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非晶軟磁材料的性能探索與應(yīng)用前景
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非晶軟磁材料的性能探索與應(yīng)用前景

2025-02-26 14:55:58 來(lái)源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:陳澤香 點(diǎn)擊:1435

在現(xiàn)代電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的進(jìn)程中,高性能軟磁材料的需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。在軟磁材料這個(gè)大舞臺(tái)上,非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料是相當(dāng)耀眼的 “潛力股”,憑借著獨(dú)特的性能,在眾多前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。

本文聚焦于鐵硅硼碳成分系列的非晶軟磁材料,展開(kāi)全面而深入的探討,涵蓋其性能特點(diǎn)、粒度分布的影響機(jī)制以及納米晶化技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn),旨在為非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料相關(guān)領(lǐng)域的研究與實(shí)際應(yīng)用提供具有重要價(jià)值的參考依據(jù)。

天智合金

天智合金總工程師趙放

(一)FeSiBc(鐵硅硼碳)非晶軟磁材料性能大揭秘

本研究選取了具有代表性的 200 目、500 目和 1000 目的鐵硅硼碳非晶軟磁材料作為研究對(duì)象,進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析。

目數(shù)是衡量粉末粒度大小的常用指標(biāo),目數(shù)越大,粉末粒度越細(xì)。隨著粉末粒度從 200 目減小到 1000 目,通過(guò)激光粒度分析可以發(fā)現(xiàn),其 D10、D50、D90 等參數(shù)逐漸變細(xì)。

其中,D10 表示在樣品的累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到 10% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑,D50 是累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到 50% 時(shí)的粒徑,又稱(chēng)中位徑,D90 則是累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到 90% 時(shí)的粒徑。這些參數(shù)能夠直觀地反映出粉末粒度的分布情況。

與此同時(shí),非晶軟磁材料的松裝密度(指非晶軟磁材料粉末在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量)和振實(shí)密度(非晶軟磁材料粉末在經(jīng)過(guò)一定方式振實(shí)后的單位體積質(zhì)量)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)非晶軟磁材料粉末粒度減小,其表面積會(huì)顯著增大,粉末顆粒之間的摩擦力隨之增加,這就導(dǎo)致了粉末在堆積時(shí)更加松散,從而使松裝密度和振實(shí)密度降低,同時(shí)粉末的流動(dòng)性也會(huì)變差,在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)影響非晶軟磁材料的加工性能。

非晶

非晶軟磁材料粉末的微觀形貌

從形貌特征來(lái)看,不同粒度的非晶軟磁材料粉末在霧化過(guò)程中均能形成球形。通過(guò)儀器測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)量,結(jié)果顯示,不同粒度的非晶軟磁材料粉末在 XRD圖上均呈現(xiàn)出相似的典型非晶 “饅頭峰” 結(jié)構(gòu),這表明非晶軟磁材料內(nèi)部原子排列無(wú)序、沒(méi)有規(guī)則。

非晶

然而,在 200 目粉末的 XRD 圖譜中,在 2θ≈45° 附近出現(xiàn)了微弱的晶化峰,這意味著該非晶軟磁材料粉末中存在少量的晶體結(jié)構(gòu),但總體上仍屬于非晶程度較高的狀態(tài)。

熱差分析是研究材料熱穩(wěn)定性的重要手段。研究發(fā)現(xiàn),非晶軟磁材料粉末的熱穩(wěn)定性受粒度影響較小,其主要由非晶軟磁材料的成分決定。在鐵硅硼碳系列非晶軟磁材料粉末中,其熱穩(wěn)定性表現(xiàn)較強(qiáng)。

要看熱穩(wěn)定性就看晶體開(kāi)始轉(zhuǎn)化的溫度與結(jié)束溫度之間的區(qū)間大小。這個(gè)區(qū)間越大,說(shuō)明非晶軟磁材料在受熱過(guò)程中,非晶結(jié)構(gòu)能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度范圍越寬,即熱穩(wěn)定性越好。

像本研究中的鐵硅硼碳系列非晶軟磁材料粉末,其晶體轉(zhuǎn)化溫度跨度基本達(dá)到了 191 - 195℃,這充分證明了該系列非晶軟磁材料粉末具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性。要是區(qū)間窄,非晶軟磁材料的非晶結(jié)構(gòu)就容易 “叛變”,一受熱就不穩(wěn)定,磁性能也會(huì)跟著下降。所以在設(shè)計(jì)非晶軟磁材料的時(shí)候,熱差分析圖就是重要參考,合理調(diào)整鐵、硅、硼這些元素的組合,就能讓非晶軟磁材料達(dá)到熱平衡穩(wěn)定態(tài)。

非晶

三粒度粉體磁性能研究

說(shuō)到非晶軟磁材料磁性能,隨著粒度的變化,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs 基本保持不變。這一現(xiàn)象表明,Bs 主要取決于粉末的成分,而非粒度因素,這一規(guī)律在其他磁性材料,如鐵硅、鐵硅鋁等體系中也同樣適用。

但矯頑力就不一樣了,隨著非晶軟磁材料粉末變細(xì),矯頑力會(huì)略有下降。這是因?yàn)榧?xì)粒度的粉末在磁化過(guò)程中,內(nèi)部的磁疇更容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和取向變化,從而降低了矯頑力。

將不同粒度的非晶軟磁材料粉末制成磁粉芯后,又有新發(fā)現(xiàn)。粉末越細(xì),壓制時(shí)顆粒之間的摩擦力越大,壓力損失增加,磁粉芯的密度降低。而磁導(dǎo)率與粉末粒度之間存在著密切的關(guān)系,粉末越粗,磁粉芯的磁導(dǎo)率越高;粉末越細(xì),磁導(dǎo)率越低。這是因?yàn)榇至6确勰┬纬傻拇欧坌緝?nèi)部,磁疇的排列更加有序,有利于磁場(chǎng)的傳導(dǎo),從而提高了磁導(dǎo)率。

非晶

三粒度粉體直流偏置測(cè)試

在直流偏置特性方面,非晶軟磁材料和納米晶軟磁材料與其他軟磁粉末遵循相同的規(guī)律,即粉末粒度越細(xì),其直流偏置特性(衰減性)越好,或者說(shuō)磁飽和性越好。這意味著細(xì)粉在承受直流磁場(chǎng)作用時(shí),能夠更好地保持其磁性性能,不易發(fā)生磁飽和現(xiàn)象。

此外,非晶軟磁材料粉末變細(xì),材料的損耗也會(huì)降低,這對(duì)于提高非晶軟磁材料的能量利用效率具有重要意義。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn)粒度越細(xì),粉體氧含量越高。這是因?yàn)榧?xì)粒度的粉末具有更大的比表面積,更容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致氧含量增加,而氧含量的變化可能會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生一定的影響。

(二)粒度分布:影響非晶軟磁材料粉體性能的“幕后推手”

研究人員通過(guò)激光粒度分析技術(shù),對(duì)不同粒度分布(包括寬分布、窄分布、雙峰分布、單峰分布等)的非晶軟磁材料粉體進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

結(jié)果表明,非晶軟磁材料粉體在壓制后的密度變化幅度相對(duì)較小,但通過(guò)合理調(diào)配粒度分布,磁粉芯的密度會(huì)發(fā)生明顯改變。這是因?yàn)椴煌6鹊姆勰┰诨旌蠒r(shí),通過(guò)優(yōu)化顆粒級(jí)配,可以使大球形顆粒周?chē)o密地布滿(mǎn)小顆粒,從而提高了粉末的填充密度。

在磁性能方面,研究發(fā)現(xiàn)壓制密度與磁導(dǎo)率之間存在正相關(guān)關(guān)系,即壓制密度越好,磁導(dǎo)率越大。這充分證明了粒度分布是調(diào)配磁導(dǎo)率的一個(gè)極為重要的可變且可控因素。通過(guò)調(diào)整不同粒度粉末的比例,可以有效地優(yōu)化磁粉芯的磁導(dǎo)率性能。

在研究衰減性和損耗時(shí)發(fā)現(xiàn),非晶軟磁材料粉末粒度越細(xì),衰減性越好,損耗越低。然而,需要注意的是,雖然一般情況下細(xì)粒度粉末的磁導(dǎo)率較低,但對(duì)于非晶軟磁材料而言,細(xì)粒度并不一定意味著低磁導(dǎo)率。在某些特定的粒度分布和材料體系下,細(xì)粒度的非晶粉末仍能保持較高的磁導(dǎo)率。

綜合各項(xiàng)研究結(jié)果得出,當(dāng) 500 目粉體含量為 60wt%、1000 目粉體含量為 40wt% 時(shí),配粉可獲得最佳綜合性能;在相同的粒度配比下,1000 目粉體對(duì) 200 目粉末的填充效果更好,在粒度分布圖中,1000 目粉末與 200 目粉體搭配形成的 “雙峰” 更加明顯,這種粒徑差異較大的兩粉體在合適的配比下能夠獲得更優(yōu)異的性能 。

通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析和主效應(yīng)分析,確定了最佳配比,此時(shí)磁粉芯的各項(xiàng)性能達(dá)到較好水平,密度最高可達(dá) 5.40g/cm³,在 10A 外加電流下的電感衰減率為 7.12%,在 100kHz 條件下測(cè)得的有效磁導(dǎo)率為 24.84;在 100mT,100kHz 和 1MHz 兩條件下總損耗分別為 837mW/cm³ 和 19432mW/cm³。這些數(shù)據(jù)為實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)化材料性能提供了重要的參考依據(jù)。

三、FeSiBCuNb(鐵硅銅硼鈮)納米晶化:神奇的轉(zhuǎn)變之旅

非晶軟磁材料向納米晶轉(zhuǎn)化的核心環(huán)節(jié)是熱處理過(guò)程。在對(duì)非晶進(jìn)行不同溫度的熱處理后,研究人員對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了詳細(xì)考察。未經(jīng)過(guò)熱處理的非晶呈現(xiàn)出完全的非晶態(tài),在 XRD 圖譜上表現(xiàn)為典型的 “饅頭峰”。

隨著熱處理溫度的逐步升高,圖譜上開(kāi)始出現(xiàn)衍射峰,并且衍射峰的高度隨著溫度升高而不斷增加。這一現(xiàn)象表明,隨著溫度的上升,晶化效果愈發(fā)顯著,材料內(nèi)部的 α-Fe 逐漸析出,并且其析出量不斷增多。α-Fe 是鐵的一種晶體結(jié)構(gòu),在納米晶化過(guò)程中,α-Fe 的析出對(duì)材料的磁性性能有著重要影響。

在 400 - 600℃的溫度范圍內(nèi),研究人員對(duì)納米晶晶粒尺寸進(jìn)行了精確分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在合適的溫度條件下,納米晶的晶粒尺寸在 10 - 15 納米之間。從理論分析的角度來(lái)看,這一尺寸范圍的納米晶化能夠使材料獲得較為理想的性能。這是因?yàn)榧{米級(jí)的晶粒尺寸可以有效地減小磁疇尺寸,降低磁滯損耗和渦流損耗,從而提高材料的軟磁性能。

熱差分析曲線(xiàn)是研究納米晶化過(guò)程的重要工具。隨著熱處理溫度從低到高逐漸增加,從熱差分析曲線(xiàn)上可以觀察到,晶化溫度峰值的吸熱峰逐漸變得平緩,當(dāng)溫度達(dá)到 560℃后,吸熱峰基本消失。

非晶

a. 非晶粉體和晶化處理后合金粉體的熱差分析曲線(xiàn)

在鐵硅銅硼鈮成分體系中,第一個(gè)晶化峰代表著 α-Fe 的析出。這意味著當(dāng)溫度達(dá)到 560℃時(shí),α-Fe 的析出過(guò)程基本完成。如果在該成分體系中出現(xiàn)第二個(gè)晶化峰,通常是由于鐵硼金屬間化合物晶粒的析出導(dǎo)致的。而這種鐵硼金屬間化合物晶粒的析出會(huì)使材料的整體磁性性能發(fā)生強(qiáng)烈惡化,因此在實(shí)際的納米晶化過(guò)程中,需要嚴(yán)格控制溫度,避免第二個(gè)晶化峰的出現(xiàn)。

非晶

b. 非晶粉體和晶化處理后合金粉體的剩余晶化焓

通過(guò)對(duì)非晶態(tài)粉體在晶化處理后的剩余晶化焓進(jìn)行分析,可以進(jìn)一步了解納米晶化的過(guò)程。剩余晶化焓反映了材料在晶化過(guò)程中能量的變化情況。紅色 S1 代表第一個(gè)晶化峰在不同溫度下的剩余晶化焓。研究發(fā)現(xiàn),從 400 多度到 560℃之間,S1 的值急劇下降。這表明在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),α-Fe 首先在鐵硅硼銅鈮材料中的銅團(tuán)簇位置形成晶核,隨著溫度的升高,晶核逐漸長(zhǎng)大,這個(gè)過(guò)程伴隨著能量的釋放,使得剩余晶化焓明顯下降。

當(dāng)溫度達(dá)到 560℃時(shí),剩余晶化焓幾乎等于零,這說(shuō)明此時(shí)納米晶化過(guò)程已經(jīng)基本完成。而第二個(gè)晶化峰的剩余晶化焓(S2)在該溫度范圍內(nèi)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化,這進(jìn)一步證實(shí)了在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi),鐵硼晶粒并未析出。

通過(guò)對(duì)比a、b兩個(gè)圖表,可以確定較為合理的晶化溫度區(qū)間。在該溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熱處理,能夠獲得性能較好的納米晶材料。

研究人員還考察了不同晶化溫度下材料的磁滯回線(xiàn)。磁滯回線(xiàn)是描述磁性材料磁化和退磁過(guò)程的重要曲線(xiàn),通過(guò)分析磁滯回線(xiàn)可以獲取材料的多種磁性能參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),納米晶化后的磁滯回線(xiàn)仍保持典型的軟磁粉末特征。

非晶

隨納米晶化溫度變化的矯頑力

在矯頑力方面,隨著納米晶化的完全,矯頑力發(fā)生下降。矯頑力下降意味著材料在磁化和退磁過(guò)程中的能量損耗降低,效率提高。由此可以得出結(jié)論,與非晶相比,納米晶化后的材料在矯頑力和損耗方面都有明顯的改善,即矯頑力下降、損耗降低。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),Bs 與 Fe 含量成正比,在納米晶體成分中,鐵的含量越高,Bs 值就越高;Bs 還與晶化體積分?jǐn)?shù)成正比,即在材料中,納米晶的體積分?jǐn)?shù)越大,Bs 值越高。因此,在制造納米晶材料時(shí),一個(gè)關(guān)鍵的要點(diǎn)就是要盡可能提高塊體材料中納米晶的體積分?jǐn)?shù),以獲得更高的 Bs 值和更優(yōu)異的磁性能。

在不同的納米晶化溫度下,隨著納米晶化的逐漸完全,磁導(dǎo)率逐步提高,損耗逐漸降低。從理論上來(lái)說(shuō),納米晶化會(huì)導(dǎo)致矯頑力減小,從而降低磁滯損耗。同時(shí),由于納米晶化過(guò)程中析出的晶粒為納米級(jí),使得材料內(nèi)部的磁疇得到細(xì)化,磁疇壁的移動(dòng)更加容易,從而降低了渦流損耗。這從理論上解釋了納米晶化對(duì)材料磁性能改善的內(nèi)在機(jī)制。

綜合以上研究結(jié)果可以得出,晶化熱處理后的粉體晶粒尺寸 D 隨熱處理溫度的升高逐漸增大,當(dāng)溫度達(dá)到 560℃時(shí),基本穩(wěn)定在 15nm 左右;在 490 - 560℃溫度范圍內(nèi),隨著溫度的逐漸升高,α-Fe 的析出逐漸完全,且不會(huì)導(dǎo)致惡化軟磁性能的硬磁相析出;在該過(guò)程中,粉體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bs 逐漸升高,矯頑力 Hc 逐漸下降;磁粉芯的磁導(dǎo)率逐漸增大,在 100mT,100kHz/1MHz 下測(cè)得的損耗均降低 。在實(shí)際生產(chǎn)中,以 10℃/min 的加熱速率將粉體加熱到 560℃并保溫 1h,可獲得綜合軟磁性能較為優(yōu)異的納米晶結(jié)構(gòu),此時(shí) Bs = 159.9emu/g,Hc = 48.6A/m,在 100kHz 下 μe = 3。

四、未來(lái)展望:非晶納米晶軟磁材料的無(wú)限可能

通過(guò)對(duì)鐵硅硼碳非晶軟磁材料粉體的深入研究,我們搞清楚了粒度及粒度分布對(duì)其性能的復(fù)雜影響機(jī)制,掌握了納米晶化過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)與性能變化規(guī)律。

這些研究成果為非晶軟磁材料和納米晶材料的進(jìn)一步優(yōu)化和工業(yè)化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。對(duì)于粉材制造商而言,基于這些研究精確把控生產(chǎn)工藝,能夠?yàn)榭蛻?hù)提供性能穩(wěn)定的非晶軟磁材料及納米晶材料,滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)高性能軟磁材料的需求。

在未來(lái),隨著電子技術(shù)持續(xù)向高頻化、小型化、高功率化發(fā)展,非晶軟磁材料和納米晶材料有望在無(wú)線(xiàn)充電、電力電子、新能源汽車(chē)等眾多領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。持續(xù)深入的基礎(chǔ)研究將不斷挖掘材料的潛在性能,推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新發(fā)展。我們期待在材料研發(fā)、制備工藝改進(jìn)等方面取得更多突破,讓非晶納米晶材料為現(xiàn)代科技進(jìn)步發(fā)揮更大的價(jià)值!

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章,未經(jīng)允許和授權(quán),不得轉(zhuǎn)載,否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任;

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