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硬磁材料与软磁材料

大西洋仪器网  2016-07-21 10:49   点击 808

磁性材料是一种重要的电子材料,根据其磁性性能可以分为硬磁材料和软磁材料,这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软,而是指磁学性能上的硬和软。

矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。

退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后,再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。

●什么是硬磁材料
  
 磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性(简称磁性),其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。

永磁功能材料常称永磁材料,又称硬磁材料。永磁材料是发现和使用都最早的一类磁性材料,我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。

※常用的永磁材料主要具有4种磁特性:

(1)高的最大磁能积。最大磁能积[符号为(BH)m]是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度;

(2)高的矫顽(磁)力。矫顽力[符号为(H)c]是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度;

(3)高的剩余磁通密度(符号为Br)和高的剩余磁化强度(符号为Mr)。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度;

(4)高的稳定性,即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。
※常用的重要永磁材料主要有:

(1)稀土永磁材料,这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料,为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。

 (2)金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料,主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等,发展较早,性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽,故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等,但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形,可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。

(3)铁氧体永磁材料。这是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广义)。其特点是电阻率高,特别有利于在高频和微波应用。如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等都有很多应用。    

除上述3类永磁材料外,还有一些制造、磁性和应用各有特点的永磁材料,例如微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料(可应用于电冰箱门的封闭)、可加工永磁材料等。

●什么是软磁材料

软磁功能材料常称软磁材料,是指剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料,其特点是易磁化、易去磁且磁滞回线较窄。软磁材料常用来制作电机、变压器、电磁铁等电器的铁芯。

※软磁材料种类(按成分划分)    

  (1)纯铁和低碳钢。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。

(2)铁硅系合金。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。

(3)铁铝系合金。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。

(4)铁硅铝系合金。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。

(5)镍铁系合金。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。

(6)铁钴系合金。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。

(7)软磁铁氧体。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)。

(8)非晶态软磁合金。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。

(9)超微晶软磁合金。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。

※软磁材料的常用磁性能参数

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PeP = Ph + Pe =af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2  ,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)。

来源:大西洋仪器网    编辑:韦文臻
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