铁基纳米晶合金材料的温度稳定性
2007-02-01 09:41:33
来源：《国际电子变压器》2007年2月刊
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1前言
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用先进的超急冷快淬技术，将液态金属以1×106℃/秒冷却速度形成厚度为0.02~0.04mm 的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶组织特征，不具备传统合金材料的晶体结构。1988年日本 Yashizawa 教授等人又在非晶化的基础上发明了铁基纳米晶软磁合金材料，从而开创了软磁材料的新纪元。由于非晶纳米晶软磁合金材料的带厚和电阻率决定其最佳应用频率范围是KHz频带，正好与高频开关电源频带相重合，所以与现代电力电子技术同步发展的高频开关电源技术广泛应用，促进了非晶纳米晶合金磁性器件的研究开发应用，已研制成各种各样的铁心器件广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子领域，用作电流互感器和开关电源的变压器、电抗器、滤波器等。
目前，非晶纳米晶合金材料不仅在美、日、德等发达国家已经产业化、商品化，而且在我国也已形成相当的产业规模，其生产能力居世界第二，但生产设备的技术水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距。尽管铁基纳米晶合金居里温度高、磁性器件退火（>500℃）后应用、制成的磁性器件已广泛地应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域等都是一个不争的事实，但仍然有许多电子产品用户对铁基纳米晶合金器件的温度稳定性存在疑虑。作者认为研究铁基纳米晶合金的温度稳定性，消除使用者的疑虑及提供技术依据是非常必要的。
2非晶纳米晶合金材料性能及应用
非晶纳米晶合金材料因其独特的组织结构而具有优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力及低的高频损耗等，这些优异的软磁性能都是磁性材料学者们一直苦苦追求的目标。随着电子技术向高频、大电流、小型化和片式化方向发展，推动了非晶纳米晶合金材料在电力行业、电子行业及电力电子技术领域应用，尤其是近十几年来改革开放，国外电子产品及元器件制造商大量涌入，大大促进我国电子工业的发展，也给非晶纳米晶合金材料的推广应用带来良好的商机，取得了令人满意的效果。几种常用非晶纳米晶软磁合金主要性能及应用领域参见表1、图1。
3铁基纳米晶合金材料温度特性研究
由于非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，从热力学原理上讲，总是有向晶态转变的趋势；纳米晶合金组织是由非晶组织晶化形成的，还存在非晶基体组织，一旦发生严重晶化，合金磁性能将不复存在。虽然表1表明所有非晶纳米晶合金的居里温度都在300℃以上，远远高于铁氧体等软磁材料；提供给用户的铁基纳米晶合金的磁性器件都已经过550℃一小时左右的退火热处理，结构已相当稳定，但令人信服的技术依据还应该是磁性器件的高低温试验结果，作者选择以下有代表性的铁心器件研究其温度稳定性。
3.1铁基纳米晶合金变压器铁心的温度特性
高频开关电源变压器用铁基纳米晶(FeCuNbSiB)合金铁心是该类电源的关键磁性器件，由于电源工作的环境因素，温升通常是特别受关注的，尤其一些军工电子产品，铁心器件需要在-55~120℃、甚至更高的温度范围内考核其磁性能。
选取两种规格的铁心测试其-55~120℃温度范围内铁心损耗Pcm和磁导率μa的变化（测试条件为0.5T，20KHz），测试的结果如表2所示。
3.2铁基纳米晶合金（低Br）铁心的温度特性
低Br铁基纳米晶合金仍属于FeCuNbSiB系的合金，它的开发是为了满足共模电感的高频特性和降低变压器铁心高频损耗等需要。选择的铁心器件测试其在-60~300℃温度范围内铁心损耗Pcm和磁导率μa的变化（测试条件为0.5T，20KHz），测试的结果如图2、图3所示。
3.3铁基纳米晶合金磁粉心的温度特性
铁基纳米晶合金磁粉心是利用快淬技术和粉末冶金方法研制的一种新型磁粉心产品，它充分地发挥了铁基纳米晶合金的优异软磁性能特点，如饱和磁感高、磁导率高、高频损耗低及电感线性范围大等，研制开发的系列磁粉心产品已成功地应用于各种现代电子产品。与其他电感器件相比，该磁粉心产品主要有下面三个应用特点：①高频特性远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯；②避免非晶微晶开口铁心处的散磁场和发热问题；③与Fe-Ni-Mo粉芯相比，同规格性能粉芯价格可降低30%以上。
该磁粉心制成的电感器件适用作高频大电流大功率条件下的各类开关电源、变换器及功率校正因子(PFC)技术中的扼流圈、滤波电感及贮能电感等。对于这些需承受大电流工作的磁性器件，发热问题当然要受到关注。选择四种不同磁导率的铁基纳米晶合金磁粉心测试其在-55~150℃温度范围内的电感量L、品质因素Q值与温度的关系，测试结果如图4所示。
4结果与讨论
由于铁基纳米晶合金的居里温度高，且经过550℃一小时以上的晶化热处理，组织性能已相当稳定，所以上述几种铁基纳米晶合金铁心在-55~150℃测试温度范围内，铁心的微观组织不会发生变化，磁性能变化不大，完全在满足使用要求的范围之内。实际上与常用的铁氧体磁性材料相比，后者的居里温度在200~300℃，而性能稳定使用的温度达到80℃以上，由此可知铁基纳米晶合金铁心器件在
非晶合金是20世纪70年代问世的一种新型合金材料，它采用先进的超急冷快淬技术，将液态金属以1×106℃/秒冷却速度形成厚度为0.02~0.04mm 的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶组织特征，不具备传统合金材料的晶体结构。1988年日本 Yashizawa 教授等人又在非晶化的基础上发明了铁基纳米晶软磁合金材料，从而开创了软磁材料的新纪元。由于非晶纳米晶软磁合金材料的带厚和电阻率决定其最佳应用频率范围是KHz频带，正好与高频开关电源频带相重合，所以与现代电力电子技术同步发展的高频开关电源技术广泛应用，促进了非晶纳米晶合金磁性器件的研究开发应用，已研制成各种各样的铁心器件广泛应用于电力工业、电子工业及电力电子领域，用作电流互感器和开关电源的变压器、电抗器、滤波器等。
目前，非晶纳米晶合金材料不仅在美、日、德等发达国家已经产业化、商品化，而且在我国也已形成相当的产业规模，其生产能力居世界第二，但生产设备的技术水平、产品质量档次等与发达国家相比还存在一定的差距。尽管铁基纳米晶合金居里温度高、磁性器件退火（>500℃）后应用、制成的磁性器件已广泛地应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域等都是一个不争的事实，但仍然有许多电子产品用户对铁基纳米晶合金器件的温度稳定性存在疑虑。作者认为研究铁基纳米晶合金的温度稳定性，消除使用者的疑虑及提供技术依据是非常必要的。
2非晶纳米晶合金材料性能及应用
非晶纳米晶合金材料因其独特的组织结构而具有优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力及低的高频损耗等，这些优异的软磁性能都是磁性材料学者们一直苦苦追求的目标。随着电子技术向高频、大电流、小型化和片式化方向发展，推动了非晶纳米晶合金材料在电力行业、电子行业及电力电子技术领域应用，尤其是近十几年来改革开放，国外电子产品及元器件制造商大量涌入，大大促进我国电子工业的发展，也给非晶纳米晶合金材料的推广应用带来良好的商机，取得了令人满意的效果。几种常用非晶纳米晶软磁合金主要性能及应用领域参见表1、图1。
3铁基纳米晶合金材料温度特性研究
由于非晶合金是从液态金属急冷形成的，处于热力学亚稳定态，从热力学原理上讲，总是有向晶态转变的趋势；纳米晶合金组织是由非晶组织晶化形成的，还存在非晶基体组织，一旦发生严重晶化，合金磁性能将不复存在。虽然表1表明所有非晶纳米晶合金的居里温度都在300℃以上，远远高于铁氧体等软磁材料；提供给用户的铁基纳米晶合金的磁性器件都已经过550℃一小时左右的退火热处理，结构已相当稳定，但令人信服的技术依据还应该是磁性器件的高低温试验结果，作者选择以下有代表性的铁心器件研究其温度稳定性。
3.1铁基纳米晶合金变压器铁心的温度特性
高频开关电源变压器用铁基纳米晶(FeCuNbSiB)合金铁心是该类电源的关键磁性器件，由于电源工作的环境因素，温升通常是特别受关注的，尤其一些军工电子产品，铁心器件需要在-55~120℃、甚至更高的温度范围内考核其磁性能。
选取两种规格的铁心测试其-55~120℃温度范围内铁心损耗Pcm和磁导率μa的变化（测试条件为0.5T，20KHz），测试的结果如表2所示。
3.2铁基纳米晶合金（低Br）铁心的温度特性
低Br铁基纳米晶合金仍属于FeCuNbSiB系的合金，它的开发是为了满足共模电感的高频特性和降低变压器铁心高频损耗等需要。选择的铁心器件测试其在-60~300℃温度范围内铁心损耗Pcm和磁导率μa的变化（测试条件为0.5T，20KHz），测试的结果如图2、图3所示。
3.3铁基纳米晶合金磁粉心的温度特性
铁基纳米晶合金磁粉心是利用快淬技术和粉末冶金方法研制的一种新型磁粉心产品，它充分地发挥了铁基纳米晶合金的优异软磁性能特点，如饱和磁感高、磁导率高、高频损耗低及电感线性范围大等，研制开发的系列磁粉心产品已成功地应用于各种现代电子产品。与其他电感器件相比，该磁粉心产品主要有下面三个应用特点：①高频特性远优于铁粉芯和铁硅铝粉芯；②避免非晶微晶开口铁心处的散磁场和发热问题；③与Fe-Ni-Mo粉芯相比，同规格性能粉芯价格可降低30%以上。
该磁粉心制成的电感器件适用作高频大电流大功率条件下的各类开关电源、变换器及功率校正因子(PFC)技术中的扼流圈、滤波电感及贮能电感等。对于这些需承受大电流工作的磁性器件，发热问题当然要受到关注。选择四种不同磁导率的铁基纳米晶合金磁粉心测试其在-55~150℃温度范围内的电感量L、品质因素Q值与温度的关系，测试结果如图4所示。
4结果与讨论
由于铁基纳米晶合金的居里温度高，且经过550℃一小时以上的晶化热处理，组织性能已相当稳定，所以上述几种铁基纳米晶合金铁心在-55~150℃测试温度范围内，铁心的微观组织不会发生变化，磁性能变化不大，完全在满足使用要求的范围之内。实际上与常用的铁氧体磁性材料相比，后者的居里温度在200~300℃，而性能稳定使用的温度达到80℃以上，由此可知铁基纳米晶合金铁心器件在
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