詳細(xì)介紹非晶納米晶軟磁材料與電子變壓器知識
1.前 言
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,有源器件的進(jìn)步,電子產(chǎn)品體積和重量大為減少,這就推動了包括電子變壓器在內(nèi)的電子元器件向輕薄、小的方向發(fā)展.電子變壓器的生產(chǎn)工藝面臨一場巨大的變革。電子變壓器向高頻化、低損耗、重量輕、體積小方向發(fā)展是必然的趨勢,作為電子變壓器核心部件的軟磁鐵芯將是這場變革的首當(dāng)其沖元件,因而推廣應(yīng)用具有高飽和磁感、高初始磁導(dǎo)率和高頻損耗低的非晶納米晶軟磁合金材料用作電子變壓器磁芯將大大促進(jìn)電子變壓器的小型化,滿足電子行業(yè)的發(fā)展需要。
目前隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)的發(fā)展,各種新型納米材料如納米晶粉末材料、納米薄膜材料和納米顆粒膜材料等不斷開發(fā)出來,這些新型納米材料,一旦產(chǎn)業(yè)化,將大大促進(jìn)電子變壓器向高頻、小型化、片式化方向發(fā)展。
一般來講,電子變壓器對其鐵芯材料主要有以下要求:(1)高的飽和磁感;(2)盡可能低的高頻損耗;(3)高的初始磁導(dǎo)率;(4)高的居里溫度和良好的溫度穩(wěn)定性;(5)環(huán)境穩(wěn)定性好,對應(yīng)力不敏感;(6)有些用途如脈沖變壓器還要求高的矩形比Br/Bs或低 Br.非晶納米晶軟磁合金材料由于其帶厚和電阻率等因素決定在50~1000kHz范圍內(nèi)(通常在幾百kHz以下)能達(dá)到上述性能要求,這使得非晶納米晶合金目前在這一頻段內(nèi)開發(fā)應(yīng)用非常活躍,已研制成各種各樣的磁性器件廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)、電子工業(yè)及電力電子領(lǐng)域,用作電流互感器、開關(guān)電源、逆變電源和程控交換機(jī)電源的變壓器、電抗器、濾波器以及抗EMI 器件等.
3.非晶納米晶合金應(yīng)用中值得說明的幾個問題
雖然非晶納米晶合金在我國已有20余年的應(yīng)用歷史,但仍有不少使用者對這類材料應(yīng)用有些疑慮,本人認(rèn)為有必要在此說明一下:
(1).非晶納米晶合金的時效穩(wěn)定性問題 非晶合金是從液態(tài)金屬急冷而形成的,處于熱力學(xué)亞穩(wěn)定態(tài),有向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢.一旦發(fā)生嚴(yán)重晶化,合金磁性能將不復(fù)存在,故此有人擔(dān)心非晶納米晶合金鐵芯使用中會因時效導(dǎo)致性能惡化.但實際上這種擔(dān)心是多余的,一方面晶化要發(fā)生在非晶晶化溫度(>350℃)以上,而實際使用中電子器件的工作溫度不超過200℃,另一方面非晶納米晶合金鐵芯使用前均經(jīng)過300℃一小時以上的退火熱處理,結(jié)構(gòu)已相當(dāng)穩(wěn)定,國內(nèi)外這類鐵芯20余年的應(yīng)用歷史也表明不會發(fā)生時效而導(dǎo)致性能變化。
(2).非晶納米晶合金合金的溫度穩(wěn)定性問題 由表1可知非晶納米晶合金居里溫度為300~560℃,遠(yuǎn)高于鐵氧體等軟磁材料.實際用于軍工產(chǎn)品的溫度試驗結(jié)果也表明在-55~150℃范圍內(nèi), 非晶納米晶合金磁性能的變化在5~10%,滿足其性能要求,而且這種變化隨溫度是可逆的.因此該類合金材料具有良好的溫度穩(wěn)定性。
(3).非晶納米晶合金的耐沖擊振動問題 非晶納米晶合金制成的磁性器件的耐沖擊振動性能是非常可*的.非晶納米晶合金制品已成功應(yīng)用于軍工產(chǎn)品,這些電子產(chǎn)品都需要進(jìn)行嚴(yán)酷的耐沖擊振動試驗,有的高達(dá)30G,一般都是在鐵芯裝盒灌封后單獨或隨整機(jī)進(jìn)行試驗, 均未發(fā)生過性能惡化問題.對于民品來講更不會存在耐沖擊振動問題。
(4).非晶納米晶合金鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化問題 目前, 非晶納米晶鐵芯制品大多數(shù)情況下是用來替代其他軟磁材料如硅鋼、坡莫合金和鐵氧體,這種先入為主的原則決定了非晶納米晶合金鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)只能參照借用其它鐵芯規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),滿足用戶使用要求.好在大多數(shù)這類鐵芯都是合金薄帶卷繞制成的,工藝簡便,鐵芯尺寸靈活性大,可以依據(jù)用戶要求的尺寸規(guī)格來加工制造.當(dāng)然非晶納米晶合金的磁性能與其他材料不同,不能完全照搬其它材料鐵芯的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),有時也需要稍作調(diào)整。
4.值得關(guān)注的非晶納米晶軟磁合金材料研究進(jìn)展
非晶納米晶軟磁合金材料隨著納米科學(xué)技術(shù)和快淬技術(shù)迅速發(fā)展,不僅現(xiàn)已產(chǎn)業(yè)化的薄帶產(chǎn)品性能、質(zhì)量大大提高,而且還在研制開發(fā)非晶納米晶合金粉末及粉末制品、薄膜材料、復(fù)合材料等,這些新型納米材料的研制開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化將對電子變壓器行業(yè)產(chǎn)生極大的潛在影響。
作者認(rèn)為以下幾個方面值得電子變壓器行業(yè)同仁們關(guān)注:
(1).非晶納米 合金薄帶脆性大大改善 近些年來國外非晶薄帶生產(chǎn)企業(yè)已完全解決非晶制帶技術(shù)關(guān)鍵,生產(chǎn)出高性能高質(zhì)量合金薄帶,達(dá)到可以剪切加工.國內(nèi)企業(yè)積極進(jìn)行技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步,基本解決非晶制帶技術(shù)關(guān)鍵,一旦實現(xiàn)真正產(chǎn)業(yè)化突破,電子變壓器同仁們所擔(dān)心的沖剪問題就不存在了。
(2).非晶納米晶合金粉末及粉末制品開發(fā)應(yīng)用 非晶納米晶合金粉末及粉末制品研究開發(fā)拓寬了該類合金材料在電子技術(shù)領(lǐng)域,用作各種高頻電源的濾波電感、貯能電感和PFC技術(shù)中電感器件的磁粉芯產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化、系列化,其磁導(dǎo)率μe在100以內(nèi),基本滿足高頻電感器件的需要. 由于目前非晶納米晶合金粉末大多是以非晶薄帶破碎制粉,在粉末制備及納米晶化處理方面存在一些問題,難以采用常規(guī)粉末冶金工藝思路解決,如非晶粉末顆粒硬而扁平,成形加工難等.但如借助于納米科學(xué)技術(shù)及快速凝固技術(shù)是有可能獲得球形或近球形非晶納米晶粉末顆粒,這對粉末制品制備大大有利,且可以大大提高粉末磁芯性能。
這類材料研究開發(fā)在電子變壓器行業(yè)至少存在下列潛在應(yīng)用市場:
(1).電子變壓器用粉末磁芯,國外已有磁導(dǎo)率μe達(dá)到6000粉末鐵芯的研究報道,如這類粉末鐵芯用作電子變壓器磁芯,就可像目前鐵氧體生產(chǎn)那樣制備粉末鐵芯,但其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體材料,其影響可想而知.
(2).納米磁性液體的磁介質(zhì),納米磁性液體用作電子變壓器磁芯的研究開發(fā)工作正在受人關(guān)注. (3).非晶納米晶薄膜材料 非晶納米晶薄膜材料雖然其生產(chǎn)制備方法不同于我們現(xiàn)在使用快淬技術(shù),但作為對未來電子變壓器有著深遠(yuǎn)影響的新型納米晶材料,值得同仁們關(guān)注. 隨著表面安裝技術(shù)、器件集成化技術(shù)和微制造技術(shù)迅速發(fā)展,把電子設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化及微型化向前推進(jìn)了一大步,實現(xiàn)上述要求的重要手段就是提高它的工作頻率.傳統(tǒng)軟磁鐵氧體材料雖然其電阻率高,但飽和磁感太低,工作頻率只能到5~10MHz,超過這一頻率其晶界將出現(xiàn)部分"短路",磁芯損耗急劇增加,導(dǎo)致磁性下降,因而超過上述頻率后大都使用金屬薄膜材料,研究開發(fā)應(yīng)用新型具有高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料也就有了應(yīng)用市場,這也為非晶納米晶薄膜、顆粒膜等材料開發(fā)應(yīng)用提供了空間.另外由于目前研制的高電阻率和高飽和磁感的薄膜磁芯材料基本上都是采用濺射或電鍍等工藝制備,這些工藝和設(shè)備早已應(yīng)用于工業(yè)大生產(chǎn)中,這也將大大有利于非晶納米晶薄膜材料、顆粒膜材料等產(chǎn)業(yè)。
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