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(shù)推廣研究所，北京 100089；2. 32382部隊(duì)，北京 100072)

隨著鐵基非晶、納米晶合金材料的普及和市場(chǎng)應(yīng)用的拓展，作為一種重要的磁性材料，已被廣泛應(yīng)用于電力電氣、工業(yè)電源、電動(dòng)汽車、軌道交通、航空航天、醫(yī)療、新能源、消費(fèi)電子等領(lǐng)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(chǎng)下到達(dá)特定的部位，利用特有的磁熱效應(yīng)使其吸收電磁場(chǎng)中的能量進(jìn)而產(chǎn)熱[5-6]，為納米技術(shù)和電磁領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)合提供了更多的可能性。

另外，隨著電子整機(jī)系統(tǒng)、電子技術(shù)應(yīng)用，特別是數(shù)字電路和開關(guān)電源應(yīng)用的普及與快速發(fā)展，人們對(duì)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(lǐng)域也有著廣闊的市場(chǎng)前景，已成為磁性材料中產(chǎn)量增長最快速的領(lǐng)域。本文從鐵基非晶、納米晶合金材料特性及應(yīng)用、飽和性能研究分析以及制備方面進(jìn)行了綜合介紹。

1 鐵基非晶、納米晶合金材料的特性及應(yīng)用

鐵基非晶、納米晶合金材料制備技術(shù)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(shù)，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(diǎn)，以及優(yōu)異的軟磁材料性能、力學(xué)性能和廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。目前，市場(chǎng)上應(yīng)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(yīng)用

鐵基合金具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較高的初始磁導(dǎo)率、高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性，在寬的頻率范圍內(nèi)有低的損耗，對(duì)應(yīng)力不敏感。廣泛應(yīng)用于配電變壓器、脈沖變壓器、大功率開關(guān)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(yīng)用

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

1)在溫度穩(wěn)定性、時(shí)效穩(wěn)定性、機(jī)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(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率高，高頻特性良好，強(qiáng)度、硬度和韌性高，電阻率和機(jī)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(duì)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(fù)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(yīng)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(guān)電源、現(xiàn)代通信、電力電子、高精度電流互感器、電動(dòng)汽車、電磁兼容器件等高新產(chǎn)業(yè)以及各種高科技領(lǐng)域和國防軍工領(lǐng)域磁器件產(chǎn)品中。

1.3 坡莫合金材料特性及應(yīng)用

坡莫合金材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為7 500～15 000 Gs，具有較高的磁導(dǎo)率、低矯頑力、低激磁電流、高居里溫度、高的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)用于太空設(shè)備、漏電開關(guān)、低損耗微電機(jī)、小信號(hào)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(biāo)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

鐵基非晶、納米晶合金材料特性對(duì)產(chǎn)品性能起到至關(guān)重要的作用。表1詳細(xì)列舉分析了鐵基非晶、納米晶材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、矯頑力Hc、磁導(dǎo)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(biāo)與產(chǎn)品性能之間的關(guān)系[9]。

表1 材料特性對(duì)產(chǎn)品性能的影響

2 鐵基非晶、納米晶材料飽和性試驗(yàn)

當(dāng)磁性材料在交變磁場(chǎng)中被反復(fù)磁化，吸收電磁場(chǎng)的能量，將其轉(zhuǎn)化為熱量，這就導(dǎo)致了磁損耗。磁損耗是磁性材料在交變磁場(chǎng)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(shí)磁損耗的存在會(huì)導(dǎo)致磁性材料的性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生失效的情況，從而給設(shè)備的正常工作帶來巨大影響。下述將針對(duì)典型的磁性材料進(jìn)行性能研究。

2.1 1K107材質(zhì)性能研究試驗(yàn)

1)在不同溫度下對(duì)材質(zhì)為1K107的納米晶材質(zhì)進(jìn)行單匝電感量測(cè)試，結(jié)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(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

a.系列1、2兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在磁導(dǎo)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(duì)比可知，在磁導(dǎo)率、高度相同的條件下，內(nèi)外徑不同，單匝電感量不同。

磁導(dǎo)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(guān)系如下：

(1)

由上式及結(jié)論a、b可知，試驗(yàn)結(jié)果與理論一致。

c.單匝電感量隨著溫度的升高而變大，當(dāng)溫度升高到一定時(shí)，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(yàn)條件限制，未測(cè)得實(shí)際溫度值)。

2)在不同頻率下對(duì)飽和磁感強(qiáng)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(jìn)行單匝電感量測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 1K107材質(zhì)與頻率關(guān)系性能研究試驗(yàn)結(jié)果

由表2試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

a.在低頻段隨著頻率的升高，單匝電感量變化不大，當(dāng)頻率升高到一定值時(shí)，單匝電感量開始快速下降，從而導(dǎo)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(duì)1K107納米晶材質(zhì)進(jìn)行PN頻率特性、PN損耗特性、PN磁芯磁滯回線試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(duì)1K107材質(zhì)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，頻率、磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)材料性能有著至關(guān)重要的影響。

2.2 1J85材質(zhì)性能研究試驗(yàn)

在不同溫度下對(duì)材質(zhì)為1J85的坡莫合金材質(zhì)進(jìn)行單匝電感量測(cè)試，結(jié)果見表3。

由表3試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

表3 1J85材質(zhì)與頻率關(guān)系性能研究試驗(yàn)結(jié)果

1)通過對(duì)比1組和2組數(shù)據(jù)可知，在磁導(dǎo)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(dāng)溫度升高到一定時(shí)，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(yàn)條件限制，未測(cè)得實(shí)際溫度值)。

3 納米晶材料抗飽和研究

通過上述飽和性試驗(yàn)及查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，對(duì)于納米晶材料，其今后的發(fā)展趨勢(shì)不僅要求其在寬溫范圍內(nèi)具有低的損耗，同時(shí)還要求其具有高的起始磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)前納米晶材料的研究重點(diǎn)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(shè)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(yīng)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(gè)高速旋轉(zhuǎn)的金屬輥表面，將合金熔體進(jìn)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(gè)相對(duì)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(xué)張春旋經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定當(dāng)加熱功率為30～40 kW、噴嘴與滾面間距約為2 mm時(shí)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(xué)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(jī)絕緣包覆劑，進(jìn)行燒結(jié)包覆工藝研究[13-14]。孫懷濤等在高純氬氣氣氛保護(hù)下，通過機(jī)械合金化技術(shù)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(dá)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(duì)其性能也有至關(guān)重要的作用。Saad A等[16]研究了成分為Fe71.5B9Nb3Cu1Si7.5+yAlxGe8-x-y(0

4 結(jié)語

通過上述研究分析可知，相對(duì)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(jiǎn)單，成本低廉，隨著科技的不斷進(jìn)步、新產(chǎn)品的出現(xiàn)以及高新技術(shù)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(shí)，市場(chǎng)對(duì)納米晶合金材料的性能也提出了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，如應(yīng)用在中高頻段時(shí)在向?qū)挏氐蛽p耗發(fā)展的同時(shí)要求材料具有高的Bs和μi；應(yīng)用在高頻段時(shí)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(duì)材料性能有著不同影響，制造工藝還需進(jìn)一步完善、優(yōu)化；從添加劑種類及含量來看，不同添加劑會(huì)對(duì)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。