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CMF实验室 - 磁性材料

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CMF实验室 | 磁性材料

在产品设计中,有这样一种特殊材料,既让人爱,又让人恨,那就是磁性材料。不少设计师的黑科技设计都采用了这样一种材料,比如我们接触普遍的磁悬浮产品设计创意,无疑就是采用了这样的材料设计。那么对于磁性材料,你了解多少?

01

什么是磁性材料

物质大都是由分子组成的,分子是由原子组成的,原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部,电子不停地自转,并绕原子核旋转,电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中,电子运动的方向各不相同、杂乱无章,磁效应相互抵消。因此,大多数物质在正常情况下,并不呈现磁性。

CMF实验室 | 磁性材料
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铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同,它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来,形成一个自发磁化区,这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后,内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来,使磁性加强,就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程,磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力,铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。

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02

磁性能参数

饱和磁感应强度Bs:其大小取决于材料的成分,它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。

剩余磁感应强度Br:是磁滞回线上的特征参数,H回到0时的B值。

矩形比:Br∕Bs

矫顽力Hc:是表示材料磁化难易程度的量,取决于材料的成分及缺陷(杂质、应力等)。

磁导率μ:是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值,与器件工作状态密切相关。

居里温度Tc:铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降,达到某一温度时,自发磁化消失,转变为顺磁性,该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。

损耗P:磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ,ρ 降低,降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc;降低涡流损耗Pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为:总功率耗散(mW)/表面积(cm2)

 

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03

磁性材料的分类及应用

磁性材料是应用广泛、品种繁多的重要功能材料,按应用类型可以分为软磁、永磁等材料。

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永磁材料,是具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁,一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中,永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

软磁材料,具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化,也易于退磁,广泛用于电工设备和电子设备中。应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等 。

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永磁材料的应用:

①基于电磁力作用原理的应用主要有:扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。
②基于磁电作用原理的应用主要有:磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。
③基于磁力作用原理的应用主要有:磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有:磁疗、磁化水、磁麻醉等。

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软磁材料的应用:

主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。

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04

不同磁性材料的特点及加工工艺

几种常用磁铁的磁力从大到小排列为:钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁。

钕铁硼永磁材料

钕铁硼(NdFeB)永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料。

优点:1. 磁性能高于稀土钴永磁,剩余磁感应强度,磁感应矫顽力,最大磁能积都很高,是目前磁性能最好的永磁体;2. 性价比高,由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍,铁与硼的价格也很便宜,同时又不含战略物资钴。这也是为什么钕铁硼迅速得到广泛运用推广的原因。

缺点:1. 居里温度低,温度系数高,因而在高温下使用时磁损失较大且磁性能热稳定性较差;2. 由于含有大量的铁和钕,容易锈蚀。

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钐钴磁铁

钐钴磁铁又称钐钴磁钢、钐钴永磁体、钐钴永久磁铁、钐钴强磁铁、稀土钴永磁等。是由钐、钴和其它金属稀土材料经配比,溶炼成合金,经粉碎、压型、烧结后制成的一种磁性材料。具有高磁能积、极低的温度系数。最高工作温度可达350℃,负温不限,在工作温度180℃以上时,其最大磁能积及温度稳定性和化学稳定性均超过钕铁硼永磁材料。具有很强的抗腐蚀和抗氧化性;所以被广泛应用在航空航天、国防军工、微波器件、通讯、医疗设备、仪器、仪表、各种磁性传动装置、传感器、磁处理器、电机、磁力起重机等。

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钐钴磁铁生产流程:配料 → 熔炼制锭→ 制粉 → 压型 → 烧结回火 → 磁性检测 → 磨加工 →切销加工 → 成品。

钐钴磁铁形状:圆片、圆环、方片、方条、瓦形、特殊形状可根据要求加工。

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铝镍钴磁铁

铝镍钴磁铁特点:是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状,可加工性好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数,工作温度可高达600℃以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。

铝镍钴磁铁分类:可分为铸造铝镍钴和烧结铝镍钴两大类。

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铝镍钴应用场所:铸造铝镍钴产品主要应用于汽车零件、仪器仪表、电声、电机、教学以及航天航空军用等领域,具有温度系数低、耐高温、耐潮湿、不易氧化以及工作稳定性好等优点。烧结铝镍钴采用粉末冶金的方法生产而成,适合于生产形状复杂、轻、薄、小的产品,广泛应用于仪器仪表、通讯、磁电开关及各种传感器。

铝镍钴磁铁形状:可生产圆柱形、圆环形、长方体形、扁形、瓦形、马蹄形。

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铁氧体磁铁

特点:它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成,质地比较硬,属脆性材料,由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中,已成为应用最为广泛的永磁体。

特性:具有较高的磁性能,较好的时间稳定性和较低的温度系数。

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铁氧体磁铁应用场所:广泛应用于电表、仪表、电机、自动控制、微波器件、雷达和医疗器械等。

铁氧体磁铁充磁方向:可轴向、径向或按要求充磁。

铁氧体磁铁形状:可生产圆柱形、圆环形、长方体形、扁形、瓦形,斧状。

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