软磁材料基础知识连载（一）

      基本概念 ：（根据我国的计量法，物理量单位采用国际单位制，即SI。为方便理解，这里列出一些常用量的换算。）

      磁感应强度B：

      磁感应强度B可以这样定义，足够小的电流元Idl（I为导线回路中的恒定电流，dl为导线回路中沿电流方向所取的矢量线元）在磁场中所受的力最大方向时，所受到的最大力dFmax与Idl的比值。B=dFmax/Idl

      在SI中,磁感应强度B单位特[斯拉]T，1T=1N/A•m=1Wb/m2,1T=10000Gs（高斯）。

      磁场强度H：

      磁场强度H与电场中的电位移矢量D相似。

      真空中磁场的磁感应强度B0，由于引入磁介质而产生附加磁场，其磁感应强度B’，则磁介质总的磁感应强度B是B0和B’的矢量和，即B=B0+B’。B与B0的大小比称相对磁导率 μr= B/B0 。不同的物质对磁场的影响非常大，因此引出了一个辅助矢量——磁场强度H。磁介质内磁场强度H沿闭合路径的环流等于闭合路径包围的所有传导电流的代数和（存在磁介质时的环路安培定理）。H=NI/ ,  为到磁环有效磁路长度。

      B－H磁化曲线：

      软磁材料在交变磁场中，刚开始O点随着电流nI变大， B开始缓慢变大，当到a点时，B急剧变大，当到b点，B增加变缓，当到c点H再变大时，B几乎不再变大，我们说材料被磁化到了饱和。达到饱和之后，无论H怎样增大，材料的磁感应强度也不再增大。此时的磁感应强度   称为饱和磁感应强度，用Bs来表示。B－H关系画成曲线，就是材料B－H磁化曲线。饱和磁感应强度是磁性材料的一个重要指标。

      在SI中，磁场强度H单位是安[培]每米（A/m）。

      磁导率μ：

      在各向同性的均匀磁介质中，B与H成正比关系：B=μH，μ称为磁介质的磁导率 μ=B/H，磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度。在磁化的不同阶段，材料的磁导率也不同，磁导率在最高点称为最大磁导率。在磁化起始点的磁导率称为初始磁导率，简称初导。磁导率是软磁材料另一个非常重要指标。

      在SI单位制中,磁导率的单位亨[利]每米H/m，常 用T/（A/m），T/（A/cm），但一般用相对磁导率μr来表示。1（H/m）=T/（A/m)=100T/（A/cm)，在有些资料上用特/奥（斯特）（T/Oe）或高斯/奥（斯特）（Gs/Oe），高斯与奥斯特都是以前的物理量。1A/m=4πe-3 Oe ，磁导率为1Gs/Oe 的磁介质的相对磁导率为1。相对磁导率μr是无量纲量。

      (一)非晶、纳米晶软磁合金带材
      生产过程简介：

                                           
      非晶态软磁合金带材是60年代问世的一种高新技术材料，其制备工艺采用速度为每秒近一百万度的快速冷凝技术，将熔融合金钢水急速冷却成厚度约25-30微米的合金带材，其微观结构完全不同于传统的金属合金材料。具有优异的磁性能（电阻率高、损耗小）；硬度高、韧性好，耐高温耐腐蚀；机电耦合系数、热传导性好；是一种绿色、环保、高效、节能的功能材料。

      单包、三包制带工艺装置示意：

      非晶、纳米晶材料技术简介
      1非晶软磁合金材料及其应用
　　
      1.1非晶软磁合金材料及其形成机理
　　
      我们根据原子排列方式把物质划分为晶体和非晶体两类。物质里面的原子排列是整齐有序的叫做晶体;物质的原子排列是混乱的叫做非晶体。通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金（又称为金属玻璃）。 如下图左为晶态结构，右图为非晶态结构。

 
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      1.2非晶软磁合金材料的种类
　　
      1.2.1铁基非晶合金
　　
      铁基非晶合金：主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强（饱和磁感应强度可达1.4-1.7T）、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，特别是铁损低（ 为取向硅钢片的1/3－1/5），代替硅钢做配电变压器可降低铁损60－70％。铁基非晶合金的带材厚度为0.03毫米左右，广泛应用于中低频变压器的铁心（一般在10千赫兹以下），例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。
　　
      1.2.2铁镍基非晶合金
　　
      铁镍基非晶合金：主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成，它们的磁性比较弱（饱和磁感应强度大约为1T以下），价格较贵，但磁导率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁心，例如漏电开关互感器。
　　
      1.2.3钴基非晶合金
　　
      钴基非晶合金：由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素，由于含钴，它们价格很贵，磁性较弱（饱和磁感应强度一般在1T以下），但磁导率极高，一般用在要求严格的军工电源、或高端民用电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。
　　
      1.2.4纳米(超微晶)软磁合金材料
　　　
      铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，某些领域几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。

      2、特性参数：

      2.1非晶纳米晶软磁合金材料与传统软磁合金材料磁性能比较：

      材料名称

      2.2图1 非晶、纳米晶软磁合金材料与传统软磁材料B-H曲线比较：
 

                          图1                                     图2

      2.3图2非晶、纳米晶软磁合金材料与传统软磁材料使用频率范围比较：
      2.4 磁芯损耗曲线：

      3、非晶软磁合金材料的优点

      3.1优良的磁性
　　
      与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。
　　
      3.2高强韧性
　　
      明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。

      3.3灵活的处理工艺
　　
      和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。

      3.4制造工艺简单，节能、环保
　　
      传统的薄钢板，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有“水老虎”和“电老虎”之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。表1是非晶软磁合金材料与其它常用软磁材料性能的比较。