【導(dǎo)讀】相信大家都很熟悉軟磁材料，大多應(yīng)用于日常的磁性元件中，在電路中起到重要的作用。但是未必有人知道軟磁材料的概念，公式的計(jì)算以及具體的應(yīng)用。本文就帶大家一起探知軟磁材料的基礎(chǔ)知識。
基本概念 ：(根據(jù)我國的計(jì)量法，物理量單位采用國際單位制，即SI。為方便理解，這里列出一些常用量的換算。)
磁感應(yīng)強(qiáng)度B：磁感應(yīng)強(qiáng)度B可以這樣定義，足夠小的電流元Idl(I為導(dǎo)線回路中的恒定電流，dl為導(dǎo)線回路中沿電流方向所取的矢量線元)在磁場中所受的力最大方向時(shí)，所受到的最大力dFmax與Idl的比值。B=dFmax/Idl
在SI中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B單位特[斯拉]T，1T=1N/A•m=1Wb/m2,1T=10000Gs(高斯)。
磁場強(qiáng)度H：磁場強(qiáng)度H與電場中的電位移矢量D相似。
真空中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，由于引入磁介質(zhì)而產(chǎn)生附加磁場，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B’，則磁介質(zhì)總的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是B0和B’的矢量和，即B=B0+B’。B與B0的大小比稱相對磁導(dǎo)率 μr= B/B0 。不同的物質(zhì)對磁場的影響非常大，因此引出了一個(gè)輔助矢量——磁場強(qiáng)度H。磁介質(zhì)內(nèi)磁場強(qiáng)度H沿閉合路徑的環(huán)流等于閉合路徑包圍的所有傳導(dǎo)電流的代數(shù)和(存在磁介質(zhì)時(shí)的環(huán)路安培定理)。H=NI/，為到磁環(huán)有效磁路長度。
B-H磁化曲線：
B-H磁化曲線圖示
軟磁材料在交變磁場中，剛開始O點(diǎn)隨著電流nI變大， B開始緩慢變大，當(dāng)?shù)絘1點(diǎn)時(shí)，B急劇變大，當(dāng)?shù)絘2點(diǎn)，B增加變緩，當(dāng)?shù)絘3點(diǎn)H再變大時(shí)，B幾乎不再變大，我們說材料被磁化到了飽和。達(dá)到飽和之后，無論H怎樣增大，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度也不再增大。此時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，用Bs來表示。B-H關(guān)系畫成曲線，就是材料B-H磁化曲線。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度是磁性材料的一個(gè)重要指標(biāo)。
在SI中，磁場強(qiáng)度H單位是安[培]每米(A/m)。
磁導(dǎo)率μ：
磁導(dǎo)率μ圖示
在各向同性的均勻磁介質(zhì)中，B與H成正比關(guān)系：B=μH，μ稱為磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率 μ=B/H，磁導(dǎo)率實(shí)際上代表了磁性材料被磁化的容易程度。在磁化的不同階段，材料的磁導(dǎo)率也不同，磁導(dǎo)率在最高點(diǎn)稱為最大磁導(dǎo)率。在磁化起始點(diǎn)的磁導(dǎo)率稱為初始磁導(dǎo)率，簡稱初導(dǎo)。磁導(dǎo)率是軟磁材料另一個(gè)非常重要指標(biāo)。
在SI單位制中，磁導(dǎo)率的單位亨[利]每米H/m，常用T/(A/m)，T/(A/cm)，但一般用相對磁導(dǎo)率μr來表示。1(H/m)=T/(A/m)=100T/(A/cm)，在有些資料上用特/奧(斯特)(T/Oe)或高斯/奧(斯特)(Gs/Oe)，高斯與奧斯特都是以前的物理量。1A/m=4πe-3 Oe ，磁導(dǎo)率為1Gs/Oe 的磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率為1。相對磁導(dǎo)率μr是無量綱量。
(一)非晶、納米晶軟磁合金帶材
生產(chǎn)過程簡介：
非晶態(tài)軟磁合金帶材是60年代問世的一種高新技術(shù)材料，其制備工藝采用速度為每秒近一百萬度的快速冷凝技術(shù)，將熔融合金鋼水急速冷卻成厚度約25-30微米的合金帶材，其微觀結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)的金屬合金材料。具有優(yōu)異的磁性能(電阻率高、損耗小)；硬度高、韌性好，耐高溫耐腐蝕；機(jī)電耦合系數(shù)、熱傳導(dǎo)性好;是一種綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能的功能材料。
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非晶、納米晶材料技術(shù)簡介
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常快(例如用每秒高達(dá)一百萬度的冷卻速率將鐵-硼合金熔體凝固)，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)。
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)1.4-1.7T)、磁導(dǎo)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1/3-1/5)，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、或高端民用電源中的變壓器、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
鐵基納米晶合金由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成，其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當(dāng)退火，形成微晶和非晶的混合組織。這種材料雖然便宜，但磁性能極好，某些領(lǐng)域幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相媲美，但是卻不含有昂貴的鈷，是工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。
2、非晶軟磁合金材料的優(yōu)點(diǎn)
2.1優(yōu)良的磁性
與傳統(tǒng)的金屬磁性材料相比，由于非晶合金原子排列無序，沒有晶體的各向異性，而且電阻率高，因此具有高的導(dǎo)磁率、低的損耗，是優(yōu)良的軟磁材料，代替硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等作為變壓器鐵心、互感器、傳感器等，可以大大提高變壓器效率、縮小體積、減輕重量、降低能耗。非晶合金的磁性能實(shí)際上是迄今為止非晶合金最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.2高強(qiáng)韌性
明顯高于傳統(tǒng)的鋼鐵材料，可以作復(fù)合增強(qiáng)材料，如釣魚桿等。國外已經(jīng)把塊狀非晶合金應(yīng)用于高爾夫球擊球拍頭和微型齒輪。非晶合金絲材可能用在結(jié)構(gòu)零件中，起強(qiáng)化作用。另外，非晶合金具有優(yōu)良的耐磨性，再加上它們的磁性，可以制造各種磁頭。
2.3靈活的處理工藝
和其它磁性材料相比，非晶合金具有很寬的化學(xué)成分范圍，而且即使同一種材料，通過不同的后續(xù)處理能夠很容易地獲得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常靈活的，選擇余地很大，為電力電子元器件的選材提供了方便。
2.4制造工藝簡單，節(jié)能、環(huán)保
傳統(tǒng)的薄鋼板成品可以說需要若干工藝環(huán)節(jié)和數(shù)十道工序。由于環(huán)節(jié)多且工藝繁雜，傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)都是耗能大戶和污染大戶，有“水老虎”和“電老虎”之稱。而非晶合金的制造是在煉鋼之后直接噴帶，只需一步就制造出了薄帶成品，工藝大大簡化，節(jié)約了大量寶貴的能源，同時(shí)無污染物排放，對環(huán)境保護(hù)非常有利。正是由于非晶合金制造過程節(jié)能，同時(shí)它的磁性能優(yōu)良，降低變壓器使用過程中的損耗，因此被稱為綠色材料和二十一世紀(jì)的材料。
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