1 引言
非晶和纳米晶磁性材料已存在有时了，在很多种工业产品中都可以找到它们的应用。这些应用包括变压器、电感器、电动机、传感器、功率电子器件、电能控制/管理系统中各种磁性元件，还有电信设备和脉冲功率装置用多种磁性元件。这些广泛的用途，源于这此材料多用途的本性，它们可以极低的磁损耗提供快速的磁化反转。其通用性的方向之一，就是可以通过制备后热处理制作材料，而且结晶材料的技术性能不受化学正分的限制。在一定的情况下，可为特定的应用设计合金。不过，这些材料的可制造性也有一定的限制。在由液体高速凝固这类材料时，可生成材料的主要因素是其化学组分及适用制造工艺中的淬火速率。因此，正在尝试开发新的制造工艺和化学组成。
从应用的观点出发，开发磁性材料有两个极端情况很有意义：一个是开发磁导率尽可能高的材料，另一个是开发饱和磁感应强度BS尽可能高的材料。磁导率达到1000000的Co基非晶合金已得到广泛的应用，主要作传感器和小型电感器，但这种合金BS的上限仅在1T左右。Fe基非晶合金的BS值可达到1.8T，但要求有~20at%的高仿Co存在。不用Co类元素实现高BS值的尝试成功例少，如C.D.Graham等报告的非晶Fe-B-C合金。不过，这种材料在实际应用中的机械性能太脆。近20年来，这种合金未取得重大的进展。BS=1.56T的市售材料——METGLAS®2605SA1合金，已广泛用在电力管理系统中的变压器、电感器中。在纳米晶材料方面，工业上实用的FINEMET®合金有BS=1.2~1.35T。它们主要被用作各种传感器和电感器。
下面，报导高BS非晶和纳米晶磁性材料新近的进展情况。
2 高饱和磁感应强度非晶合金
图1绘出市售METGLAS®2605SA1（SA1）合金和新开发BS=1.65T非晶合金（HB1）的直流磁滞回线。表1中列出了HB1和SA1两种材料的磁性能比较。从图1和表1中看出，新材料具有下列几个优点：（1）它的矫顽力HC比常规合金低；（2）如Br/BS比值昭示，趋向饱和的磁化比常规材陡直。这些性能的重要性在于，会降低新合金达到预定感应度所需的磁场，从而减少磁性器件中的励磁电流。BH回线的矩形比（Br/BS）提高说明，新材料励磁可比常规合金更接近饱和。其结果是，用新合金的变压器比用市售合金的变压器可听噪声低。而且，矫顽力低会导致磁滞损耗低。两种非晶合金的交流磁心损耗列于表2中。
 Y.Ogawa等人用HB1合金制成电力变压器，实际反应出新材料的磁性能有了改善。因为新材料的BS值提高，因此可增加工作感应度，从而减小变压器的尺寸。器件尺寸减小，反过来又会降低成本，并制出效能更高的产品，对节能做出重要贡献。
3 高饱和磁感应强度纳米晶合金
有人用含Co的合金，做了将纳米晶材料的饱和磁感应强度BS达1.5T以上的尝试。M.A.Willard等人报告了一个突出的例子——FeCoMBCu系合金（M=Zr，Nb和Hf）。这些合金是为超过500℃高温工作而开发的软磁材料。这种纳米晶合金的主相以α-FeCo（B2结构）为基础，而常规纳米晶合金则是利用α-Fe3Si（DO3结构）和α-Fe（BCC结构）的性能。因此，FeCoMBCu合金对弄清这类材料的基础，从而设计出新的纳米晶材料是有指导意义的。
已发现，向FINEMET®型合金中加Co，会使材料显示出大的感生磁各向异性，具有良好的软磁性能，但BS值没有明显提高。这应归因于合金中含有高浓度的Si。Y.Yoshizawa等人曾试着减少FeCoCuNbSiB系中Si的含量，结果，使这种合金的Br值显著升高。图2绘出了由Fe83-xCoxCu1Nb7Si1B8合金得到的结果。当x=30时，合金有最高BS值。表3中就这种材料的其他主要磁性能，同常规FINEMET®合金做了对比。看到，直到x=30，场感生磁各向异性能，Ku~（0.73x2+8.4x+84）都在上升，超过这个量，Ku值则随χ改变。可见，在x~30的上和下，磁各向异性的来源是不同的，这可以用纳米晶粒结构来说明：当x<30时BCC Fe和BCC FeCo占优势，当Co向高含量发展时，则由HCP和FCC Co占优势。图2中的磁各向异性，是在非晶基质中感生出来的，纳米晶粒子随机分布在其中，感生各向异性；这种情况与非晶合金相似，其中的局部磁性单元会形成磁各向异性方向。因此，在非晶（FeCo）BSi合金中获得类似场感生各向异性与成分的关系，就不足为奇了。在x~30以上感生高的磁各向异性，这有利于电力扼流圈处理大电流。
  虽然FeCoCuNbSiB纳米合金的BS值一般还不到1.7T，但实用不含Co的FINEMET®FT-8合金的BS仅1.5T。新材料的矩形比（Br/BS）高达~0.9，使它们对用作脉冲压缩和荷电粒子加速磁心很有利。对于这些应用，材料的动态磁化过程很重要。图3就两种纳米晶合金，BS=1.5T的FINEMET®FT-8和BS=1.23T的FT-3在脉冲激励下的磁化行为。表4是这两种合金其他有关性能的比较。
FT-8材料的磁通摆动ΔB高达3T，这是一大优点，因为粒子加速器的加速电压与ΔB/Δt成正比（Δt—加到加速器磁心上的电压脉冲宽度）。表4中列出这种材料大的矩形比昭示，它们可以被用作脉冲压缩磁心。由此产生的压缩脉冲，馈给上述粒子加速器中的磁心。从未来核能发电的需求来看，这类材料将显得越发重要。
如引言中所述，制造工艺是开发新非晶或纳米晶材料的重要因素。这些材料在高频段应用时，优先选用较薄的带材，因为这会减少滞流损耗。最近，对纳米晶材料合金铸造工艺的改良，使带材料厚度从18μm左右减至13μm。图4绘出典型纳米晶材料FINEMET®FT-1的磁心损耗随带材厚度的变化曲线。从中看到，当薄带厚度约减小28%时，在脉冲激励下的磁心损耗大致会下降25%左右。图3中的纳米晶带材FT-3和FT-8，厚度已减至13μm。
4 应用
当正在为非晶和纳米晶材料开发新化学组成和新物理性能的合金时，这些材料的应用在以下几个方面也取得了新近的进展。
4.1 变压器
如上所述，新非晶合金，HB1正被用作高能量效率配电变压器。
4.2 电动机
应用非晶Fe基合金，已开发出高效率的开关磁阻电动机。图5中对使用这种合金的电动机的效率与使用普通硅钢35A300（SiFe）的电动机效率做了对比。可见，使用非晶合金，电动机的效率约提高了6%在现有的电动机中，效率超过95%的，堪与永磁电动机的效率（> 90%）相比，甚至超过后者。为减少污染环境的废气，从对低成本高效率电动机的需求来看，这一点十分重要。
4.3 发电机
还可看到使用非晶或纳米晶材料的大型发电机，不过，也开发出了微型发电机，正被用作自行卷绕钟表。因为用非晶合金的磁损耗小，故这是完全可能实现的。图6对现用非晶合金和传统低损耗坡莫合金的磁心损耗做了比较。用钴基非晶材料制成体积近似20mm3的发电机磁心，其发电效能足以推动标准尺寸的手表。
4.4 传感器
把小型永磁体贴附在悬臂上，可开发出磁阻抗传感器，通过检测永磁体运动，作运动传感。根据这个原理制成的加速度表，量程为±2G，灵敏度达80mV/G。据H.Jakei等人报告，这种传感器已经用到了移动电话中。这类传感器的优点之一，就是能使同一个运动敏感元件兼有位置传感。用非晶磁性材料作磁阻抗传感器的另一个新进展，是F.Amalau等人采用非晶薄带/Cu/非晶薄带三层微结构制成传感器。在0.2~20MHz频率范围内，用这种结构的磁阻抗比达到了830%，磁致电阻比达26.30%。这种高的磁效应，缘于三层微观结构可形成闭合磁路，获得高的相对磁导率。
4.5 EMI滤波器
为了减小噪声滤波器的体积，H.Sakate等人研究了Co基非晶薄带的厚度对降低信号传输电缆发射的噪声的影响。他们发现，厚度薄和减小了应力的带材对噪声抑制最有效。例如，热处理过7.9μm厚带材在100MHz可提供噪声衰减约62dB/cm3，比普通铁氧体磁心可达到的值高4 dB/cm3。因此，把这种非晶薄带绕到信号传输线上，能制成很紧凑的高频噪声滤波器。
5 结论
Fe基非晶合金的饱和磁感应强度提高到了BS=1.64T，这会显著改良变压器一类磁性器件的磁性能，并减小这些器件的体积。从能量守恒观点全球所作的努力，这种新的开发意义重大。纳米晶磁性合金的饱和磁感应强度的值达到了1.7T，为它们打开了新的应用市场，如作传感器，大电流电感器和脉冲功率器件。在合成这些新合金方面所作的尝试，将来会研制出更加高档的材料，反过来又会打开新的应用市场，并改良现有的器件。

参考文献
[1]P.Hasegawa，J.Magn.Magn.Meter.，2006.304(2):187～191
[2]Y.Ogawa，etal.，J.Magn.Magn.Mater.，2006，304(2):e675～e677
[3]Y.Yoshizawa.etal.，IEEE Trans.Magn.2005，41(10):3271～3273