1概述
对高温应用的磁性材料开发倍受重视，因为它们是发展航空、航天和高技术武器系统成功的关键材料。
据有关资料介绍[1~4]，高温磁性材料有下列应用：
在航空、航天多电力飞行器（MEA）中做集成动力装置（IPU），其工作温度从现在的300℃，提高到500~600℃，高速旋转的转子还承受500~600Mpa的切应力。
无人驾驶战斗飞行器（UCAV）主推力发动机的内置起动器和发电机（IS/G）的定子、转子，其工作温度达400℃，并受825Mpa应力。
宇宙飞船动力系统（SPS）气体涡轮发动机的非接触磁力轴承，包括推力轴承和径向轴承的旋转元件，工作温度达550℃。
定向高能量武器系统（DEWS）的高能量密度功率电源和储能装置。间隙式工作的武器系统，须提供峰值功率5MW，连续功率达350KW，储藏的能量每20000rpm达25MJ。
行星际航天飞行器用核电动力系统的工作温度更达870℃。
其它应用还有二次电源系统，无附加冷却系统的机电传动和控制元件等。
上述各种应用的总体要求是整机系统及其所用元器件有高的可靠性和可维修性，承载能力大，重量轻，体积小以及成本低。
2各类元器件对高温软磁材料的要求
从以上各种用途的工作条件来看，高温应用软磁材料可分为两类，一类是元器件在静态条件下工作，如电机定子、功率电源及控制系统中的变压器、饱和电抗器、磁放大器等；另一类是在高速旋转状态下应用，如电机转子、非接触磁力轴等。
对第一类所用的铁心材料的技术要求以高温磁性为主，高温力性为辅。对第二类所用铁心材料的要求则相反。
对高温用于定子、变压器等铁心材料的具体要求是：
a.在高温时，在小的激励磁场下有高的磁感应强度（Bm），例如 最好Bs≥2T；
b.在高温时有低的剩磁(Br)，小的矫顽力（Hc）和磁滞损耗值；
c.有较高的电阻率（ρ），整个铁心的损耗小，如500℃时P2/5k≤480w/kg；
d.有一般材料的力学性能，可进行机械加工；
e.上述性能在长时间、高温下有足够的稳定性。时效试验的条件过去为500℃，3000小时，现在则要求600℃，5000小时。
对高温用转子铁心材料的要求是：
a.高温时有高强度，高屈服点和高的弹性模量；
b.在长时间高温的环境中有低的蠕变量，如在超过300Mpa的应力下，在500~600℃经1万小时的应变应在0.4%以下；
c.在高温时有足够高的磁感应强度值，例如在工作温度下Bm值应在0.8~1T以上，在1KHz以下的μ达102~103量级；
d.在高温高转速的条件下，力性和磁性是稳定的；
3磁参量与温度的关系
在高温下使用的软磁材料，首先必须有高的居里温度（Tc）。表1列出了Tc高于700℃合金成分及基本性能。其中除传统的FeSi、FeCo系合金外，新开发的纳米晶软磁合金Hitperm型合金引人注目。
一般而言，传统结晶态铁磁材料的饱和磁化强度随温度的上升按一定的规律缓慢下降，在较低的温度范围遵守“布洛赫T3/2”定律。图1示出一些能在高温下应用合金的磁感应强度B与温度关系。当温度达到Tc时，铁磁性消失。新型纳米晶软磁合金的Js-T曲线则因铁磁晶化相析出而不同。
磁晶各向异性常数（K1）和饱和磁致伸缩系数（λs）与饱和磁化强度一样都是铁磁材料的基本磁性常数。它们决定着磁化过程。当温度升高时K1和λs也下降，但K1对温度的敏感比Bs和λs大的多。分子场理论指出：K1随T的变化K1(T)/K1(0)约是与Js~T变化Js(T)/ Js(0)的6-10次方成比例。
磁导率（μ）、矫顽力（Hc）、损耗（P）是技术磁参数，它们取决于上述三个基本磁性参数和合金的组织结构。一般来讲，当温度升高时μ增加而Hc和P下降。但是磁导率随温度的变化相对而言显得更为复杂。在一定温度以下，μ(T)关系主要取决于K1(T)关系，当温度升高时，K1减小，μ增加 ；当超过一定温度以后，特别是接近Tc时，Bs(T)的关系成为主要的影响因素，当T升高时，由于Bs大大下降使μ也下降。
因此，在μ(T)曲线特别是初始磁导率μi(T)上会有一个峰值。
从上述简单分析可知，当温度升高时，由于磁特性的改变，影响器件的特性，例如由于Bs下降，使器件的输出功率或电压下降，又由于μ值的增加和Hc的减小，使器件处于较灵敏的工作状态。
在高温下长时间工作的铁心材料还必须考虑有序-无序转变，α-γ相变，晶粒长大，第二相的析出，氧化等的影响。对纳米晶软磁材料而言则还要考虑晶化相析出，纳米晶尺寸变化等因素对磁性和力学性能的影响。
4高温用软磁材料及其发展
表2列出可以做定子、变压器等铁心材料的性能，其中FeCo合金的工作温度最高。为了提高Co50V2合金的力学性能，可以适当降低退火温度，或加0.025~0.05%C，或加少量Mo(V+Mo=1.5~2.5%)，使合金在不太降低磁性的前提下，提高强度。表3和图2列出了Co50V2(HiperCo50)在较低温度退火后的力性和损耗[5]。
最近的研究发现HiperCo27合金的磁性更适宜在高温下使用[6]。图3列出三个FeCo系合金在500℃时效2000小时后，损耗（P1.8/1k）与温度的关系（其中HiperCo50HS是含0.3%Nb的Co50V2合金）。HiperCo27合金的损耗不仅小，而且随着温度的提高进一步减小。图4是该三个合金在500℃时效时Hc随时间的变化。HiperCo27的磁性最为稳定。研究还表明Co50V2型合金在600℃时效时，由于富V的第二相析出使Bs下降，而Hc增加（见图5）[7]。
这一类在静态条件下使用的材料的实际应用如下：定子材料用双取向SiFe(600℃以下)和HiperCo27(450~800℃)；变压器铁心材料用取向SiFe（450℃以下）、HiperCo27和Supermendur合金（450~800℃）；饱和电抗器和磁放大器用取向SiFe和Supermendur合金；磁极材料可用铸态1.25%Si-Fe或50%Co-Fe合金（450~760℃）。
另一类是高速旋转的转子或磁力轴材料，主要要求有好的高温力学性能，其次是有一定的磁性。属于这类的材料有：
a.沉淀硬化型高温转子材料：包括以Fe为基的马氏体时效钢，H-11工具钢以及析出A3B型金属间化合物沉淀相的以Co基、Fe-Co基或Fe-Ni-Co基多元合金。
b.弥散硬化型高温转子材料：在Co或FeCo(27-35%)为基的合金中加入坚硬的第二相，如B化物、ThO2或Al2O3等颗粒进行弥散强化，控制合适的第二相粒子尺寸和体积分数以及粒子间距，在矫顽力增加不多的前提下，大大增强合金基体的高温力性，特别是蠕变强度。这类材料的工作温度高于上述沉淀硬化型合金。
表4列出上述二类典型材料的性能和工作温度。
c.纤维强化型高温转子材料。用难熔金属纤维如W纤维或C纤维来强化高Tc高Bs的软磁合金[7]。图6为Co50Fe-W复合材料的强度（σs）和Bs值与W纤维量的关系。退火后由于晶粒长大，内应力消除使Hc和磁滞损耗大为改进（见图7）。此外，该材料在600Mpa应力、550℃时的蠕变几乎可忽略不计，大大优于商用HiperCo50HS合金（见图8）。
显然，对这类材料而言，基体合金的选择、纤维含量、尺度及分布状态是最重要的。
1998年在美国军方的支持下，Willard M.A等公布了可用于高温的纳米晶软磁合金，典型成分为Fe44Co44Zr7B4Cu1，名为Hitperm型合金[8.9]。该合金是用熔体快淬法先获得0.02-0.05mm厚的非晶薄带，再在晶化温度以上适当温度退火，形成在非晶基体上析出尺寸约为10-15nm的α-FeCo(FCC) 或α'-FeCo（B2有序相）纳米晶结构，从而获得高的Bs值（>2.0T）和Tc值（>965℃）。图9列出Hitperm型纳米软磁合金的差热分析曲线。可知在Tx1=510℃析出α（或α'）-FeCo结晶相，在Tx2=700℃时析出（FeCo）3Zr相，在大约985℃处发生α→γ相变。图10列出二个纳米合金的磁化强度随温度的变化。Fe44Co44Zr7B4Cu1在500℃时析出高Bs的FeCo相使磁化强度不降反升，直到985℃处由于铁磁性α-FeCo相转变为顺磁性γ-FeCo相，磁化强度才大降。该合金在很宽的温度范围保持高的磁化强度。另一个名为Nanoperm的Fe88Zr7B4Cu1合金，由于在非晶态时其Tc在室温附近，所以当温度升高时磁化强度很快降为零，到约500℃时，由于析出α-Fe相使磁化强度值大增，到770℃α-Fe的居里点处磁化强度又降为零。这个合金Bs值约为1.6T。相比之下，高温磁性不如上述Hitperm型合金。图11列出Hitperm合金的磁滞回线、损耗及交流磁导率与频率的关系曲线。
表5列出了可用于高温的三个纳米软磁合金的性能[9~12]。此外，改变Hitperm型合金的Fe/Co比，如0.05/0.95、0.7/0.3或用Nb、Hf、Ta、Mo部分代替Zr也可获得高Bs高Tc纳米软磁合金，其磁化强度与温度的关系曲线与图10中的Fe44Co44Zr7B4Cu1合金一样[11~15]。还发现Fe45Co45Zr3.7Hf3.7B3.6Cu1合金在500~600℃纳米晶化后又在500℃等温退火700小时，仍能保持较低的矫顽力（Hc<50A/m），说明由于微晶生长抑制剂-Hf的存在，使纳米软磁合金具有良好的热稳定性[16]。（Fe0.7Co0.3）88Hf7B4Cu1合金也具有良好的高温磁性和热稳定性[17]。
由上可知与通用的FeCo系晶态合金相比，高Bs高Tc的纳米软磁合金由于λs小，电阻率（ρ）高，带薄等，应具有良好的交直流磁性，另外纳米晶结构会有更好的力学性能。纳米软磁合金薄带的制备工艺简单，Co含量低，成本也就低。
现在美、日、欧洲各国都在大力开发高温大功率用纳米晶软磁合金，尽管公开的性能数据不全，但是美国军方认为该类材料是目前航空、航天多电力飞行器集成动力装置（MEA-IPU）等高速高温发电、配电、用电系统的首选新型材料。

参考文献：
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