鐵基非晶、納米晶合金材料應用特性研究

趙少瓊，常 皓，陳曉微，周成龍，張梓超

(1.中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所，北京 100089；2. 32382部隊，北京 100072)

隨著鐵基非晶、納米晶合金材料的普及和市場應用的拓展，作為一種重要的磁性材料，已被廣泛應用于電力電氣、工業(yè)電源、電動汽車、軌道交通、航空航天、醫(yī)療、新能源、消費電子等領域及其產(chǎn)品[1-3]。

納米晶合金材料除具有納米材料的特性外還表現(xiàn)出優(yōu)異的磁性能、相容性和無毒等[4]。其中，磁性能允許它能夠在變化的磁場下到達特定的部位，利用特有的磁熱效應使其吸收電磁場中的能量進而產(chǎn)熱[5-6]，為納米技術和電磁領域應用的結合提供了更多的可能性。

另外，隨著電子整機系統(tǒng)、電子技術應用，特別是數(shù)字電路和開關電源應用的普及與快速發(fā)展，人們對電磁干擾影響的日益重視，以鐵基非晶、納米晶合金材料為主的軟磁材料在航空、航天、兵器、船舶、軌道交通、新能源、醫(yī)療等領域也有著廣闊的市場前景，已成為磁性材料中產(chǎn)量增長最快速的領域。本文從鐵基非晶、納米晶合金材料特性及應用、飽和性能研究分析以及制備方面進行了綜合介紹。

1 鐵基非晶、納米晶合金材料的特性及應用

鐵基非晶、納米晶合金材料制備技術不同于傳統(tǒng)方法，采用冷卻速度大約106℃/s的超急冷凝固技術，從熔融的液態(tài)金屬到薄帶成品一次成型的非晶態(tài)合金，具有高頻特性好、磁性能優(yōu)越、韌性高、居里溫度高、材料易加工、尺寸精度高等特點，以及優(yōu)異的軟磁材料性能、力學性能和廣闊的應用前景[7-8]。目前，市場上應用最廣的有鐵基合金、納米晶合金和坡莫合金。

1.1 鐵基合金材料特性及應用

鐵基合金具有較高的飽和磁感應強度、較高的初始磁導率、高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在寬的頻率范圍內(nèi)有低的損耗，對應力不敏感。廣泛應用于配電變壓器、脈沖變壓器、大功率開關電源、磁屏蔽、磁放大器、電流互感器、逆變器鐵芯等，適用于12 kHz以下頻率使用。

1.2 納米晶合金材料特性及應用

納米晶合金材料的研究和開發(fā)給軟磁材料領域注入了新的活力，其顯著特性如下。

1)在溫度穩(wěn)定性、時效穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性以及磁沖擊穩(wěn)定性等方面具有優(yōu)良的性能。

2)低矯頑力可以提高器件效率，低鐵芯損耗可以減小器件升溫，磁感應強度和磁導率高，高頻特性良好，強度、硬度和韌性高，電阻率和機電耦合性能高等。

3)適合制作EMI濾波器中的共模電感，所需匝數(shù)少，電感量大，銅損低，節(jié)省線材，體積小，共模插入損耗高，能在很寬的頻率范圍內(nèi)對共模干擾起到抑制作用。

4)磁粉原料來源便宜，可利用非晶納米晶急冷薄帶的頭、尾或邊角料經(jīng)球磨氣流復合破碎等方法獲得。

鑒于非晶納米晶磁芯的優(yōu)良特性，其被廣泛應用于電子電鍍表、精密功率表、大功率中高頻變壓器及逆變器鐵芯、大功率及高頻開關電源、現(xiàn)代通信、電力電子、高精度電流互感器、電動汽車、電磁兼容器件等高新產(chǎn)業(yè)以及各種高科技領域和國防軍工領域磁器件產(chǎn)品中。

1.3 坡莫合金材料特性及應用

坡莫合金材料飽和磁感應強度為7 500～15 000 Gs，具有較高的磁導率、低矯頑力、低激磁電流、高居里溫度、高的機械強度和優(yōu)良的韌性，在20 kHz下具有低的鐵損、空氣中熱處理不發(fā)生氧化、矩形回線好、溫度特性極佳等特性。坡莫合金材料廣泛應用于太空設備、漏電開關、低損耗微電機、小信號變壓器、諧振電感、精密電流互感器鐵芯、磁屏蔽等。

1.4 材料特性指標對產(chǎn)品性能的影響

鐵基非晶、納米晶合金材料特性對產(chǎn)品性能起到至關重要的作用。表1詳細列舉分析了鐵基非晶、納米晶材料的飽和磁感應強度Bs、矯頑力Hc、磁導率μr、居里溫度Tc、鐵損Ps、激磁功率Ss、電阻率ρ、磁致伸縮系數(shù)、磁滯回線等主要性能指標與產(chǎn)品性能之間的關系[9]。

表1 材料特性對產(chǎn)品性能的影響

2 鐵基非晶、納米晶材料飽和性試驗

當磁性材料在交變磁場中被反復磁化，吸收電磁場的能量，將其轉(zhuǎn)化為熱量，這就導致了磁損耗。磁損耗是磁性材料在交變磁場中產(chǎn)生熱量的主要原因，常見的磁損耗有：渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗。同時磁損耗的存在會導致磁性材料的性能下降，嚴重時會發(fā)生失效的情況，從而給設備的正常工作帶來巨大影響。下述將針對典型的磁性材料進行性能研究。

2.1 1K107材質(zhì)性能研究試驗

1)在不同溫度下對材質(zhì)為1K107的納米晶材質(zhì)進行單匝電感量測試，結果如圖1所示。

圖1 1K107材質(zhì)PN頻率特性曲線

圖1中，系列1的外徑、內(nèi)徑、高度為86 mm×64 mm×10 mm；系列2的外徑、內(nèi)徑、高度為86 mm×64 mm×14 mm；系列3的外徑、內(nèi)徑、高度為40 mm×25 mm×10 mm。由圖1試驗結果可以得出如下結論。

a.系列1、2兩組數(shù)據(jù)對比可知，在磁導率、內(nèi)外徑尺寸相同的條件下，高度越高，單匝電感量越大。

b.系列1、3兩組數(shù)據(jù)對比可知，在磁導率、高度相同的條件下，內(nèi)外徑不同，單匝電感量不同。

磁導率μi、材質(zhì)外徑D、內(nèi)徑d、高度H、匝數(shù)N、單匝電感量L的關系如下：

(1)

由上式及結論a、b可知，試驗結果與理論一致。

c.單匝電感量隨著溫度的升高而變大，當溫度升高到一定時，單匝電感量開始下降，若繼續(xù)升高到居里溫度則由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，從而磁化消失(納米晶材料的居里溫度為500 ℃以上，由于試驗條件限制，未測得實際溫度值)。

2)在不同頻率下對飽和磁感強度為1.25 T、密度為7.25 g/cm3、電阻率為90 μΩ·cm、尺寸為130 mm×100 mm×30 mm的1K107納米晶材質(zhì)進行單匝電感量測試，結果見表2。

表2 1K107材質(zhì)與頻率關系性能研究試驗結果

由表2試驗結果可以得出如下結論。

a.在低頻段隨著頻率的升高，單匝電感量變化不大，當頻率升高到一定值時，單匝電感量開始快速下降，從而導致磁性材料性能降低甚至失效。

b.材質(zhì)在50 kHz以下磁性能最好。

3)對1K107納米晶材質(zhì)進行PN頻率特性、PN損耗特性、PN磁芯磁滯回線試驗，試驗結果分別如圖2～圖4所示。

圖2 1K107材質(zhì)PN頻率特性曲線

圖3 1K107材質(zhì)PN損耗特性曲線

圖4 1K107材質(zhì)PN磁芯磁滯回線

從上述對1K107材質(zhì)性能試驗結果可知，頻率、磁通密度和磁場強度對材料性能有著至關重要的影響。

2.2 1J85材質(zhì)性能研究試驗

在不同溫度下對材質(zhì)為1J85的坡莫合金材質(zhì)進行單匝電感量測試，結果見表3。

由表3試驗結果可以得出如下結論。

表3 1J85材質(zhì)與頻率關系性能研究試驗結果

1)通過對比1組和2組數(shù)據(jù)可知，在磁導率、內(nèi)外徑尺寸、高度相同的條件下，單匝電感量基本一致。

2)單匝電感量隨著溫度的升高而變大，當溫度升高到一定時，單匝電感量開始下降，若繼續(xù)升高到居里溫度則由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)，從而磁化消失(坡莫合金材料的居里溫度為400 ℃以上，由于試驗條件限制，未測得實際溫度值)。

3 納米晶材料抗飽和研究

通過上述飽和性試驗及查閱相關文獻可知，對于納米晶材料，其今后的發(fā)展趨勢不僅要求其在寬溫范圍內(nèi)具有低的損耗，同時還要求其具有高的起始磁導率和飽和磁感應強度。當前納米晶材料的研究重點及影響材料抗飽和性的主要因素是材料制備方法、添加劑種類及含量、生產(chǎn)設備和制備工藝[10]。

3.1 材料制備方法

利用非晶晶化的方法可以制備納米晶帶材、絲材和粉末，其中非晶帶材的研究和應用最為廣泛，制備方法也最為成熟，工藝流程如圖5所示。根據(jù)冷卻基體的形式，制備方法可大致分為單輥法和雙輥法。單輥法是合金熔體在氣壓或重力作用下，采用一個高速旋轉(zhuǎn)的金屬輥表面，將合金熔體進行抽取、拉成液膜，連續(xù)形成薄帶；雙輥法是將熔融合金噴射到2個相對高速旋轉(zhuǎn)的軋輥接觸面上，在快速固化過程中將其軋制成薄帶。

在非晶納米晶材料優(yōu)化上，大連理工大學張春旋經(jīng)過反復試驗，確定當加熱功率為30～40 kW、噴嘴與滾面間距約為2 mm時可成功制備出20～50 mm寬的非晶帶材[11]。Yang X F等通過添加特定元素來提高材料電阻率，降低渦流損耗[12]。Li L Y等通過采用具有耐高溫、化學惰性、熱膨脹系數(shù)極小、電絕緣性能極佳、易于修飾改性的SiO2無機絕緣包覆劑，進行燒結包覆工藝研究[13-14]。孫懷濤等在高純氬氣氣氛保護下，通過機械合金化技術制備出了納米晶NdFeB各向同性磁粉，獲得的合金粉平均晶粒度達到約8 nm[15]。

3.2 添加劑種類及含量

納米晶材料性能不僅受制備方法的影響，添加劑種類及含量的不同對其性能也有至關重要的作用。Saad A等[16]研究了成分為Fe71.5B9Nb3Cu1Si7.5+yAlxGe8-x-y(0

4 結語

通過上述研究分析可知，相對于傳統(tǒng)的鐵基合金和坡莫合金，納米晶合金材料磁性能優(yōu)異，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，隨著科技的不斷進步、新產(chǎn)品的出現(xiàn)以及高新技術的快速發(fā)展，納米晶合金材料正在逐步替代硅鋼、鐵氧體和坡莫合金等傳統(tǒng)軟磁材料。同時，市場對納米晶合金材料的性能也提出了更高的要求和標準，如應用在中高頻段時在向?qū)挏氐蛽p耗發(fā)展的同時要求材料具有高的Bs和μi；應用在高頻段時要求材料向高頻化、低損耗方向發(fā)展。從材料制備工藝來看，不同制備方法對材料性能有著不同影響，制造工藝還需進一步完善、優(yōu)化；從添加劑種類及含量來看，不同添加劑會對材料性能帶來顯著影響，今后制備方法和添加劑的研究與完善將是提高其軟磁性能的發(fā)展方向。