第3章 磁性材料

3.1 磁性材料的特性和分類[6,15]

62 磁性材料的基本特性

磁性材料的參數和意義見表3.3-1。磁性材料的基本特性見圖3.3-1，退磁曲線和永磁材料特性見圖3.3-2。

63 磁性材料的分類

磁性材料按矯頑力的大小分為軟磁材料和永磁（硬磁）材料。軟磁材料矯頑力低（H_CB≤1kA/m），H_CJ與H_CB差別小，磁導率高，在較低外磁場下能產生較高的磁感應強度，并隨外磁場增大而很快達到飽和，當外磁場去除后，磁性能基本消失。它主要用于制作傳遞、轉換能量和信息的磁性零部件或器件。永磁材料矯頑力高（H_CB>1kA/m），H_CJ與H_CB差別大，磁化飽和再去除磁場后，磁體仍能儲存一定的磁能量，在較長時間內保持強而穩定的磁性。它主要用于需要產生恒定磁通的磁路中，在一定空間內提供恒定的磁場作為磁場源。

3.2 軟磁材料[6,15]

64 純鐵

純鐵的特點是B_s高，具有高磁導率和低矯頑力。它主要在直流或低頻下使用：繼電器鐵心、直流電機導磁材料、電磁鐵磁軛和磁屏蔽器件等。由于高純度鐵的成本高，因此在電氣工業中用的是含有微量雜質的電磁純鐵。如將純鐵在氫中1150～1480℃退火，可以除去雜質以改善磁性。純鐵存在著磁老化現象：鐵內含有的氮逐漸形成鐵氮化合物，使磁性緩慢惡化。熔煉時加入鋁、鈦及釩等可使氮含量減至最少。純鐵的缺點是ρ低（0.1μΩ·m），渦流損耗大，不適用于交流。電磁純鐵的磁性能見表3.3-2。

65 低碳鋼

低碳鋼是含碳量小于0.1%的鐵碳合金，磁性能良好，在較強磁場（2～4kA/m）下磁感應強度高，價格低廉，硬度比硅鋼低，沖壓特性好。常用低碳鋼中碳的ω（c）=0.05%～0.08%，厚度為0.50nm、0.65mm，主要用于小功率電機和變壓器鐵心，在直流應用中可作電磁鐵的鐵心材料、直流電機的磁軛和高速轉子。低碳鋼的典型磁特性見表3.3-3。

66 熱軋硅鋼片

是磁性并不取向的硅鋼片，厚度和性能見表3.3-4。熱軋硅鋼片分下列兩種：1）低硅鋼片：含硅量1%～2%，Bs高，力學性能好，厚度一般為0.5mm，主要用于發電機和電動機轉子，又稱熱軋電機硅鋼片；2）高硅鋼片：含硅量3%～5%，損耗低，磁導率高，厚度多為0.35mm，主要用于變壓器鐵心，又稱為變壓器硅鋼片。

67 冷軋硅鋼片

分非取向和單取向兩種。

（1）冷軋非取向硅鋼片 經冷軋達到成品厚度。冷軋配合熱處理，破壞了晶粒取向，使材料基本上各向同性。含硅量低于取向硅鋼，因而B_s更高。材料厚度常有0.35mm和0.5mm兩種，主要用于電機鐵心，又稱為冷軋電機硅鋼片，品種和主要性能見表3.3-5。

（2）冷軋單取向硅鋼片 磁性有強烈各向異性，軋制方向是性能的擇優方向。鐵心損耗比非取向硅鋼片低得多。磁性能、塑性、表面質量比熱軋硅鋼片更優越，帶材平整，使材料的填充系數增加2%～3%。主要用于制造變壓器，又稱為冷軋變壓器硅鋼片。品種和主要性能見表3.3-6。

68 鐵鎳合金（坡莫合金）

為面心立方結構，含鎳30%～80%的鐵鎳合金可作為軟磁材料。其特點是起始磁導率和最大磁導率都非常高，且矯頑力小，低磁場下磁滯損耗相當低，電阻率又比硅鋼高，因此可用于頻率較高的場合，特別適合于電信工業。鐵鎳合金的化學成分及磁性能見表3.3-7。

鐵鎳合金性能與含鎳量有關，鐵鎳二元合金有三類軟磁材料：1）含鎳≈36%，磁導率最低，電阻率最大；2）含鎳≈50%，飽和磁感應強度最大，磁導率高，經大壓縮率的冷軋和退火，可得到（100）[001]（立方）織構，冷軋方向的磁導率很高且具有矩形磁滯回線；3）含鎳≈80%，磁導率特別高，損耗相當低，但飽和磁感應強度低，僅0.8T。

為了提高電阻率和易于熱處理，有些鐵鎳合金中加入少量銅、鉬、鉻及錳等元素。鐵鎳合金都以薄的冷軋帶狀態供應，厚度最薄達0.005mm。這類材料大都制成卷繞環狀鐵心，層間用沉積法覆以氧化物絕緣，然后在真空或保護氣氛中熱處理（施加或不加磁場）。經過熱處理后的鐵心可獲得最佳磁性。但是磁性對機械應力的影響非常敏感，因此必須裝入各種塑料或鋁制的保護盒中，以免在運輸、繞線、裝配及運行中受到機械應力而導致磁性惡化。

69 鐵鈷合金

提高鐵中鈷含量可提高B_s，含鈷≈36%時可得B_s值最高的磁性材料，含鈷50%的合金μ較高。加入釩可增加電阻率和改善延展性。熱處理時施以磁場，可提高磁導率和降低H_CB，增加磁滯回線的矩形性。鐵鈷合金的居里點特別高（980℃），可用于高溫，鐵鈷合金的成分和磁性能見表3.3-8。

70 軟磁鐵氧體

常用的有Mn-Zn、Ni-Zn、Mn-Mg等尖晶石型及含Ba平面型六角晶系軟磁鐵氧體，電阻率高（1～108Ω·m），渦流損耗小，磁導率和飽和磁感應強度高、矯頑力低、化學穩定性好、價格低廉、性能受頻率影響小。無線電、微波和脈沖技術中廣泛用作高頻電感和變壓器磁心、錄音錄像磁頭、電波吸收材料、磁傳感器及毫米波旋磁材料等。1MHz以下用Mn-Zn；1～200MHz用Ni-Zn。幾百到數千MHz范圍應用平面六角鐵氧體。軟磁鐵氧體按用途的分類及其主要性能見表3.3-9。

3.3 永磁材料[6,15,16]

71 永磁材料的特性

表征永磁材料品質的主要因素是：矯頑力H_CB、剩余磁感應強度B_r、最大磁能積（BH）_max以及磁穩定性。當永磁體在靜態條件下工作（如磁電式儀表中）時，工作點在圖3.3-2b中OP負載線上，當永磁體在動態條件下工作（如永磁電機中）時，工作狀態在圖中兩個磁化狀態P和Q所決定的回復線上往復變化移動。常用的永磁材料的磁性能見表3.3-10。

選用永磁材料時，要求（BH）_max大、溫度系數小、磁穩定性高；為使磁路最佳化，應盡可能使工作點接近最大磁能積點，但是還需結合永磁體的使用場合和工作狀態，考慮其形狀、加工性、價格和μ_rec等因素。

72 鋁鎳鈷合金

組織結構穩定，剩磁較大，磁溫度系數小，居里點高，矯頑力和最大磁能積值在永磁材料中居中等水平，目前在我國電機、電器工業中應用較多。對于特大的和極小的以及異形的永磁體，其特性會下降。各向異性永磁體，非最佳磁方向的磁特性僅為最優磁性方向的1/3，因此使用時，永磁體的形狀要與最優磁性方向一致。它的加工性差，因此要求體積小、尺寸精度高的永磁體多采用粉末燒結鋁鎳鈷合金。

73 鐵氧體永磁材料

化學組成用MO·nFe₂O₃表示，其中M為Ba、Sr、Pb中的一種或兩種以上的二價金屬離子，n為5.0～6.0。材料分各向同性和各向異性兩類。它的矯頑力高、時效變化少、電阻率高、密度小、不含鎳和鈷元素、價廉、原材料來源豐富，許多場合用來代替鋁鎳鈷合金，因此目前產量最大。雖其最大磁能積不高，但最大回復磁能積較大，宜做在動態條件下工作的永磁體，例如用于各種永磁電機。其缺點是剩磁較低，磁感應溫度系數較大，不宜用于電工測量儀表；此外在低溫下會不可逆退磁，耐機械沖擊能力較弱。

74 稀土鈷永磁材料

磁性能在現有永磁產品中較高（見表3.3-10）：剩磁與鋁鎳鈷合金相當，矯頑力是鐵氧體的3～4倍；最大磁能積是高性能鋁鎳鈷合金的2～4倍，退磁曲線大致呈直線，動態磁能積大，動態特性優良，相對回復磁導率接近1，適于動態條件下工作；穩定性好，不易受外磁場影響，溫度系數較低，僅略高于鋁鎳鈷合金（添加重稀土元素可以改善）。宜做微型或薄片狀永磁體，使應用永磁體的設備小型化、輕量化。缺點是價格較貴；居里溫度比鋁鎳鈷合金稍低；由于含大量易氧化的稀土元素，因此耐蝕性能低，導致磁性下降；在高溫下（250℃以上）使用時會產生退磁，加工時要防止發熱；磁體硬而脆，只能磨加工。

75 釹鐵硼合金

第三代稀土永磁，遠優于第一、二代產品。釹鐵硼合金的物理特性見表3.3-11，主要磁特性見表3.3-12。

試樣和產品性能均列當今永磁材料最高水平：最大磁能積分別達到431kJ/m3和366kJ/m3，機械強度比其他永磁材料高，韌性好，密度比稀土鈷永磁低13%，更有利于磁體輕量、小型化。

不含Sm等稀貴元素，原材料資源豐富，價廉（只相當于SmCo合金的1/3～1/2），甚至低于高性能鋁鎳鈷合金。在一些領域已取代某些永磁材料。但T_c較低（312℃），使用溫度低，磁溫度系數較大[-1260μm/（m·K）]，熱穩定性和抗腐蝕性能差（合金中含極易氧化的稀土元素釹），易生銹，限制了其使用范圍。加入適量鈷、鋁和重稀土元素，T_c可升高到450～500℃，磁溫度系數αB降到500～700μm/（m·K）。加入適量鈦、鈮等元素，可使合金磁極化強度矯頑力提高，高溫不可逆損失降低，熱穩定性增強。

76 黏結永磁材料

用黏結劑（橡膠或塑料）和某種永磁材料粉末（磁粉）混合制成。特點是成品率高，可大批量生產，材料可再生利用，成本低；尺寸精度高，不需二次加工，能制成形狀復雜、細或薄的磁體；與其他部件可一體成形；可制成沿徑向取向磁體和多極充磁；磁體耐磨、耐沖擊，機械特性好，不易破損開裂；磁性均勻一致，磁性能取決于所用磁粉性能及其含量。缺點是磁性能低于相應純的永磁材料。

黏結永磁材料中以黏結鐵氧體產量最多，特別是各向同性橡膠黏結鐵氧體（見表3.3-13）。各種稀土系黏結永磁性能（見表3.3-14）。

使用的磁粉材料目前有三大類：SmCo₅系、SmTM₁₇系和NdFeB系，主要由壓縮和注射成型制得。各向異性黏結Nd系永磁試樣的（BH）_max現已達140～160kJ/m3，各向異性黏結SmFeN系磁體居里溫度和耐蝕性比NdFeB系磁體更高，很有前途。

77 半硬磁材料

磁特性介于軟磁和永磁材料之間（但更接近永磁材料），磁滯回線面積較大，剩磁在0.9T以上，矯頑力為0.8～24kA/m。多數半硬磁材料塑性良好，可進行鍛軋、拉絲、沖壓、彎曲等。主要用于制作磁滯電機和鐵簧繼電器等。磁滯合金的主要品種及其特性見表3.3-15。

78 永磁材料的穩定性

外界因素能引起磁性能不可逆變化。影響磁穩定性的因素如下：

（1）內因 包括組織變化和磁后效。鋁鎳鈷合金、鐵氧體、鐵鉻鈷和稀土鈷永磁材料不會產生組織變化。釹鐵硼合金易被氧化而產生組織變化。各種永磁材料除各向異性鋇鐵氧體外，都會產生磁后效，它們的退磁率隨時間對數而變化，且矯頑力、尺寸比（L/D）越大時，?越小。任何永磁材料，低工作點磁體的?比高工作點磁體的?大。

（2）外因 包括溫度、干擾磁場、機械應力、接觸強磁性物質、高能粒子輻照等。1）由溫度引起的退磁率?，因永磁體的材質和尺寸比的不同而異，如LNG37會產生高溫退磁和低溫退磁，鋇鐵氧體會產生低溫退磁。因此在選用具有低溫退磁性質的永磁體時，應使永磁體在最低使用溫度下的工作點在膝點之上。在尺寸比相同的情況下，各種永磁體的退磁率隨外磁場增大而增加，隨矯頑力提高、尺寸比增大而變小，若工作點選在膝點之上，則受外磁場的影響很小。2）機械振動和沖擊引起的退磁率一般不大，磁體尺寸比越大、矯頑力越高、沖擊或振動的強度越低時，則?越小。顯著退磁一般發生在多次沖擊和較長時間振動的初期，以后則趨于緩慢和穩定。3）中子照射影響：在低于3×107lm/cm2的照射下，各種永磁材料也會產生不同程度的退磁。

為使永磁材料在使用中的磁性穩定，對材料必須預先進行穩定化處理：高溫或低溫退磁、不同溫度范圍的溫度循環強制退磁、交流或直流退磁等。

3.4 磁記錄和磁記憶材料[6,17]

79 磁記錄和磁光記錄介質

磁記錄介質應具有較大的B_r和H_CB，將材料薄薄地涂敷在非鐵磁性襯底上，制成磁鼓、磁帶和磁盤，作為表面存儲器。磁記錄媒質材料的性能見表3.3-16。

磁光記錄技術綜合了磁性介質的可擦除重寫特性及光盤的大信息容量、非接觸讀寫、可更換性等優點，是目前最先進的可擦除光存儲技術。

磁光記錄系統在計算機大容量存儲器、檔案存儲、數字化錄音、錄像系統中的應用越來越引人注目。磁光記錄介質應具有垂直磁各向異性、足夠大的磁光增益指數、合適的居里溫度及補償溫度、在室溫及讀出溫度下矯頑力大而磁化強度小等。目前使用的是非晶稀土過渡金屬合金薄膜，正在開發的新型磁光記錄材料有石榴石鐵氧體等亞鐵磁氧化物及Pt-Co多層金屬膜等。

80 磁頭材料

磁頭材料要求B_s高、B_r和H_CB低、磁導率高、磁致伸縮系數λ_s低、硬度大、溫度穩定性好等。磁頭材料的物理性能見表3.3-17。

81 磁泡存儲材料

當鐵磁材料的薄膜或薄片具有垂直膜面的單軸磁各向異性時，在一定外磁場下可能產生圓柱狀磁疇，稱為磁泡。利用磁泡的“有”與“無”來代表二進制數碼，在外磁控制下，磁泡具有可以產生、傳輸、復制、讀出、擦除等功能。所制成的磁泡存儲器是全固態器件，具有容量大、體積小、功耗小、可靠性高、非易失等優點，目前已有單片容量為4Mbit的磁泡存儲器商品，此項技術仍在發展之中；在計算機、電話通信系統、飛行記錄器及數控設備中獲得了廣泛的應用。磁泡存儲材料應有足夠大的垂直磁各向異性、低矯頑力、高疇壁遷移率、高居里溫度等，石榴石鐵氧體磁泡材料已逐漸成為磁泡材料的主流，其他有非晶膜及正鐵氧體等。

3.5 特殊磁性材料[6,18]

82 磁溫度補償合金

居里點在室溫至200℃間，低于居里點時，磁感應強度隨溫度下降而急劇減小，幾乎呈線性關系。可用它補償永磁體磁路中因溫度變化而引起的氣隙磁通變化，作磁分路中的磁溫度補償材料。在溫度上升時為使其磁感應強度一次性地完全減少，可把成分稍不同的兩種溫度補償合金平行地黏接起來使用。磁溫度補償合金的特性見表3.3-18。

83 微波磁性材料

微波磁性材料分尖晶石型鐵氧體和石榴石型鐵氧體兩大類。尖晶石型鐵氧體包括Mg系（Mg·Mn·Al）、Ni系（Ni·Zn、Ni·Al）和Li系。石榴石型鐵氧體主要含Y和Fe，亦稱YIG，主要包括Y₃Fe₃O₁₂（YIG）和用Al、Gd或Ca、V置換的YIG和YIG單晶石榴石型鐵氧體。主要用于微波通信、移動通信、廣播（VHF以上）、各種測量儀器微波回路里的隔離器、環形不可逆元件和可變移相器、調幅器、可變調幅濾波器中。根據微波材料的工作原理，要求其損耗低，溫度特性優良，有適當的磁飽和性和絕緣性等。

84 非晶態磁性材料

在Fe、Ni、Co中加入Si、B、C、P等元素從熔融態急冷制得。有多種品種：1）高磁飽和型非晶態軟磁材料，電阻率高（比晶態合金高3～4倍），損耗低（硅鋼片的1/4～1/3），軟磁特性優良，可用于電力、電源、電抗器等；2）高磁導率型非晶態軟磁材料，電阻率高，損耗低，可用于信息敏感元件和小功率器件（如磁頭、磁屏蔽、小功率脈沖變壓器、漏電保護開關等）；其他有非晶態或微晶永磁合金，非晶態壓磁、旋磁、磁光、磁飽和磁記錄材料。