有频率一致时
17、,由于磁致伸缩效应而时,由于磁致伸缩效应而发生的机械振动的共振效发生的机械振动的共振效应。应。通过通过调节样品尺寸或将样调节样品尺寸或将样品用绝缘材料固定防止振品用绝缘材料固定防止振动,动,可避免磁力共振现象可避免磁力共振现象畴壁位移过程就是一种磁化弛豫过程畴壁位移过程就是一种磁化弛豫过程,在交变磁场作用时在交变磁场作用时表现为频散和能量损耗。表现为频散和能量损耗。以180畴壁移动为例,单位畴壁面积的运动方程。右面三项依次为:右面三项依次为:使畴壁运动的使畴壁运动的磁场力磁场力;畴壁运动的畴壁运动的阻力阻力;弹性恢复力弹性恢复力。mw是单位面积畴壁的有是单位面积畴壁的有效质量。效质量。畴壁共振
18、和弛豫畴壁共振和弛豫 m 有效质量;有效质量;:劲度系数劲度系数;D 畴壁宽度;畴壁宽度;畴壁厚度畴壁厚度 :为畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回为畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回复力大小的量度,是一个结构灵敏常数复力大小的量度,是一个结构灵敏常数-Nado公式共振角频率共振角频率 在交变磁场和磁晶各向异性等效场在交变磁场和磁晶各向异性等效场 Hk 共同作用下,在共同作用下,在磁化矢量转动过程中发生的频散和能量损耗磁化矢量转动过程中发生的频散和能量损耗。磁场中磁化矢量的运动方程磁场中磁化矢量的运动方程 有效场(内场)有效场(内场)在没有外部恒磁场作用时,磁晶各向异
19、性等效磁场和交在没有外部恒磁场作用时,磁晶各向异性等效磁场和交变磁场共同作用下的磁化矢量转动过程产生的磁化率同样存变磁场共同作用下的磁化矢量转动过程产生的磁化率同样存在频散,且在在频散,且在自然共振频率位置发生共振自然共振频率位置发生共振,出现最大能量损,出现最大能量损耗。人们发现自然共振频率和起始磁化率之间存在一个关系:耗。人们发现自然共振频率和起始磁化率之间存在一个关系:(斯诺克公式斯诺克公式)磁畴的自然共振磁畴的自然共振旋磁比旋磁比三三 提高提高fr的方法的方法1.降低降低ZnO含量含量 i ,fr (ZnO居里点、居里点、K1低低)2.选选K1较高的材料为高频材料较高的材料为高频材料;
20、f 1MHz,以以MnZn为主为主;f 1MHz,NiFe2O4 K1较大,以较大,以NiZn为主为主;f 100MHz,以平面六角结构材料为主以平面六角结构材料为主;3.加入磁晶各向异性很强的离子加入磁晶各向异性很强的离子 Co2+1.冻结畴壁的移动冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率提高畴壁共振频率 2.形成形成Co2Y相相,增大材料的增大材料的磁晶各向异性磁晶各向异性;原则:提高原则:提高HK(K1)、畴转动、气孔退磁作用、畴转动、气孔退磁作用(形状可形状可 向异性向异性)、应力各向异性、应力各向异性4.加入低熔点物质加入低熔点物质PbO,CuO 掺入低熔点物质,可使掺入低熔点物质,可使T烧
21、烧降低降低150200 C;提高密度和电阻提高密度和电阻 率,细化晶粒率,细化晶粒,获得高密度细晶粒结构获得高密度细晶粒结构,使使fr上升,在上升,在MnZn,NiZn 中都可以运用中都可以运用;5.降低烧结温度:形成降低烧结温度:形成多孔多孔细晶粒细晶粒结构从而增大结构从而增大Heff,提高提高fr 在在NiZn 中普遍采用;中普遍采用;6.热压成热压成高密度细晶粒材料高密度细晶粒材料,使畴壁减少至单畴;,使畴壁减少至单畴;7.应用时应用时:对对 k10(s0(s0)压力压力;磁芯开气隙磁芯开气隙,使使i;加直流偏磁场加直流偏磁场(固定畴壁固定畴壁);软磁铁氧体的损耗软磁铁氧体的损耗一、一、
22、.概述概述产生原因产生原因:软磁材料在弱交变场软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成另一方面由于各种原因造成B落后于落后于H而产生损耗而产生损耗,即材即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散.LeggLegg公式公式公式公式涡流损耗涡流损耗磁滞损耗磁滞损耗剩余损耗剩余损耗二二.磁损耗分类磁损耗分类:非共振区(损耗较小)非共振区(损耗较小):1.1.涡流损耗涡流损耗;2.2.磁滞损耗磁滞损耗;3.3.剩余损耗剩余损耗;共振区(损耗较大)共振区(损耗较大):4.4.尺寸损耗尺寸损耗;5.5.畴壁损耗畴壁损耗;6.6
23、.自然共振自然共振(一)、(一)、涡流损耗涡流损耗涡流损耗:由于电磁感应引起涡流而产生的损耗。涡流损耗:由于电磁感应引起涡流而产生的损耗。一般铁氧体一般铁氧体 很高时很高时,可忽略涡流损耗可忽略涡流损耗;对高对高 材料,由于材料,由于Fe2+含量较高,(含量较高,(=10-210 m),),涡流损耗较大。涡流损耗较大。降低涡流损耗的有效方法是降低涡流损耗的有效方法是:降低样品的厚度降低样品的厚度d(有效厚度(有效厚度de)提高提高晶粒内部晶粒内部 或或晶界晶界 1.1.晶粒内部晶粒内部:防止防止FeFe2+2+出现出现,如配方中如配方中FeFe2 2O O3 350mol%50mol%(FeF
24、e3 3O O4 4导电性好导电性好)在高频在高频NiZnNiZn要防止要防止FeFe2+2+产生产生,需在高氧气氛下烧结需在高氧气氛下烧结;采用缺铁配方采用缺铁配方,防止防止FeFe2+2+出现出现;加入适量的加入适量的MnMn2+2+,Co,Co2+2+,抑制抑制FeFe2+2+;加入助熔剂加入助熔剂CuOCuO或用或用CuOCuO替代部分替代部分NiONiO,形成,形成NiZnCuNiZnCu复合铁氧复合铁氧 体,提高电阻率;体,提高电阻率;降低降低T T烧烧,因因FeFe2+2+随随 T T烧烧 而而(高温时高温时O O2 2少少););2.提高晶界提高晶界(主要对主要对MnZn)对于
25、高对于高材料材料,选择添加剂在晶界形成高阻层选择添加剂在晶界形成高阻层;例如加入例如加入0.10.5mol%CaO SiO2,在晶界形成高阻在晶界形成高阻 的的CaSiO3;加入加入 Nb2O3、TaO、PbO、LaO、CuO 可降低可降低T烧烧,促进晶粒细化促进晶粒细化,晶界增多晶界增多,提高电阻率提高电阻率;加入加入TiO2,即使即使 Fe2+限制在限制在 Ti4+附近附近,防止防止 Fe2+Fe3+e导电机构形成导电机构形成;烧结后热处理使晶粒表面吸氧烧结后热处理使晶粒表面吸氧:Fe2+Fe3+(3000C以上以上)(二)、(二)、磁滞损耗磁滞损耗磁滞损耗:是指软磁材料在交变场中存在磁滞
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