纳米晶软磁合金磁损耗的研究

天津理工大学本科毕业论文

纳米晶Fe-Co-Cu-Nb-Si-B软磁合金磁损耗的研究

学生姓名： 赵承鹏 学 号： 20072130

所学专业： 集成电路设计及集成系统

班 级： 07级1班 指导老师： 丁燕红

2011年6月

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摘 要

与传统的金属软磁材料相比，纳米晶软磁合金由纳米尺度的晶粒以及大量非晶界面组成，晶粒间的铁磁交换耦合作用使其内部的局域磁各向异性显著降低,因而具有优异的软磁性能,有望获得高磁导率。

交变磁场作用下，磁性材料一方面被磁化，另一方面会产生能量损耗，导致铁芯发热。所谓磁损耗是指磁性材料在交变磁场作用下产生的各种能量损耗的统称。磁性材料在交变磁场中，磁感应强度B在时间上滞后于交变磁场HAC的变化，使B和HAC之间存在一个相位差?。通过测量合金交变磁场下的磁导率，来计算磁滞损耗系数a，涡流损耗系数和剩余损耗系数c，对于研究软磁合金的交流磁性有重要意义。

关键词：Fe-Co-Cu-Nb-Si-B合金、纳米晶、软磁材料、初始磁导率、磁损耗。

ABSTRACT

Compared to soft magnetic materials of conventional metallic, nanocrystallinesoft magnetic alloy grains by the nano-scale and a large of amorphous interface, the ferrom-agnetic exchange of grains coupling between the local magnetic anisotropy within itssignificantly lower. And thus excellent soft magnetic properties is expected to behigh permeability.

In the Alternating magnetic field, the magnetic material is magnetized on the one hand, on the other hand the lossing energy will lead to core heat. The so-called Magnetic loss is the general designation of the magnetic materials in alternating magnetic field that produced by a variety of energy loss collectively. In alternating magnetic field, B(magnetic induction) is lagged to the change of HAC(the alternating magnetic field)on the time, There is a phase difference between the B and HAC . By measuring the magnetic permeability in the alloy alternating magnetic field, to calculate the

coefficient of hysteresis loss, eddy current loss coefficient and residual loss coefficient is very important for researching the exchange magnetic of the soft magnetic alloy.

Key Words: The alloy of Fe-Co-Cu-Nb-Si-B , Nanocrystal , Soft Magnetic Material ,

Initial permeability , Magnetic loss .

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目 录

第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1

引言 ................................................................................................................................................... 1 1.1纳米晶软磁材料应用 ................................................................................................................. 2 1.2 纳米晶软磁合金的制备 ............................................................................................................ 3 1.3 Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶合金的形成机理 ................................................................................... 4 1.4 纳米晶软磁材料的化学成分、元素作用及性能 .................................................................. 6

1.4.1 化学成分 ......................................................................................................................... 6 1.4.2 元素作用 ......................................................................................................................... 6 1.4.3 纳米晶软磁合金的磁特性 ............................................................................................. 7 1.5 纳米晶软磁材料的研究现状 .................................................................................................... 7 1.6 本文的主要研究内容 ................................................................................................................ 8

1.6.1 本课题的研究内容 ......................................................................................................... 8 1.6.2 课题的意义 ..................................................................................................................... 8

第二章 实验方法 ............................................................................................................... 9

2.1 样品的制备 ................................................................................................................................ 9

2.1.1 非晶晶化法制备纳米晶合金 ......................................................................................... 9 2.1.2 甩带与制环 ..................................................................................................................... 9 2.1.3 纳米晶合金样品的制备 ............................................................................................... 10 2.2 测量装置与测量方法 .............................................................................................................. 10

2.2.1 HP4194A阻抗分析仪 ................................................................................................... 10 2.2.2 实验技术 ....................................................................................................................... 14

第三章 Fe-Co-Cu-Nb-Si-B磁损耗的研究 .................................................................... 15

3.1 合金软磁材料的损耗分类 ...................................................................................................... 15

3.1.1 涡流损耗 ....................................................................................................................... 15 3.1.2 磁滞损耗 ....................................................................................................................... 15 3.1.3 剩余损耗 ....................................................................................................................... 15 3.2 约旦分离法确定纳米晶合金的损耗系数 .............................................................................. 15

3.2.1 (Fe0.5Co0.5)73.5Cu1Nb3Si13.5B9材料的损耗系数............................................................. 16 3.2.2 (Fe0.5Co0.5)76.9Cu0.6Nb2.5Si11B9材料的损耗系数 ........................................................... 20

第四章 结 论 ............................................................................................................. 25 参考文献资料 ................................................................................................................... 26

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第一章 绪论

引言

一直以来，材料都是人类社会发展的物质先导和基础，新材料的发明和运用则是人类社会进步的里程碑。纵观历史，新材料的发明使人类支配自然的能力有所进步，而每一种新材料的成功应用都使这种能力提高到到一个全新的水平。磁性材料是现代发展各个领域不可或缺的功能性材料，它不仅能够满足传统工业的发展要求，而且在电子信息、科技等领域中也起着越来越重要的作用，地位也越来越高。软磁材料则是其中应用最为广泛、种类最多的材料之一。软磁材料的性能常因为应用的不同而不一样，通常希望材料的磁导率?要高、矫顽力HC和损耗PC要低[1～3]。软磁材料主要有以金属软磁材料[4~12]（以硅钢片、坡莫(permalloy)合金、森德斯特(sendust)合金等为代表，包括Fe系、Fe-Si系、Fe-Al系、Fe-Ni系、Fe-Si-Al系、Fe-Co系、Fe-Cr系等）与铁氧体软磁材料（如Mn-Zn系、Ni-Zn系、Mg-Zn系等）为代表的晶体材料，非晶态软磁合金[4,13~16]（主要分为Fe基和Co基两种）以及近年来发展起来的纳米晶软磁材料、纳米颗粒状组织软磁合金、纳米结构软磁薄膜以及纳米线等[17].。金属软磁材料的饱和磁感应强度BS远远高于铁氧体材料。

非晶、纳米晶材料的BS虽与金属软磁材料相差不大，但是，它的矫顽力HC要小的多[18]。相比于晶态材料，非晶态材料通常都具有高电阻率、高强度和高耐腐蚀性的特性，Fe基非晶态合金通常具有很高的BS，FeNi基非晶态合金通常具有较高的?值，而Co基非晶态合金通常具有较低的饱和磁致伸缩系数?S。纳米晶合金的综合性能最好，且不存在非晶态合金老化的问题，因此很快得到了非常广泛的应用。非晶、纳米晶材料不同于传统材料，其突出的特点是我们能够对其原子级的组织结构进行了人工的控制，从而获得所想要的软磁性能。

根据传统的磁学理论[5,7,17~19]，对软磁材料除了要求磁晶各向异性常数K和饱和磁致伸缩系数?S必须尽可能的小以外，因为材料的娇顽力HC与品粒尺寸D成反比，即HC∝D?1，因此所追求的晶体材料的微结构是结晶均匀，并且晶粒尺寸应尽可能的大。1988年由日本日立金属实验室的吉泽克仁(Yoshizawa)及其同事发明的铁基纳米晶软磁材料[20]，即FINEMET问世以后，其特殊的微结构、优异的综合磁性能引起了国内外学者的关注。进一步的研究发现，依据各向异性理论，当晶粒尺寸D减少到一定量级后，H和D的六次方成正比，即HC∝D6，软磁材料的研究也进入了一个新的领域[21~28]。

这种优越性能归因于其各向异性常数K及磁致伸缩系数?S同时趋近于零。作为电子器件使用的Fe73.SCulNb3Si13.5B9纳米软磁材料，通常是在弱场条件下使用，并且有些器件是在环境温度变化的条件下使用，这就要求了解合金的初始磁导率?i随温度的变化。对此王治、何开元等人

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已经做了详尽的研究[29]，发现经过退火后?i从室温到200℃范围内变化平缓，高于200℃时出现明显下降。我们认为，如果能够找到一种在300℃或更高温度下保持高饱和磁感应强度BS、高初始磁导率?i，及低矫顽力HC等优异的软磁性能，则有可能发展高温条件下使用的软磁材料。它具有很高的实用价值，例如应用到航空航天领域可以不需要冷却装置，从而减轻了机体的重量，因此发展高温软磁材料具有一定意义。前些年，美国学者M.A.willard等[30,31]在Fe-Zr-B-Cu纳米晶合金基础上通过添加不同含量的Co获得了Fe-Co-Zr-B-Cu纳米晶合金，经过研究发现这种材料的饱和磁化强度随温度的变化明显比Fe-Zr-B-Cu纳米晶合金缓慢，但并没有对这些材料的饱和磁感应强度BS、初始磁导率?i随温度的变化做详细报道。

而Fe-Cu-M-51-B系纳米晶合金，由于较强的交换藕合作用，室温下具有优异的软磁性能，但这种合金截止频率低，且其初始磁导率?i只能在473K以下变化平缓，高温条件下软磁性能不稳定。具有高居里点的Co(TC=1388K)能同时提高合金的饱和磁感应强度BS和剩余非晶相居里温度TCA，并能大大改善FINEMET的高频使用性能。因此我们尝试在Fe-Cu-Nb-Si-B系纳米晶合金中加入适量的Co，形成成分为(Fe0.5Co0.5)73.5Cu1Nb3Si13.5B9以及(Fe0.5Co0.5)76.9Cu0.6Nb2.5Si11B9材料的损耗系数场合金，研究分析该类合金的软磁性能及损耗情况。

1.1纳米晶软磁材料应用

纳米晶软磁合金是新近开发出来的新型软磁材料[32~34]，其典型成分为Fe73.SCulNb3Si13.5B9，除了具有初始磁导率高，饱和磁化强度高，低损耗以及低矫顽力等优点外，还具有生产成本低、生产工艺简单、温度稳定性好等优点。

由于高技术的发展，纳米晶软磁合金愈来愈广泛应用于小型轻量、多功能、高位定性、高频化的电子器件中[35,36]。纳米晶合金既有高磁导率，又有高磁感，而且电阻率高损耗也低，因此纳米晶合金很快便被应用于高级电磁器件中。在国内铁基纳米晶合金材料的开发应用领域有以下几个方面：

(1)密电流互感器 (2)大功率开关电源变压器 (3)开关电源

(4)电抗器、滤波器及抗电磁干扰器件

(5)铁基纳米晶合金在高灵敏度场合下的应用。

总之，由于纳米晶软磁合金的综合优异性能，改变了包括非晶软磁合金在内的传统软磁材料的磁导率、高频损耗和饱和磁感应强度的矛盾以及磁性与成本的矛盾，具有广阔的市场前景。

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