前景美好的纳米磁心材料
2004-11-12 10:07:53
来源：《国际电子变压器》2004年12期
前景美好的纳米磁心材料
中国西南应用磁学研究所 余声明 （绵阳 621000）
摘要：本文综述了能与铁氧体竞争的高新纳米磁心材料特别是纳米晶、复合纳米磁心材料的性能与应用。
关键词：纳米晶 磁心材料 性能 应用
中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1606-7517（2004）12-04-00
1引言
作为电子变压器、电感器的磁心材料是软磁材料。目前它仍可分为金属、非金属（铁氧体）及其复合材料几类。就铁氧体而言就有MnZn、NiZn、NiCuZn等，金属类就有铁（Fe）基非晶、纳米晶合金等，而复合材料就有金属磁粉心，纳米复合磁粉心等。要将这些材料用于电子整机电路中，应当具备如下性能：
a.在使用温度、频率、磁场强度等条件下具有高的磁导率（μ）
b.饱和磁通密度（Bs）大；
c.在使用条件下的损耗要小；
d.具有与电路设计相适应的温度系数；
e.时效小，稳定性好；
f.具有产品制造和使用时必需的机械强度。
然而随着整机向高频、小型、数字化和大功率方向发展，对磁心元件提出了更高的要求：高性能、抗干扰。但目前已广泛应用的铁氧体软磁材料存在着Bs低、μ低、居里温度（Tc）低等缺点，远不能满足要求，因此寻求能全面满足上述要求的材料则是当务之争，本文就此试图作一讨论。
2高新纳米磁心材料的性能与应用
2.1各类软磁材料基本性能比较
众所周知，软磁材料用作磁心元件时，应具备的基本特性是：a)由于磁场的振幅趋近于零，所以磁心的B与H保持线性关系。若驱动磁场为正弦波，则B 或亦按正弦变化，因此软磁材料对电子变压器电感器件的影响主要是起始磁导率(μi)，故而要求μi要高，即在很小的磁场下有很大的磁通变化；b)低的磁滞损耗，它表示的是材料在H和-H间循环过程中能量的损耗小，即WH=∮MdB或磁滞回线所包围的面积要小；c)大的饱和磁化强度(MS)值；d)高的居里温度（Tc）。
提高软磁材料基本性能的主要方法是：a)设计最佳的化学成分；b)优化显微结构。目前控制显微结构则是提高性能的基本途径。因为晶粒边界会阻碍畴壁移动，所以晶粒细小的磁性会比晶粒大的更佳。所以采用非晶一晶化成纳米晶结构的方法能够获得纳米晶粒交换耦合。现已从许多非晶、纳米晶铁磁体中观察到了无规则各向异性，从而显示了软磁材料的两个重要优值：磁导率(μ)和磁感应强度(B)。随着材料的一些新近改进，对Fe-基纳米结构可以看到高μ和高BS的结合：Finement、Nanoperm合金和HitPerm合金的开发。由于α′-FeCo纳米晶相具有高居里温度，Hitperm合金把高μ、高BS和高温应用潜力结合起来了。表1示出了由非晶原始带材生产的纳米晶铁磁材料的特性。
图1表示的是各类软磁材料性能的比较，可见铁氧体的性能最低，纳米晶合金综合软磁性能明显优于其他材料。
2.2纳米晶磁心材料的性能与应用
如前所述开发纳米软磁材料普遍采用非晶-晶化的方法并已取得明显成效。例如在FeSiB中加入Cu、Nb合金应用熔体旋淬法先制得非晶薄带而后卷成铁心，再在晶化温度下加热便得到10nm晶粒的高性能软磁材料，其性能如表2所示。这种纳米软磁材料具有高BS，高μ磁化曲线可控、稳定、低铁损、良好的高频性能等优异性能，因此获得了如下重要应用：
a.作电路共模电感器，可大大降低噪声（特别是在大电流时显得尤为突出），也可用于零相电抗器中。
b.用于开关电源、可以控制功率输出、高矩形比可饱和磁心，与非晶合金比具有优异的磁化控制特性（CCFR）。
c.通信设备中的零部件如数字通信网（ISDN）PC卡脉冲变压器，要求在20kHz附近有高的阻抗，使用厚度为2.5mm的纳米合金脉冲变压器即可实现小型化，又有高阻抗，优异的温度稳定性。
d.还可制作脉冲功率器件，电磁屏蔽及吸波器，其他各种传感器（如漏电开关中的零序电流互感器等）。这种互感器磁心较之坡莫合金具有更优异的温度特性，高μ，高BS，从而实现小型化。
2.3适用于高频、小型化、高性能的纳米磁心材料
2.3.1高Bs高ρ（电阻率）纳米颗粒膜材料
采用溅射薄膜制备的纳米级铁磁金属粒子和非金属绝缘粒子组成的复合软磁薄膜材料，能达到高BS、高ρ、低Hc、低λS的要求，以满足高频小型化磁心的需要。目前有Fe-Al-O系（如Fe46Al22O32等）、Co-Al-O系（Fe.Si）-O系，（Co.Fe-Pd-Al）-N系等，其ρ值>100μΩ·cm，有的甚至达104μΩ·cm。近年来，Ohinuma等发现，高铁（Fe）浓度(FesCo)-Al-O系软磁膜，在宽的成分范围内有1.8T以上的BS值，其ρ>150μΩ·cm。用大约5%的Al-O置换（Fe，Co）可降低HC值，如（Fe0.87Co0.13）78Al6O16的性能达到：BS=2.05T，ρ=118μΩ·cm，Hc=167A/m，λS=10.0×10-6。
又如溅射在玻璃或Si基片上的Hetperm（Fe.Co）·Zr-B-Cu(a-Hetperm)薄膜和a-Hetperm/SiO2多层膜，膜厚100nm，在室温下，4πMs≥1.4T，Hc≈0.9Oe(72A/M)；当膜厚从100nm提高到150nm时，其HC从72A/m提高到了200A/m。
日本佐藤等采用溅射沉积法在玻璃基片上生长成高ρ纳米晶Fe(Co-Fe)-Hf-O膜，其性能如表3所示。（其中比较项是非晶Co-Ta-Hf膜。）它曾将其作成折线型平面互感器使用，现已开发了新的应用：制作了小型尺寸平面夹层电感器，尺寸为10×10mm2，在10MHz下，电感L=0.53～0.8μH，Qmax=16；作成磁通门磁场互感器，由于涡流小，可使互感器的灵敏度随频率的上升而提高。图2是磁通门互感器灵敏度与频率的关系曲线。
2.3.2纳米复合磁粉心
通常的金属磁粉心的BS，μ值都很低，高频性能差；Finemet等Fe基纳米软磁合金只能作成薄带、膜或丝且仅用于KHz频段。为了能像铁氧体那样制成不同形状的磁心且有良好的高频性能，先采用高能球磨、惰性气体冷凝法等技术制备成nm磁性粒子，然后以合适的压制成型工艺制得以Finemet为基的复合磁粉心，其性能可和NiZn媲美，在高BS下，可和开隙的MnZn磁心竞争且有低的损耗，如铸态Fe2Si，ρ=220μΩ·cm，在10MHz时，μ=250，将其制成磁粉心，应用于100MHz是可能的。
3电力电子用纳米复合磁心材料
在电力电子领域，要求磁心材料具有高BS，高μ，高Tc和低涡流损耗、低磁滞及介电损耗，即“三高二低”性能。随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源逐渐被高频开关电源所取代。为提高效率减小体积，开关电源的频率急需大大提高，对软磁材料提出了更高要求。在现有的传统材料中，Si钢的高频损耗太大，铁氧体高频性能好损耗低，但在大功率下存在着BS低，体积无法降低；Tc低，热稳定性差；作大功率磁心时成品率低、成本高等诸多问题。目前功率铁氧体单个变压器的转换功率不超过20KW，纳米晶软磁合金同时具有高BS、高频率损耗低、高μ、热稳定性好的优点，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择，其转换功率达500KW，体积可减小50%。但纳米晶软磁合金因电阻率低使用频率仍停留在KHz级上，即ρ为10-6Ω·cm级，f<100kHz。因此开发新的高频大功率电力电子磁心材料也是一个重要课题。
在磁/陶瓷纳米复合材料中，由于电阻率大为提高，相邻纳米磁粒间的交换耦合将克服各向异性，战胜单个粒子的退磁效应从而使软磁性能大大提高。采用湿式化学工艺合成Cox/(SiO2)1-X(其中Co占的体积百分数：0.4≤X≤0.9)纳米复合材料，用作大尺寸磁心明显优于铁氧体和金属磁性材料。
a.涡流损耗直到GHz频段小到可忽略不计；
b.选择Fe.Co作磁性成份可保证高的软磁性能；
c.邻近粒子间的交换作用使每个粒子的磁导性得以平衡并克服单个粒子的退磁效应，从而形成高于普通材料的软磁性；
d.磁结构利于高频特性的提高，同时增强μi和提高截止频率，这是传统材料作不到的。
综上，寻求全面达到小型化、高频数字化、大功率要求的软磁磁心材料是当前开发的重点。非晶纳米晶、高μ高BS颗粒膜和纳米复合磁粉心及磁/陶瓷纳米复合材料则是我们值得关注的方向。
参考文献
[1]M·E·MCHENRY.D.E.LANGMILIN，磁性应用纳米材料的开发，上海钢研，2001.(3)，24～36.
［2］金延，金属功能材料，2002.(6)，38.
[3]马昌贵，磁性材料及器件，2002.(5)，36.
图1表示的是各类软磁材料性能的比较，可见铁氧体的性能最低，纳米晶合金综合软磁性能明显优于其他材料。
2.2纳米晶磁心材料的性能与应用
如前所述开发纳米软磁材料普遍采用非晶-晶化的方法并已取得明显成效。例如在FeSiB中加入Cu、Nb合金应用熔体旋淬法先制得非晶薄带而后卷成铁心，再在晶化温度下加热便得到10nm晶粒的高性能软磁材料，其性能如表2所示。这种纳米软磁材料具有高BS，高μ磁化曲线可控、稳定、低铁损、良好的高频性能等优异性能，因此获得了如下重要应用：
a.作电路共模电感器，可大大降低噪声（特别是在大电流时显得尤为突出），也可用于零相电抗器中。
b.用于开关电源、可以控制功率输出、高矩形比可饱和磁心，与非晶合金比具有优异的磁化控制特性（CCFR）。
c.通信设备中的零部件如数字通信网（ISDN）PC卡脉冲变压器，要求在20kHz附近有高的阻抗，使用厚度为2.5mm的纳米合金脉冲变压器即可实现小型化，又有高阻抗，优异的温度稳定性。
d.还可制作脉冲功率器件，电磁屏蔽及吸波器，其他各种传感器（如漏电开关中的零序电流互感器等）。这种互感器磁心较之坡莫合金具有更优异的温度特性，高μ，高BS，从而实现小型化。
2.3适用于高频、小型化、高性能的纳米磁心材料
2.3.1高Bs高ρ（电阻率）纳米颗粒膜材料
采用溅射薄膜制备的纳米级铁磁金属粒子和非金属绝缘粒子组成的复合软磁薄膜材料，能达到高BS、高ρ、低Hc、低λS的要求，以满足高频小型化磁心的需要。目前有Fe-Al-O系（如Fe46Al22O32等）、Co-Al-O系（Fe.Si）-O系，（Co.Fe-Pd-Al）-N系等，其ρ值>100μΩ·cm，有的甚至达104μΩ·cm。近年来，Ohinuma等发现，高铁（Fe）浓度(FesCo)-Al-O系软磁膜，在宽的成分范围内有1.8T以上的BS值，其ρ>150μΩ·cm。用大约5%的Al-O置换（Fe，Co）可降低HC值，如（Fe0.87Co0.13）78Al6O16的性能达到：BS=2.05T，ρ=118μΩ·cm，Hc=167A/m，λS=10.0×10-6。
又如溅射在玻璃或Si基片上的Hetperm（Fe.Co）·Zr-B-Cu(a-Hetperm)薄膜和a-Hetperm/SiO2多层膜，膜厚100nm，在室温下，4πMs≥1.4T，Hc≈0.9Oe(72A/M)；当膜厚从100nm提高到150nm时，其HC从72A/m提高到了200A/m。
日本佐藤等采用溅射沉积法在玻璃基片上生长成高ρ纳米晶Fe(Co-Fe)-Hf-O膜，其性能如表3所示。（其中比较项是非晶Co-Ta-Hf膜。）它曾将其作成折线型平面互感器使用，现已开发了新的应用：制作了小型尺寸平面夹层电感器，尺寸为10×10mm2，在10MHz下，电感L=0.53～0.8μH，Qmax=16；作成磁通门磁场互感器，由于涡流小，可使互感器的灵敏度随频率的上升而提高。图2是磁通门互感器灵敏度与频率的关系曲线。
2.3.2纳米复合磁粉心
通常的金属磁粉心的BS，μ值都很低，高频性能差；Finemet等Fe基纳米软磁合金只能作成薄带、膜或丝且仅用于KHz频段。为了能像铁氧体那样制成不同形状的磁心且有良好的高频性能，先采用高能球磨、惰性气体冷凝法等技术制备成nm磁性粒子，然后以合适的压制成型工艺制得以Finemet为基的复合磁粉心，其性能可和NiZn媲美，在高BS下，可和开隙的MnZn磁心竞争且有低的损耗，如铸态Fe2Si，ρ=220μΩ·cm，在10MHz时，μ=250，将其制成磁粉心，应用于100MHz是可能的。
3电力电子用纳米复合磁心材料
在电力电子领域，要求磁心材料具有高BS，高μ，高Tc和低涡流损耗、低磁滞及介电损耗，即“三高二低”性能。随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源逐渐被高频开关电源所取代。为提高效率减小体积，开关电源的频率急需大大提高，对软磁材料提出了更高要求。在现有的传统材料中，Si钢的高频损耗太大，铁氧体高频性能好损耗低，但在大功率下存在着BS低，体积无法降低；Tc低，热稳定性差；作大功率磁心时成品率低、成本高等诸多问题。目前功率铁氧体单个变压器的转换功率不超过20KW，纳米晶软磁合金同时具有高BS、高频率损耗低、高μ、热稳定性好的优点，是大功率开关电源用软磁材料的最佳选择，其转换功率达500KW，体积可减小50%。但纳米晶软磁合金因电阻率低使用频率仍停留在KHz级上，即ρ为10-6Ω·cm级，f<100kHz。因此开发新的高频大功率电力电子磁心材料也是一个重要课题。
在磁/陶瓷纳米复合材料中，由于电阻率大为提高，相邻纳米磁粒间的交换耦合将克服各向异性，战胜单个粒子的退磁效应从而使软磁性能大大提高。采用湿式化学工艺合成Cox/(SiO2)1-X(其中Co占的体积百分数：0.4≤X≤0.9)纳米复合材料，用作大尺寸磁心明显优于铁氧体和金属磁性材料。
a.涡流损耗直到GHz频段小到可忽略不计；
b.选择Fe.Co作磁性成份可保证高的软磁性能；
c.邻近粒子间的交换作用使每个粒子的磁导性得以平衡并克服单个粒子的退磁效应，从而形成高于普通材料的软磁性；
d.磁结构利于高频特性的提高，同时增强μi和提高截止频率，这是传统材料作不到的。
综上，寻求全面达到小型化、高频数字化、大功率要求的软磁磁心材料是当前开发的重点。非晶纳米晶、高μ高BS颗粒膜和纳米复合磁粉心及磁/陶瓷纳米复合材料则是我们值得关注的方向。
参考文献
[1]M·E·MCHENRY.D.E.LANGMILIN，磁性应用纳米材料的开发，上海钢研，2001.(3)，24～36.
［2］金延，金属功能材料，2002.(6)，38.
[3]马昌贵，磁性材料及器件，2002.(5)，36.
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