合金材料 | 新一代磁性材料纳米晶

 

     

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什么是合金材料？

合金材料是指由两种或两种以上的金属或非金属元素组成的材料。合金材料具有优异的力学性能、化学性能和物理性能，广泛应用于各种工业领域。

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合金材料的分类

根据合金成分不同，合金材料可以分为以下几类：

1. 合金钢：以铁为基本元素，通过加入适量的其他元素来提高其性能，如碳钢、不锈钢等。

2. 有色金属合金：以铜、铝、镁、锌、铅等为基本元素，通过加入适量的其他元素来改善其性能，如黄铜、青铜、铝合金等。3. 稀有金属合金：以钨、钼、铌、钛等为基本元素，通过加入适量的其他元素来提高其性能，如钨钼合金、钛铌合金等。4. 磁性合金：以铁、钴、镍、铝等为基本元素，通过加入适量的其他元素来调节其磁性性能，如永磁材料等。5. 特种合金：以钢、铜、铝、镁等为基本元素，通过加入适量的其他元素来满足特定的使用要求，如高温合金、耐蚀合金等。

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合金材料的特点

合金材料具有以下几个特点：

1. 高强度：合金材料中加入的其他元素可以增强基本元素的力学性能，从而提高合金材料的强度。

2. 耐磨性好：合金材料中加入的其他元素可以提高材料的硬度和耐磨性能。

3. 耐腐蚀性好：合金材料中加入的其他元素可以提高材料的耐腐蚀性能，延长材料的使用寿命。

4. 良好的导电性和导热性：合金材料中加入的其他元素可以改善材料的导电性和导热性能，使其具有更广泛的应用领域。

5. 易于加工：合金材料中加入的其他元素可以改善材料的加工性能，使其易于加工和成型。

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磁性材料纳米晶

        磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产 生磁性的物质。实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化， 只是磁化的程度不同。根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可分为五 类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，亚铁磁性物质，反铁磁性物 质。

顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，铁磁性物质、亚铁磁性物质称 为强磁性物质。通常所说的磁性材料一般是指强磁性物质。磁性材料按使 用可以分为：

永磁材料：又叫硬磁材料，是指难以磁化并且一旦磁化之后又难以退 磁的材料，其主要特点是具有高矫顽力，包括稀土永磁材料、金属永 磁材料及永磁铁氧体。

软磁材料：可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度，是具有低矫顽 力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁。例如：软磁铁氧体、非晶纳米晶合金。

功能磁性材料：主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁 泡材料、磁光材料以及磁性薄膜材料等。

永磁材料的主要磁性能指标：剩磁感应强度（Br）、矫顽力（Hcb）、内禀 矫顽力 （Hcj）、最大磁能积（BH）max。除磁性能外，永磁材料的物理 性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏 硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。

剩磁感应强度（Br）：永磁材料在外磁场中充磁到饱和后，当外磁场为 零时，永磁材料所具有的磁感应强度值。此项指标数据直接关系着电 机中气隙磁密的高低。磁感应强度值越高，电机的气隙磁密将可能较 高，转矩常数、反电势系数等电机的主要指标将达到最佳值，电机的 电负荷和磁负荷的取值关系才可能最合理，效率才能达到最佳。矫顽力（Hcb）：永磁材料在饱和磁化的情况下，当剩磁感应强度 Br 降到零时所需要的反向磁场强度。此项指标与电机的抗退磁能力即过 载倍数和气隙磁密等指标相关。Hc 值越大，电机的抗退磁能力越强， 过载倍数越大，对强退磁动态工作环境的适应能力越强。同时电机的 气隙磁密也会有所提高。

磁性材料：磁性材料根据功能通常可划分为：永磁（硬磁）材料、软磁材料、功能性磁材。

 

 

磁性材料的性能指标：稳定性、抗退磁性、抗温性

 

 

稳定性：主要参数是剩余磁化强度、最大磁能积，其值越高表示磁场强度越高，磁体越能保持磁性；

 

 

抗退磁性：主要参数为内禀矫顽力，其值越大代表磁体的抗退磁能力越强

 

 

抗温性：主要参数为工作温度和居里温度，其值越高表示在高温下磁材的性能更稳定。

 

 

指标	主要参数	含义	与磁材性能关系
稳定性	剩余磁化强度（Br）	简称剩磁，指磁铁在闭路环境下被外磁场充磁到技术饱和后撤消外磁场时，磁铁所表现的磁感应强度。	Br和（BH）max越大，磁场强度越强，磁材稳定性越强。
	最大磁能积（BH）max	代表了磁铁两磁极空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，是Br与Hcj乘积的最大值。
抗退磁性	矫顽力（Hc）	磁体在反向充磁时，使磁感应强度降为零所需反向磁场强度的值。	Hc和Hcj值越高，表明磁场强度越不易受外磁场干扰
	内禀矫顽力（Hcj）	使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度，磁材牌号的分类就是按照其内禀矫顽力的大小划分。
抗温性	居里温度（Tc）	磁材在铁磁体和顺磁体之间改变的临界温度。低于Tc时成为铁磁体，磁体的磁场很难改变。高于Tc时成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。	Tw越大，磁材抗高温的能力越强。
	工作温度（Tw）	磁材在实际情况下保持磁性的最高温度。居里温度越高，磁材的工作温度也相对越高。

 

软磁材料：软磁材料因具有磁电转换的功能，广泛应用于变压器、电感电容、逆变器等领域，下游包含电力电网、新能源车、新能源发电、消费电子、5G通讯、家电等诸多行业。

常见的用于工业领域的电能转换

 

 

 

 

 

软磁材料的分类：

1、软磁材料按材料成分分类：

金属软磁：最早使用，包括硅钢、坡莫合金等。

铁氧体软磁：为以氧化铁为主要成分的磁性氧化物，包括锰锌系，镍锌系铁氧体等。

非晶软磁：主要包含铁基、铁镍基、钴基非晶材料、纳米非晶材料等。

 

 

非晶合金生产工艺

 

 

 

 

纳米晶软磁：纳米晶合金有时会被认为是非晶合金的一类，两者的区分并不严格，但两者实际有较大的区别。纳米晶是在非晶态合金制备工艺之后，再经过高度控制的退火环节，形成的具有纳米级微晶体和非晶混合组织结构的材料。

非晶与晶体结构微观对比

 

 

 

 

纳米晶软磁相较前述三者具备更加优异的综合性能：相较于非晶合金，可具有更高的饱和磁感应强度和初始磁导率，同时也更加适应小型化、集成化的发展趋势，相较于铁基非晶，损耗通常还可继续降低，为高频电力电子应用的理想材料。

 

 

2、软磁材料按照产品形态分类

 

 

软磁材料可分为合金类、粉芯类、铁氧体类。

 

四、软磁材料的对比

 

 

软磁材料性能

 

 

 

 

铁氧体、纳米非晶等主要用于高频电子电力元器件，包括各类电容、电感等，可应用于通信、家电、新能源车、无线充电等领域，纳米晶合金在部分领域与铁氧体形成直接竞争。

不同类型非晶合金性能及下游应用

 

 

纳米晶合金较非晶合金整体具有更高的磁导率和更低的损耗，传输效率更高，体积更小，主要应用于中、高频环境的电子磁性元器件，下游包括消费电子、新能源汽车、变频家电、粒子加速器等领域。

随着国家对“碳达峰”、“碳中和”整体规划和目标的确定，以非晶合 金等材料制造的高效节能变压器迎来战略性的发展机遇和更宽广的市 场空间。

纳米晶合金是将含铁、硅、硼、铌、铜等元素的合金熔液，通过急速、高 精度冷却技术，在非晶基础上形成弥散、均匀纳米岛屿结构的材料，具有 较高的饱和磁密、高初始磁导率和较低的高频损耗等特性，广泛应用于中、 高频领域的能量传输与滤波。

纳米晶超薄带产品是制造电感、电子变压器、互感器、传感器、无线充电 模块等磁性器件的优良材料，主要应用于消费电子、新能源发电、新能源 汽车、家电、粒子加速器等领域，满足电力电子技术向大电流、高频化、 小型轻量、节能等发展趋势的要求，目前已在智能手机无线充电模块、新 能源汽车电机等产品端实现规模化应用。

 

纳米晶合金将加速替代铁氧体软磁。与铁氧体软磁材料、非晶软磁材料等 材料相比，纳米晶超薄带因其高饱和磁度、低矫顽力、高初始磁导率等材 料特性可以缩小磁性器件体积、降低磁性器件损耗，属于新型磁性材料， 综合磁性性能更为优异。随着技术进步对磁性材料的要求提高以及消费电 子、新能源汽车等新兴市场领域需求的上升，纳米晶超薄带对传统铁氧体 材料有望逐步形成替代。

目前，亚太地区在全球磁性材料行业中处于中心地位，以 TDK、日立 金属、日本户田（Toda）等为代表的日本企业处于行业技术领先地位， 中国作为磁性材料的重要生产基地，近年来磁性材料行业迅速发展， 整体实力不断增强。根据中国电子材料行业协会磁性材料分会，国内从事非晶纳米晶软磁 合金材料生产的企业约 250 多家，万吨级企业约 10 家。

 

纳米晶带材的核心指标包括带材宽度、厚度：带材宽度决定材料的利用率和加工效率，带材厚度直接影响材料的磁导率，在其他条件相同的情况下，厚度越薄，其材料在高频条件下磁导率越高、损耗越低。

 

非晶合金作为新一代软磁材料，具有高饱和磁感、低矫顽力、高磁导率、高电阻率等优异磁性能，主要用于制作变压器铁芯，纳米晶合金在软磁材料中综合磁性能最优，适用于高频电力电子元器件领域。非晶合金和纳米晶合金可以在某些特定应用中替代硅钢片作为电机的软磁体，特别是在需要高效低损耗的高频应用中。

 

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