铁基非晶、纳米晶合金材料应用特性研究

赵少琼，常 皓，陈晓微，周成龙，张梓超

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2. 32382部队，北京 100072)

随着铁基非晶、纳米晶合金材料的普及和市场应用的拓展，作为一种重要的磁性材料，已被广泛应用于电力电气、工业电源、电动汽车、轨道交通、航空航天、医疗、新能源、消费电子等领域及其产品[1-3]。

纳米晶合金材料除具有纳米材料的特性外还表现出优异的磁性能、相容性和无毒等[4]。其中，磁性能允许它能够在变化的磁场下到达特定的部位，利用特有的磁热效应使其吸收电磁场中的能量进而产热[5-6]，为纳米技术和电磁领域应用的结合提供了更多的可能性。

另外，随着电子整机系统、电子技术应用，特别是数字电路和开关电源应用的普及与快速发展，人们对电磁干扰影响的日益重视，以铁基非晶、纳米晶合金材料为主的软磁材料在航空、航天、兵器、船舶、轨道交通、新能源、医疗等领域也有着广阔的市场前景，已成为磁性材料中产量增长最快速的领域。本文从铁基非晶、纳米晶合金材料特性及应用、饱和性能研究分析以及制备方面进行了综合介绍。

1 铁基非晶、纳米晶合金材料的特性及应用

铁基非晶、纳米晶合金材料制备技术不同于传统方法，采用冷却速度大约106℃/s的超急冷凝固技术，从熔融的液态金属到薄带成品一次成型的非晶态合金，具有高频特性好、磁性能优越、韧性高、居里温度高、材料易加工、尺寸精度高等特点，以及优异的软磁材料性能、力学性能和广阔的应用前景[7-8]。目前，市场上应用最广的有铁基合金、纳米晶合金和坡莫合金。

1.1 铁基合金材料特性及应用

铁基合金具有较高的饱和磁感应强度、较高的初始磁导率、高的机械强度和优良的韧性，在宽的频率范围内有低的损耗，对应力不敏感。广泛应用于配电变压器、脉冲变压器、大功率开关电源、磁屏蔽、磁放大器、电流互感器、逆变器铁芯等，适用于12 kHz以下频率使用。

1.2 纳米晶合金材料特性及应用

纳米晶合金材料的研究和开发给软磁材料领域注入了新的活力，其显著特性如下。

1)在温度稳定性、时效稳定性、机械稳定性以及磁冲击稳定性等方面具有优良的性能。

2)低矫顽力可以提高器件效率，低铁芯损耗可以减小器件升温，磁感应强度和磁导率高，高频特性良好，强度、硬度和韧性高，电阻率和机电耦合性能高等。

3)适合制作EMI滤波器中的共模电感，所需匝数少，电感量大，铜损低，节省线材，体积小，共模插入损耗高，能在很宽的频率范围内对共模干扰起到抑制作用。

4)磁粉原料来源便宜，可利用非晶纳米晶急冷薄带的头、尾或边角料经球磨气流复合破碎等方法获得。

鉴于非晶纳米晶磁芯的优良特性，其被广泛应用于电子电镀表、精密功率表、大功率中高频变压器及逆变器铁芯、大功率及高频开关电源、现代通信、电力电子、高精度电流互感器、电动汽车、电磁兼容器件等高新产业以及各种高科技领域和国防军工领域磁器件产品中。

1.3 坡莫合金材料特性及应用

坡莫合金材料饱和磁感应强度为7 500～15 000 Gs，具有较高的磁导率、低矫顽力、低激磁电流、高居里温度、高的机械强度和优良的韧性，在20 kHz下具有低的铁损、空气中热处理不发生氧化、矩形回线好、温度特性极佳等特性。坡莫合金材料广泛应用于太空设备、漏电开关、低损耗微电机、小信号变压器、谐振电感、精密电流互感器铁芯、磁屏蔽等。

1.4 材料特性指标对产品性能的影响

铁基非晶、纳米晶合金材料特性对产品性能起到至关重要的作用。表1详细列举分析了铁基非晶、纳米晶材料的饱和磁感应强度Bs、矫顽力Hc、磁导率μr、居里温度Tc、铁损Ps、激磁功率Ss、电阻率ρ、磁致伸缩系数、磁滞回线等主要性能指标与产品性能之间的关系[9]。

表1 材料特性对产品性能的影响

2 铁基非晶、纳米晶材料饱和性试验

当磁性材料在交变磁场中被反复磁化，吸收电磁场的能量，将其转化为热量，这就导致了磁损耗。磁损耗是磁性材料在交变磁场中产生热量的主要原因，常见的磁损耗有：涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗。同时磁损耗的存在会导致磁性材料的性能下降，严重时会发生失效的情况，从而给设备的正常工作带来巨大影响。下述将针对典型的磁性材料进行性能研究。

2.1 1K107材质性能研究试验

1)在不同温度下对材质为1K107的纳米晶材质进行单匝电感量测试，结果如图1所示。

图1 1K107材质PN频率特性曲线

图1中，系列1的外径、内径、高度为86 mm×64 mm×10 mm；系列2的外径、内径、高度为86 mm×64 mm×14 mm；系列3的外径、内径、高度为40 mm×25 mm×10 mm。由图1试验结果可以得出如下结论。

a.系列1、2两组数据对比可知，在磁导率、内外径尺寸相同的条件下，高度越高，单匝电感量越大。

b.系列1、3两组数据对比可知，在磁导率、高度相同的条件下，内外径不同，单匝电感量不同。

磁导率μi、材质外径D、内径d、高度H、匝数N、单匝电感量L的关系如下：

(1)

由上式及结论a、b可知，试验结果与理论一致。

c.单匝电感量随着温度的升高而变大，当温度升高到一定时，单匝电感量开始下降，若继续升高到居里温度则由铁磁状态转变为顺磁状态，从而磁化消失(纳米晶材料的居里温度为500 ℃以上，由于试验条件限制，未测得实际温度值)。

2)在不同频率下对饱和磁感强度为1.25 T、密度为7.25 g/cm3、电阻率为90 μΩ·cm、尺寸为130 mm×100 mm×30 mm的1K107纳米晶材质进行单匝电感量测试，结果见表2。

表2 1K107材质与频率关系性能研究试验结果

由表2试验结果可以得出如下结论。

a.在低频段随着频率的升高，单匝电感量变化不大，当频率升高到一定值时，单匝电感量开始快速下降，从而导致磁性材料性能降低甚至失效。

b.材质在50 kHz以下磁性能最好。

3)对1K107纳米晶材质进行PN频率特性、PN损耗特性、PN磁芯磁滞回线试验，试验结果分别如图2～图4所示。

图2 1K107材质PN频率特性曲线

图3 1K107材质PN损耗特性曲线

图4 1K107材质PN磁芯磁滞回线

从上述对1K107材质性能试验结果可知，频率、磁通密度和磁场强度对材料性能有着至关重要的影响。

2.2 1J85材质性能研究试验

在不同温度下对材质为1J85的坡莫合金材质进行单匝电感量测试，结果见表3。

由表3试验结果可以得出如下结论。

表3 1J85材质与频率关系性能研究试验结果

1)通过对比1组和2组数据可知，在磁导率、内外径尺寸、高度相同的条件下，单匝电感量基本一致。

2)单匝电感量随着温度的升高而变大，当温度升高到一定时，单匝电感量开始下降，若继续升高到居里温度则由铁磁状态转变为顺磁状态，从而磁化消失(坡莫合金材料的居里温度为400 ℃以上，由于试验条件限制，未测得实际温度值)。

3 纳米晶材料抗饱和研究

通过上述饱和性试验及查阅相关文献可知，对于纳米晶材料，其今后的发展趋势不仅要求其在宽温范围内具有低的损耗，同时还要求其具有高的起始磁导率和饱和磁感应强度。当前纳米晶材料的研究重点及影响材料抗饱和性的主要因素是材料制备方法、添加剂种类及含量、生产设备和制备工艺[10]。

3.1 材料制备方法

利用非晶晶化的方法可以制备纳米晶带材、丝材和粉末，其中非晶带材的研究和应用最为广泛，制备方法也最为成熟，工艺流程如图5所示。根据冷却基体的形式，制备方法可大致分为单辊法和双辊法。单辊法是合金熔体在气压或重力作用下，采用一个高速旋转的金属辊表面，将合金熔体进行抽取、拉成液膜，连续形成薄带；双辊法是将熔融合金喷射到2个相对高速旋转的轧辊接触面上，在快速固化过程中将其轧制成薄带。

在非晶纳米晶材料优化上，大连理工大学张春旋经过反复试验，确定当加热功率为30～40 kW、喷嘴与滚面间距约为2 mm时可成功制备出20～50 mm宽的非晶带材[11]。Yang X F等通过添加特定元素来提高材料电阻率，降低涡流损耗[12]。Li L Y等通过采用具有耐高温、化学惰性、热膨胀系数极小、电绝缘性能极佳、易于修饰改性的SiO2无机绝缘包覆剂，进行烧结包覆工艺研究[13-14]。孙怀涛等在高纯氩气气氛保护下，通过机械合金化技术制备出了纳米晶NdFeB各向同性磁粉，获得的合金粉平均晶粒度达到约8 nm[15]。

3.2 添加剂种类及含量

纳米晶材料性能不仅受制备方法的影响，添加剂种类及含量的不同对其性能也有至关重要的作用。Saad A等[16]研究了成分为Fe71.5B9Nb3Cu1Si7.5+yAlxGe8-x-y(0

4 结语

通过上述研究分析可知，相对于传统的铁基合金和坡莫合金，纳米晶合金材料磁性能优异，生产工艺简单，成本低廉，随着科技的不断进步、新产品的出现以及高新技术的快速发展，纳米晶合金材料正在逐步替代硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料。同时，市场对纳米晶合金材料的性能也提出了更高的要求和标准，如应用在中高频段时在向宽温低损耗发展的同时要求材料具有高的Bs和μi；应用在高频段时要求材料向高频化、低损耗方向发展。从材料制备工艺来看，不同制备方法对材料性能有着不同影响，制造工艺还需进一步完善、优化；从添加剂种类及含量来看，不同添加剂会对材料性能带来显著影响，今后制备方法和添加剂的研究与完善将是提高其软磁性能的发展方向。