1、北京航空航天大学北京航空航天大学功 能 材 料李李 岩岩北京航空航天大学材料科学与工程学院北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期年春季学期北京航空航天大学北京航空航天大学第二章第二章 磁性材料磁性材料（一）软磁材料（一）软磁材料北京航空航天大学北京航空航天大学主要内容主要内容一、磁学基本概念和磁性材料分类一、磁学基本概念和磁性材料分类二、软磁合金二、软磁合金 电工纯铁及铁硅合金电工纯铁及铁硅合金 镍铁合金及铁铝、铁钴合金镍铁合金及铁铝、铁钴合金 铁氧体软磁合金铁氧体软磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁学基本概念和磁性材料分类一、磁学基本概念和磁性材料分类北京航空航天大学
2、北京航空航天大学一、基本概念磁场地球磁场：地理南北极与南北磁极不重合地球磁场：地理南北极与南北磁极不重合北京航空航天大学北京航空航天大学(1)(1)磁场磁场 磁场可由永磁体产生，也可由通过电流的导线产磁场可由永磁体产生，也可由通过电流的导线产生。磁场的大小可依据通电流的线圈所产生的磁场来生。磁场的大小可依据通电流的线圈所产生的磁场来标定：对于一个直径为标定：对于一个直径为D D的单匝环行线圈，当通以电流的单匝环行线圈，当通以电流i i时，在其中心点处的磁场为时，在其中心点处的磁场为H H = = i i / / D D式中各量的单位：式中各量的单位：i i为为A A，D D为为m m，H H为
3、为A/mA/m。一、基本概念磁场 磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。一切物质都具有磁性。性一样。一切物质都具有磁性。北京航空航天大学北京航空航天大学一、基本概念磁场螺线管磁场结构螺线管磁场结构磁铁磁场分布磁铁磁场分布北京航空航天大学北京航空航天大学一、基本概念磁场太阳表面不同磁极间的丝状等离子体太阳表面不同磁极间的丝状等离子体太阳表面磁场结构太阳表面磁场结构美国宇航局美国宇航局2007年年3月月21日发布的日发布的“太阳太阳-B”观测卫星拍下的高质量太阳图片观测卫星拍下的高质量太阳图片 北京航空航天大学北京航空航天大学细菌细胞中的磁力线
4、细菌细胞中的磁力线CoCo粒子中的磁力线粒子中的磁力线一、基本概念磁力线北京航空航天大学北京航空航天大学一、基本概念磁化与磁矩磁化：如果一种物质靠近永磁体的磁极时，与永磁体靠近磁化：如果一种物质靠近永磁体的磁极时，与永磁体靠近的物质一端出现了永磁体相反的磁极，从而产生吸引作用，的物质一端出现了永磁体相反的磁极，从而产生吸引作用，即为磁化。即为磁化。磁矩：物质由于磁化形成了成对的磁矩：物质由于磁化形成了成对的N-S磁极，由成对的磁极，由成对的N-S磁极构成的磁学量称为磁矩。物质中出现磁矩是所有磁磁极构成的磁学量称为磁矩。物质中出现磁矩是所有磁现象的根源，是磁相互作用的基本条件。现象的根源，是磁相
5、互作用的基本条件。北京航空航天大学北京航空航天大学 原子内的电子作循轨运动和自旋运动，必然产原子内的电子作循轨运动和自旋运动，必然产生磁矩。前者称为生磁矩。前者称为轨道磁矩轨道磁矩，后者称为，后者称为自旋磁矩自旋磁矩。电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩 P Pl l = = 电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩 P Ps s = = e e：单位电荷；：单位电荷；h:h:普朗克常数；普朗克常数；m m: :电子质量；电子质量；l l: :轨轨道量子数；道量子数；s s: :自旋量子数。自旋量子数。) 1(4llmeh) 1(2ssmeh磁性的起源：磁性的起源：一、基本概念磁性北京航空航天大学北京航空航天大学
6、原子磁矩原子磁矩来源于未填满壳层中的那些电子来源于未填满壳层中的那些电子1、在填满电子的壳层中，各个电子的轨道运动分、在填满电子的壳层中，各个电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，其合成总角动量别占了所有可能的方向，其合成总角动量L0，所，所以总轨道磁矩为零。以总轨道磁矩为零。2、在填满电子的壳层中，电子自旋角动量互相抵、在填满电子的壳层中，电子自旋角动量互相抵消，即消，即S0，总自旋磁矩也为零。，总自旋磁矩也为零。原子核的自旋磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般原子核的自旋磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。情况下可忽略不计。一、基本概念磁矩北京航空航天大学北京航空航天大学(2)
7、磁化强度磁化强度：所有物质放在磁场中时，都会发生磁化。：所有物质放在磁场中时，都会发生磁化。一个宏观磁体可看作是有很多微观小磁矩（一个宏观磁体可看作是有很多微观小磁矩（Mm）组成。当其中各个）组成。当其中各个小磁矩作平行排列时，磁体的磁化强度最高，当它们完全紊乱排练时，小磁矩作平行排列时，磁体的磁化强度最高，当它们完全紊乱排练时，其磁化强度为零。因此磁化强度定义为单位体积中微观磁矩的向量和，其磁化强度为零。因此磁化强度定义为单位体积中微观磁矩的向量和，通常用通常用M表示表示：式中式中M的单位的单位A/m。 也可用单位质量物质中磁矩的向量和来表示磁化强度，称为比磁也可用单位质量物质中磁矩的向量和
8、来表示磁化强度，称为比磁化强度，通常用化强度，通常用表示表示 :式中式中 d 物质的密度。物质的密度。 的单位为的单位为Am2/kg一、基本概念磁化强度北京航空航天大学北京航空航天大学一、基本概念磁化强度根据物质磁化后的磁化强度方向和大小不同，可将物根据物质磁化后的磁化强度方向和大小不同，可将物质的磁性分为几类：质的磁性分为几类：强磁性：铁磁性（发生强烈吸引）强磁性：铁磁性（发生强烈吸引） 亚铁磁性（弱磁场下发生轻微吸引，强磁场下亚铁磁性（弱磁场下发生轻微吸引，强磁场下 变成铁磁体）变成铁磁体）弱磁性：顺磁性（发生轻微吸引）弱磁性：顺磁性（发生轻微吸引） 反铁磁性（发生轻微吸引）反铁磁性（发生
9、轻微吸引）抗磁性：反磁性体（发生轻微排斥）抗磁性：反磁性体（发生轻微排斥） 完全反磁性（发生强烈排斥）完全反磁性（发生强烈排斥）北京航空航天大学北京航空航天大学(3)磁感应强度 磁感应强度B也称磁通密度，是磁体内单位面积中通过的磁力线数，单位为T。B、H和 M 存在下列关系： 材料在外磁场下磁化到饱和时的磁感应强度称为饱和磁感应强度，以 Bs 表示。一、基本概念磁感应强度北京航空航天大学北京航空航天大学(4)磁导率和磁化率磁导率和磁化率在真空中磁感应强度在真空中磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H间的关系为：间的关系为： B0=0H 在磁性材料中在磁性材料中: B=0(H+ M） 磁导率磁导率定
10、义为磁感应强度与磁场强度之比定义为磁感应强度与磁场强度之比 =B/H 0 : 真空磁导率，等于真空磁导率，等于 : 绝对磁导率，单位为绝对磁导率，单位为 H/m，r: 相对磁导率相对磁导率 r =/0磁化率磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：定义为磁化强度与磁场强度之比：= M/H一、基本概念磁导率和磁化率北京航空航天大学北京航空航天大学orBB相对磁导率的意义：相对磁导率的意义：有、无磁介质的螺旋管内磁有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征材感应强度的比值，可表征材料在磁场中的性质。料在磁场中的性质。IIIIB0Br1+一、基本概念磁导率北京航空航天大学北京航空航天大学 顺磁性顺磁性
11、1r1r抗磁性抗磁性1r铁磁性铁磁性根据磁导率对物质磁性的分类：根据磁导率对物质磁性的分类：如钼、铝、钨、铂、铬等。如钼、铝、钨、铂、铬等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍、一些稀土元素等如铁、钴、镍、一些稀土元素等 0 (10-310-6)B B0 0 (10-510-6)B B0 0 (1104)B B0一、基本概念磁性分类北京航空航天大学北京航空航天大学 抗磁性：抗磁性：oBB 原子的电子壳层都是填满的，原子的电子壳层都是填满的，原子磁矩为零，或者虽原子磁原子磁矩为零，或者虽原子磁矩不为零，但由原子组成的分矩不为零，但由原子组成的分子的总磁矩为零子的总
12、磁矩为零未加磁场，宏观不现磁性未加磁场，宏观不现磁性加外磁场，在外磁场作用下加外磁场，在外磁场作用下介质中的电子产生感应磁矩，介质中的电子产生感应磁矩，感应磁矩产生的附加磁场方感应磁矩产生的附加磁场方向与外磁场方向相反，故削向与外磁场方向相反，故削弱了外磁场弱了外磁场 H一、基本概念抗磁性北京航空航天大学北京航空航天大学顺磁性：顺磁性：oBB 具有未填满的电子壳层，所具有未填满的电子壳层，所以有电子磁矩，但磁矩之间以有电子磁矩，但磁矩之间的相互作用很微弱。的相互作用很微弱。在未加外磁场时，由于各个在未加外磁场时，由于各个电子磁矩的方向是完全混乱电子磁矩的方向是完全混乱的，彼此抵消，宏观上不产的
13、，彼此抵消，宏观上不产生磁效应。生磁效应。加上外磁场后，加上外磁场后，电子磁矩将不同程度地沿着电子磁矩将不同程度地沿着外磁场方向排列起来，外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场与外磁场有相同方向附加磁场与外磁场有相同方向 H一、基本概念顺磁性北京航空航天大学北京航空航天大学物质内部原子磁矩的排列物质内部原子磁矩的排列a:a:顺磁性顺磁性 b:b:铁磁性铁磁性 c:c:反铁磁性反铁磁性 d:d:亚铁磁性亚铁磁性 由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排排列，产生自发磁化，铁磁
14、质中原子磁矩都平行排列列 （在绝对零度时（在绝对零度时) )。一、基本概念磁性与磁矩北京航空航天大学北京航空航天大学顺磁性顺磁性：有外磁场作用时出现宏观磁性：有外磁场作用时出现宏观磁性, ,不具有自不具有自发磁化的性质发磁化的性质. .铁磁性：铁磁性：在其相邻原子间在其相邻原子间, ,存在强的交换作用存在强的交换作用, ,致使致使分子磁矩平行排列分子磁矩平行排列, ,因此没有外磁场作用时出现宏观因此没有外磁场作用时出现宏观磁性磁性, ,这称为自发磁化这称为自发磁化, ,其强度称为自发磁化强度其强度称为自发磁化强度. .铁铁磁体中这些自发磁化的区域，叫做磁体中这些自发磁化的区域，叫做“磁畴磁畴”
15、。铁磁性。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。主要来源于电子的自旋磁矩。 一、基本概念铁磁性北京航空航天大学北京航空航天大学(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。(2)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。铁磁性特点：铁磁性特点：(3)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象化而变化；具有磁滞现象B和和H之间不具有简单的之间不具有简单的线性关系。线性关系。(4)具有临界温度（居里温度或居里点具有临界温度（居里温度或居里点Tc）。在）。在Tc以上，以
16、上，铁磁性完全消失而成为顺磁性，铁磁性完全消失而成为顺磁性，一、基本概念铁磁性特点北京航空航天大学北京航空航天大学热运动对于交换作用起破坏作用热运动对于交换作用起破坏作用, ,使分子磁矩平行排使分子磁矩平行排列发生明显变化列发生明显变化, ,致使铁磁质的自发磁化减弱致使铁磁质的自发磁化减弱. .当温度达到某一临界温度时当温度达到某一临界温度时,交换作用将交换作用将会瓦解会瓦解,自发磁化强度将消失，自发磁化强度将消失，铁磁性转铁磁性转化为顺磁性化为顺磁性.这个临界温度称为这个临界温度称为居里温度居里温度（Tc）或或居里点居里点。铁的居里温度铁的居里温度:770铁硅合金的居里温度铁硅合金的居里温度
17、:690Tc一、基本概念铁磁性特点北京航空航天大学北京航空航天大学磁畴磁畴:铁磁质中因电子自旋而引起的铁磁质中因电子自旋而引起的强烈相互作用强烈相互作用(电子交换作用电子交换作用), 使各电子的自旋磁矩排列整齐使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强（自发磁化）。磁畴的性很强（自发磁化）。磁畴的体积约为体积约为 10-1 10-6 cm3 。磁畴的形成磁畴的形成一、基本概念磁畴北京航空航天大学北京航空航天大学磁畴与外磁场的关系磁畴与外磁场的关系q 无外磁场时无外磁场时, , 各个磁畴由于各个磁畴由于
18、热运动其方向排列无序热运动其方向排列无序, , 杂杂乱无章，因而整体对外不显乱无章，因而整体对外不显磁性。磁性。q 有外磁场时有外磁场时, , 各个磁畴的磁各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方以整体的形式趋向外磁场方向排列向排列, , 从而对外显示很强从而对外显示很强的磁性。的磁性。HH一、基本概念磁畴当居里温度以上时当居里温度以上时, 由于剧烈的热运动由于剧烈的热运动, 磁畴瓦解磁畴瓦解, 铁磁质的铁铁磁质的铁磁性消失磁性消失, 过渡到顺磁质。过渡到顺磁质。北京航空航天大学北京航空航天大学单晶磁畴结构示意图单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图多
19、晶磁畴结构示意图一、基本概念磁畴北京航空航天大学北京航空航天大学纯铁纯铁硅铁硅铁钴钴一、基本概念磁畴北京航空航天大学北京航空航天大学Si-FeSi-Fe单晶单晶(001)(001)面的面的磁畴结构磁畴结构箭头表示箭头表示磁化方向磁化方向0.1mm一、基本概念磁畴北京航空航天大学北京航空航天大学(5)磁化曲线和磁滞回线磁化曲线和磁滞回线 强磁性（铁磁、亚铁磁）材强磁性（铁磁、亚铁磁）材料的料的B-H磁化曲线如右图所示，磁化曲线如右图所示，图中矢量箭头表示磁化的进程。图中矢量箭头表示磁化的进程。OABBs曲线为磁化曲线，从曲线为磁化曲线，从Bs经经Br、Hc到到Bs再到再到Bs的回线称为的回线称为
20、磁滞回线。磁滞回线。 一、基本概念磁化曲线和磁致回线北京航空航天大学北京航空航天大学磁化曲线磁化曲线HMoabcdOa：M随随H呈线性缓慢增呈线性缓慢增长，可逆畴壁移动过程。长，可逆畴壁移动过程。ab：M随随H急剧增长，不可急剧增长，不可逆畴壁移动过程。逆畴壁移动过程。bc：M的增长趋于缓慢，的增长趋于缓慢，从此开始，从此开始， M的继续增长的继续增长主要靠磁畴的转动过程来主要靠磁畴的转动过程来实现。实现。cd：趋于饱和过程。：趋于饱和过程。一、基本概念磁化过程北京航空航天大学北京航空航天大学磁饱和状态磁饱和状态磁饱和状态磁饱和状态HMoabcd 随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁
21、随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。一、基本概念磁化过程北京航空航天大学北京航空航天大学a磁滞回线的形成过程：磁滞回线的形成过程：qo-ao-a: : 起始磁化曲线起始磁化曲线, ,未经磁化的未经磁化的铁磁质铁磁质, , 起始时起始时, , B B 随随H H 而增大而增大, , 到到a a点达到饱和。点达到饱和。b bB Br rBHoqa-ba-b : :当外磁场减小时，介质中的当外磁场减小时，介质
22、中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化而是滞后于外磁场变化磁滞磁滞现象现象, , 当当H H =0 =0时时, , B B= =B Br r00， B Br r剩磁剩磁一、基本概念磁滞回线北京航空航天大学北京航空航天大学q b c : 加上反向外磁场，则加上反向外磁场，则B 继续减小继续减小,当当H=-Hc时，时，B=0，Hc称为矫顽力称为矫顽力, 即为即为了消除剩磁所需加的反向外磁场了消除剩磁所需加的反向外磁场Hc 。BrHcBHoaq c-d：继续增加反向磁场，介质达继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。到反向磁饱和状态。q d-e-f：改变外
23、磁场为正向改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。质又达到正向磁饱和状态。b bc cd de ef f磁滞回线磁滞回线闭合曲线闭合曲线abcdefa。一、基本概念磁滞回线北京航空航天大学北京航空航天大学(6)(6)饱和磁感应强度饱和磁感应强度 在外磁场的作用下，当强在外磁场的作用下，当强磁性物质的磁化强度达到饱磁性物质的磁化强度达到饱和时，所对应的磁感应强度和时，所对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度称为饱和磁感应强度B Bs s，如，如右图所示。此时应有右图所示。此时应有 式中式中 Hs使物质的磁化强度达到饱和（使物质的磁化强度达到饱和（Ms）时的
24、磁场。对）时的磁场。对于高导磁的软磁材料来说，于高导磁的软磁材料来说，HsMs，故也可用，故也可用0Ms的值作为的值作为饱和磁感应强度。饱和磁感应强度。一、基本概念饱和磁化强度00SSSBHM北京航空航天大学北京航空航天大学i一、基本概念磁导率(7)起始磁导率和最大磁导率起始磁导率和最大磁导率 起始磁导率起始磁导率定义为在定义为在B-H磁化曲线起磁化曲线起始处的斜率，即始处的斜率，即（见（见右右图中的虚线）。但在工业应用中，图中的虚线）。但在工业应用中，为了简便易行，常为了简便易行，常规定在某一弱场下的磁规定在某一弱场下的磁导率为导率为i。例如规定磁场为。例如规定磁场为0.08或或0.4A/m
25、下的磁导率值为下的磁导率值为i ，可分别记作，可分别记作0.08或或0.4 。沿一条磁化曲线上，磁导率之最大值称为最大磁导率，以m表示。北京航空航天大学北京航空航天大学(8)矫顽力矫顽力 矫顽力矫顽力H是指在是指在B-H饱和磁滞饱和磁滞回线上，使回线上，使B变为零所需之反磁化变为零所需之反磁化场场。由。由M-H回线确定的矫顽力称为回线确定的矫顽力称为内禀矫顽力内禀矫顽力，以，以MHc表示。对软磁表示。对软磁材料而言，材料而言，Hc之数值很小，之数值很小， MHc和和Hc之值差别不大，而对于矫顽力之值差别不大，而对于矫顽力很大的永磁材料来说，两者的值差很大的永磁材料来说，两者的值差别很大。矫顽力
26、的单位为别很大。矫顽力的单位为A/m。一、基本概念一、基本概念矫顽力矫顽力北京航空航天大学北京航空航天大学(9)剩余磁感应强度 当磁性材料磁化到饱和以后，再将磁化场下降到零，此时磁体中保留的磁感应值称为剩余磁感应强度Br，如右图所示。其单位为T。一、基本概念一、基本概念剩余磁感应强度剩余磁感应强度北京航空航天大学北京航空航天大学(10)交变场中的磁导率交变场中的磁导率： 按磁导率的定义，按磁导率的定义，m = B / H。和直流磁化不同，在交流磁化条件下，由于。和直流磁化不同，在交流磁化条件下，由于B和和H间存在位相差，因此磁导率须采用复数形式表示，这就是复数磁导率。间存在位相差，因此磁导率须
27、采用复数形式表示，这就是复数磁导率。如果如果B和和H皆按正弦曲线变化，皆按正弦曲线变化，B落后于落后于H位相差为位相差为。则则那么那么实数部分实数部分1的物理意义和静态磁导率相同，表示导磁能力或磁体中能量的存储；的物理意义和静态磁导率相同，表示导磁能力或磁体中能量的存储；虚数部分虚数部分1表示能量的损耗。表示能量的损耗。一、基本概念一、基本概念 交变场中的磁导率交变场中的磁导率北京航空航天大学北京航空航天大学(11)趋肤深度趋肤深度 金属磁性材料在交变场中磁化金属磁性材料在交变场中磁化时，由于涡流造成的时，由于涡流造成的趋肤效应使测得的磁导率随频率趋肤效应使测得的磁导率随频率f 的增高急剧下降
28、。的增高急剧下降。其原因是由于当金属磁体在其原因是由于当金属磁体在交变磁场中磁化时，由涡交变磁场中磁化时，由涡流产生的磁通量是和磁场的方向相反的，因此使磁场流产生的磁通量是和磁场的方向相反的，因此使磁场的振幅在进入金属内部以后，随进入深度的振幅在进入金属内部以后，随进入深度z而按指数而按指数形式下降。当磁场的振幅减少到原来振幅形式下降。当磁场的振幅减少到原来振幅H0的的1/e（e 2.718）时的深度称为趋肤深度，以）时的深度称为趋肤深度，以dz表示。表示。一、基本概念一、基本概念 趋肤深度趋肤深度对铁氧体软磁材料而言，由于电阻很大，故涡流和趋肤效应都是很小的。北京航空航天大学北京航空航天大学
29、(12)(12)磁损耗磁损耗 磁性元件几乎都是由磁化线圈和磁芯两部分组成。磁性元件几乎都是由磁化线圈和磁芯两部分组成。在线圈中通过交流电进行磁化时要损耗能量：一部分是由在线圈中通过交流电进行磁化时要损耗能量：一部分是由线圈中的电阻造成的损耗；另一部分是由于磁性材料本身在线圈中的电阻造成的损耗；另一部分是由于磁性材料本身在磁化及反磁化过程中所损耗的能量，称为磁损耗，也称为铁磁化及反磁化过程中所损耗的能量，称为磁损耗，也称为铁损。磁损耗功率主要包括损。磁损耗功率主要包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗功功率率3 3部分。部分。一、基本概念一、基本概念 磁损耗磁损耗北京航空航
30、天大学北京航空航天大学(13)(13)品质因数品质因数Q Q和损耗因子和损耗因子tantan 软磁铁芯作为电感元件使用时，它的一对重要性能指标是软磁铁芯作为电感元件使用时，它的一对重要性能指标是其品质因数其品质因数Q Q和损耗因子和损耗因子tantan。对于一个空心电感线圈，若其。对于一个空心电感线圈，若其电感为电感为L L，电阻为，电阻为R R，在频率，在频率f f = =/2/2下使用，下使用，则线圈的品质则线圈的品质因数定义为因数定义为Q =Q =L/RL/R，物理意义是物理意义是磁能的存储与损耗之比磁能的存储与损耗之比。 此值愈大表示线圈的品此值愈大表示线圈的品质愈佳。质愈佳。tant
31、an 损耗因子，它是品质因数的倒数。损耗因子，它是品质因数的倒数。在软磁铁氧体的技术应用中，常用在软磁铁氧体的技术应用中，常用1 1和和Q Q的乘积以来表示磁芯的乘积以来表示磁芯材料的技术指标，希望这个乘积愈大愈好。材料的技术指标，希望这个乘积愈大愈好。一、基本概念一、基本概念 品质因数品质因数Q Q和损耗因子和损耗因子北京航空航天大学北京航空航天大学(14)截止频率截止频率 软磁材料多数是在交变场下使用的软磁材料多数是在交变场下使用的，当频率超过使用频率的上限，当频率超过使用频率的上限fC以后，以后，1显著下降，显著下降，这个这个fC称为截止频率。称为截止频率。u 对金属软磁材料而言，由于其
32、电阻率低，涡流效应显著，因此使用对金属软磁材料而言，由于其电阻率低，涡流效应显著，因此使用的频率主要是在音频范围。对于很薄的金属带，能使用的频率也低于的频率主要是在音频范围。对于很薄的金属带，能使用的频率也低于100kHz。u对铁氧体软磁材料而言，其电阻率很高，涡流效应可以不计，因此对铁氧体软磁材料而言，其电阻率很高，涡流效应可以不计，因此使用频率可使用频率可以明显提高；但是由于畴壁共振等原因，其使用频率也存以明显提高；但是由于畴壁共振等原因，其使用频率也存在一个上限在一个上限。例如对于室温下。例如对于室温下m1=800的的Mn-Zn铁氧体的铁氧体的fC是是6MHz。一、基本概念一、基本概念截
33、止频率截止频率北京航空航天大学北京航空航天大学(15) (15) 磁磁晶晶各向异性各向异性 铁磁晶体沿不同晶轴方向磁化达到饱和所需要的磁化功不铁磁晶体沿不同晶轴方向磁化达到饱和所需要的磁化功不同，称为磁同，称为磁晶各向异性。磁化功最小的方向称为易磁化方向，晶各向异性。磁化功最小的方向称为易磁化方向，而最大的方向称为难磁化方向。对于立方晶体，磁晶各向异而最大的方向称为难磁化方向。对于立方晶体，磁晶各向异性能是以立方对称的，可表示为：性能是以立方对称的，可表示为： 式式中中 a a1 1、a a2 2 、a a3 3 磁化强度的方向余弦；磁化强度的方向余弦； K K1 1 和和 K K2 2 磁晶
34、各向异性常数。磁晶各向异性常数。u一般来说，若物质的一般来说，若物质的磁晶各向异性常数小磁晶各向异性常数小，则它易于磁化，可，则它易于磁化，可作为作为软磁材料软磁材料；若物质的；若物质的磁晶各向异性常数大磁晶各向异性常数大，则它难于磁化也，则它难于磁化也难于反磁化，可作为难于反磁化，可作为永磁材料永磁材料。一、基本概念一、基本概念磁磁晶晶各向异性各向异性北京航空航天大学北京航空航天大学单晶体的易磁化和难磁化方向单晶体的易磁化和难磁化方向 一、基本概念一、基本概念磁磁晶晶各向异性各向异性北京航空航天大学北京航空航天大学(16)(16)磁致伸缩磁致伸缩 磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度磁
35、性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩。对于长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩。对于长度为为L L的磁体，磁滞伸缩系数的磁体，磁滞伸缩系数l=l=L L / / L L。材料的。材料的l l值通值通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，l l值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以l ls s表示。表示。对软磁材料而言，要求其对软磁材料而言，要求其l ls s值很小，可降低磁化时的值很小，可降低磁化时的磁弹性能。磁弹性能。一、基本概念一、基本概念磁磁晶晶各向异性各向
36、异性北京航空航天大学北京航空航天大学磁性材料的稳定性磁性材料的稳定性衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑主要考虑B Br r和和H Hc c。（1 1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2 2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。作过程中磁性随时间的变化。 （3 3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。间的变化。显微组织变化引显微组织变化引起的组织时效起的组织时效性能不稳性能
37、不稳定的原因定的原因磁畴结构变化磁畴结构变化引起的磁时效引起的磁时效可逆，再次充磁时材可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性料能恢复原来的磁性不可逆不可逆 北京航空航天大学北京航空航天大学一、磁性材料分类按矫顽按矫顽力分类力分类软磁材料软磁材料半硬磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料硬（永）磁材料H Hc c0.4kA/m20kA/m20kA/m按用途按用途分类分类铁芯材料铁芯材料磁记录材料磁记录材料磁头材料磁头材料磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁屏蔽材料磁屏蔽材料变压器、继电器变压器、继电器录音机录音机通讯仪器、电器通讯仪器、电器磁带、磁盘磁带、磁盘传感器传感器北京航空航天大学北京航空航天大学主要磁性材料
38、合金体系主要磁性材料合金体系一、磁性材料分类北京航空航天大学北京航空航天大学二、软磁合金二、软磁合金电工纯铁及铁硅合金电工纯铁及铁硅合金镍铁合金及铁铝、铁钴合金镍铁合金及铁铝、铁钴合金铁氧体软磁合金铁氧体软磁合金北京航空航天大学北京航空航天大学u 应用：应用：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。l 软磁材料：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁软磁材料：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。化强度及高密度磁通量的材料。
39、基本要求：基本要求：1 1、初始磁导率和最大磁导率高，磁滞损耗小初始磁导率和最大磁导率高，磁滞损耗小：提高功：提高功 能效率；能效率；2 2、剩余饱和磁感应强度低，饱和磁感应强度要高剩余饱和磁感应强度低，饱和磁感应强度要高：省：省 资源，利于小型化，迅速响应外界磁场的偏转；资源，利于小型化，迅速响应外界磁场的偏转；3 3、矫顽力小矫顽力小：提高高频性能；：提高高频性能；4 4、电阻率高电阻率高：提高高频性能，减少涡流损失；：提高高频性能，减少涡流损失；5 5、磁致伸缩系数低磁致伸缩系数低：降低噪声；：降低噪声；6 6、磁晶各向异性系数磁晶各向异性系数K K低低：容易磁化。：容易磁化。二、软磁材
40、料（高磁导率材料）北京航空航天大学北京航空航天大学1u2uLZ1i2i单相变压器单相变压器+一次一次绕组绕组N1二次二次绕组绕组N2铁心铁心软磁材料应用示例北京航空航天大学北京航空航天大学软磁材料应用铁芯材料粉芯产品粉芯产品北京航空航天大学北京航空航天大学软磁材料应用示例磁头材料北京航空航天大学北京航空航天大学（一）（一） 电工纯铁（用作软磁材料的工业纯铁）电工纯铁（用作软磁材料的工业纯铁）l特点：资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工特点：资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。铁芯。u用途：是直流技术中
41、非常重要的高磁饱和材料，用途：是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。表及磁屏蔽元件等。二、电工纯铁和铁硅合金北京航空航天大学北京航空航天大学电工纯铁：含碳量低于电工纯铁：含碳量低于0.04%的的Fe-C合金，如电磁合金，如电磁铁用纯铁铁用纯铁DT3。Hc7090A/m，m50001000。u提高磁导率的方法：提高磁导率的方法： 1、去除杂质处理：、去除杂质处理：纯纯铁中的杂质（铁中的杂质（ C，Mn，Si
42、，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率。等）会显著降低材料的磁导率。真空重熔去除杂质和真空重熔去除杂质和气体；湿氢退火脱碳气体；湿氢退火脱碳( C0.002%)。2、去应力退火：高温退火再结晶，消除冷加工应力。、去应力退火：高温退火再结晶，消除冷加工应力。二、电工纯铁和铁硅合金北京航空航天大学北京航空航天大学人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温，保温100小时的人工时效处理。小时的人工时效处理。去杂质：加入去杂质：加入Al或或Ti，和，和N和和C形
43、成氮化物。形成氮化物。n纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附附近特别明显。引起时效的原因是由于在近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有中含有N和和C，逐渐形成铁的氮，逐渐形成铁的氮/碳化物所致。碳化物所致。纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。 二、电工纯铁和铁硅合金北京航空航天大学北京航空航天大学（二）（二）Fe-Si软磁合金软磁合
44、金 （硅钢片）（硅钢片） lFe-Si合金：合金：Si含量含量6.5%。铁中加铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率和电阻率，降的作用：可提高铁的最大磁导率和电阻率，降低磁晶各向异性常数低磁晶各向异性常数K1，磁致伸缩系数，还可显著改善磁，磁致伸缩系数，还可显著改善磁性时效。但也会降低饱和磁化强度和居里温度、并使材料性时效。但也会降低饱和磁化强度和居里温度、并使材料变脆。变脆。 l用途：制造大电流、频率用途：制造大电流、频率50400Hz的中、强磁场条件下的电动机、的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达达10KHz)条件下的
45、音频条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等。压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等。 1903年开始投入实际生产，用量极大。年开始投入实际生产，用量极大。二、电工纯铁和铁硅合金北京航空航天大学北京航空航天大学与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度
46、可低至轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。，否则的材料冷轧十分困难。用快速凝固技术可制备出含硅用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。的硅钢薄带。电工硅钢片电工硅钢片热轧硅钢片热轧硅钢片冷轧无取向硅钢片冷轧无取向硅钢片无取无取向硅向硅钢片钢片二次冷轧取向硅钢片：戈斯织构二次冷轧取向硅钢片：戈斯织构110；MnS一次大压下率冷轧高磁感取向硅钢片：一次大压下率冷轧高磁感取向硅钢片：AlN中国中国2002年底停止生产年底停止生产二、电工纯铁和铁硅合金取向取向硅钢硅钢片片北京航空航天大学北京航空航天大学在冷轧取向硅
47、钢带中，晶粒整齐一致地排列成戈在冷轧取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成戈斯斯(GOSS)织构，晶体的织构，晶体的(110)面与轧制平面平行，面与轧制平面平行，易磁化的易磁化的001轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的是难磁化的110轴。最难磁化的轴。最难磁化的111轴与轧制方向轴与轧制方向成成54.79角。角。 磁感高于磁感高于1.8T。冷轧单取向硅钢的晶粒取向冷轧单取向硅钢的晶粒取向 二、电工纯铁和铁硅合金北京航空航天大学北京航空航天大学二、电工纯铁和铁硅合金具有戈斯织构：具有戈斯织构：110的成品硅钢片的成品硅钢片热轧板坯热轧板坯脱碳退火脱碳退火700
48、800干氢最终退火：干氢最终退火：1200 一次冷轧：压下率一次冷轧：压下率65%中间退火：中间退火：800900二次冷轧：压下率二次冷轧：压下率50%60湿氢连续脱碳退火（钢卷）湿氢连续脱碳退火（钢卷）出现戈斯织构：出现戈斯织构：110组分；抑制剂组分；抑制剂MnS在晶界上析出：抑制晶粒长大在晶界上析出：抑制晶粒长大MnS排出；几乎形成单一戈斯织构：排出；几乎形成单一戈斯织构：110二次冷轧取向硅钢片的制备工艺北京航空航天大学北京航空航天大学含含Ni=3580wt.%的的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据合金称为坡莫合金。根据Ni含量含量对合金磁性能的影响，对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分
49、为高导磁、恒导磁率、合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。中磁饱和中磁导率材料等。随随Ni含量的增加，含量的增加，Fe-Ni合金的合金的Bs下降。当下降。当Ni量接近量接近80%时，时，Fe-Ni合金的合金的K1和和非常小，能获得高的磁导率。非常小，能获得高的磁导率。（一）（一）Ni-Fe合金合金(坡莫合金，坡莫合金，Permalloy)三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金北京航空航天大学北京航空航天大学坡莫合金的热处理坡莫合金的热处理NiFe合金的初始磁导率与热处理制度的关系：合金的初始磁导率与热处理制度的关系：600后后1、急冷；、急冷；2、炉冷；、炉冷；3
50、、回火、回火NiFe在在600以下的冷以下的冷却过程中发生有序化转变却过程中发生有序化转变形成形成Ni3Fe；不利于磁性能。；不利于磁性能。解决办法：解决办法：600后急冷后急冷三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金北京航空航天大学北京航空航天大学（1）Ni-Fe-Mo合金：加入合金：加入Mo等元素可以抑制等元素可以抑制Ni3Fe析析出，可在低冷速获得高磁导率。出，可在低冷速获得高磁导率。 K1和和趋于零。趋于零。（2） Ni-Fe-Cu-Mo合金：加入合金：加入Cu得到高的初始磁导率。得到高的初始磁导率。（3） Ni-Fe-Mo-Nb-Ti合金：硬坡莫合金，硬度高、提合金：
