電力電子中高頻軟磁材料的研究進(jìn)展

劉君昌，梅云輝，陸國權(quán),2

(1 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2 弗吉尼亞理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，弗吉尼亞 黒堡 24061)

電力電子中高頻軟磁材料的研究進(jìn)展

劉君昌1，梅云輝1，陸國權(quán)1,2

(1 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2 弗吉尼亞理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，弗吉尼亞 黒堡 24061)

隨著電力電子行業(yè)的飛速發(fā)展，新型電磁材料的投入使用，對電子元器件的高頻磁性能提出了新的要求。磁芯作為電子元器件的核心部件，其發(fā)展程度直接決定電子元器件的性能，這就要求具有優(yōu)異高頻軟磁性能的材料發(fā)展。本文綜述了四種軟磁材料的發(fā)展歷程，對每種軟磁材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，同時(shí)指出了未來的發(fā)展方向，并重點(diǎn)對近年來研究熱門的軟磁復(fù)合材料進(jìn)行了梳理。粒徑大小可控、包覆層對核層的包覆均勻程度以及從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的大批量制備方法是未來高頻軟磁復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。

電力電子；軟磁材料；高頻低損；低矯頑力

電力電子行業(yè)的飛速發(fā)展，大至高壓輸電，以變壓器為核心的輸變電系統(tǒng)；小至電子元器件，以電感、電子變壓器為核心的電力電子變頻設(shè)備，即微電子領(lǐng)域，都面臨著高頻率、高功率轉(zhuǎn)換、高能流密度的挑戰(zhàn)，而這都離不開其關(guān)鍵因素—軟磁材料的發(fā)展[1-3]。高頻軟磁材料是制造大功率變壓器、電感、電子變壓器等器件的主要成分，因此高頻軟磁材料的發(fā)展水平直接決定電力電子領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。

軟磁材料由于具有低矯頑力、低剩磁、高飽和磁化強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電力電子行業(yè)中[4]。電感、電子變壓器等器件作為電力電子變頻設(shè)備中的核心部件，高磁導(dǎo)率、高頻低磁損是未來的發(fā)展趨勢，因此長期以來國內(nèi)外的專家學(xué)者一直在為提高電磁元器件的能流密度、減小部件尺寸和質(zhì)量、提高材料的飽和磁化強(qiáng)度、降低高頻下的渦流損耗而努力[5,6]，包括器件結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新和材料成分上的創(chuàng)新。例如變壓器，采用層狀硅鋼材料，而不是一整塊鐵芯，就是從結(jié)構(gòu)上提高高頻使用性能的代表；后期科研工作者又從材料本身創(chuàng)新，從最早的金屬基材料，到鐵氧體、非晶納米晶，再到現(xiàn)在的軟磁復(fù)合材料，性能由低到高，成分由簡單到復(fù)雜，已經(jīng)發(fā)展成為多種類的軟磁材料體系，為現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐[7,8]。

幾種軟磁材料的應(yīng)用背景不盡相同，在各自的領(lǐng)域各司其職，如硅鋼主要應(yīng)用于變壓器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的核心部件；鐵氧體主要應(yīng)用于開關(guān)電源以及電源適配器中的電感、濾波器等元件；非晶納米晶和軟磁復(fù)合材料雖然發(fā)展較晚，但是有望取代甚至已經(jīng)部分取代傳統(tǒng)軟磁材料。不過作為軟磁材料體系，都是朝著高頻低損耗、高磁導(dǎo)率、高能流密度的方向發(fā)展[9,10]，因此提高軟磁材料的高頻性能、降低高頻應(yīng)用背景下的損耗成為近年來軟磁材料的研究熱點(diǎn)。

例如器件高頻應(yīng)用情況下的渦流損耗(We)，正常工作情況下，磁損可分為磁滯損耗(Wh)和渦流損耗(We)，其中Wh=f∮HdB[11]，也可以表達(dá)為Wh=kAf[12]，A代表磁滯回線的面積，二者表達(dá)意義相同，We=CB2f2d2/ρ[11]，因此材料在正常工作頻率下，磁損可表述為：

W=Wh+We=f∮HdB+CB2f2d2/ρ

(1)

從式(1)中可以看出，磁滯損耗與f成正比，渦流損耗與f的平方呈正比，因此在中高頻下，材料的渦流損耗將逐漸主導(dǎo)能量傳輸損耗的大小。試舉一例：當(dāng)電子器件工作頻率從1kHz提高到100kHz時(shí)，理論上，Wh將提高100倍，而We則提高到了10000倍，因此對于高頻應(yīng)用的磁芯來說，降低磁芯材料的渦流損耗至關(guān)重要。由公式(1)得出，渦流損耗與材料的電阻率成反比，因此通常采用提高電阻率的方法來降低材料的渦流損耗，軟磁復(fù)合材料的誕生主要源于此方面的原因，國內(nèi)外的科研工作者也通過各種途徑在盡可能少地影響磁導(dǎo)率的情況下，把提高軟磁復(fù)合材料的電阻率作為研究重點(diǎn)，具體實(shí)施方式為制備核殼結(jié)構(gòu)的軟磁復(fù)合材料，該結(jié)構(gòu)是以磁粉作為核，有機(jī)和無機(jī)的絕緣添加物作為殼，構(gòu)成復(fù)合材料體系，近年來此方面的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣[4,13]。

1 軟磁材料的研究進(jìn)展

盡管四種軟磁材料的出現(xiàn)順序不同，近年來的受重視程度也有區(qū)別，但每種材料的存在各有千秋，表1列出了四種常見軟磁材料目前主要存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 四種軟磁材料的主要優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of four types of soft magnetic materials

1.1 金屬基材料

軟磁材料的發(fā)展就是從純鐵開始的，1823年斯特金制造的第一塊簡易電磁鐵，標(biāo)志著軟磁材料的誕生。起初，人們使用鐵含量在99.5%以上的優(yōu)質(zhì)鋼作為磁體，此種材料具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是純鐵電阻率低，矯頑力也較大，限制了它的使用范圍，一般只在直流狀態(tài)下使用。隨著科技的發(fā)展以及對材料性能要求的提高，人們逐漸在鐵中加入其他元素，從最早的Fe-Si系、Fe-Co系、Fe-Ni系二元合金發(fā)展為后來的Fe-Ni-Co系、Fe-Si-B系等多元合金[14-16]。1902年Barrett等[16]通過在體系中添加Si，并在氣氛保護(hù)下，經(jīng)長時(shí)間高溫退火，改善了熱軋鋼的磁性能，并于1903年美國投入生產(chǎn)。后來隨著冷軋技術(shù)的發(fā)展，人們通過冷軋工藝研究出來有特定取向的硅鋼，這種雙取向硅鋼大大提高了硅鋼片的磁性能[14]。后期科研工作者又研究出FeCo合金，相較于純Fe、Fe-Si系合金，F(xiàn)eCo合金具有更高的居里溫度(Tc>940℃)，更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bs>2.0 T)，但是由于FeCo合金渦流損耗較高，只適合在直流和低頻下使用[15]。因此后來又出現(xiàn)了Fe-Al系、Fe-Ni系等二元合金，直到后來的Fe-Ni-Co系、Fe-Si-B三元合金，甚至后來的多元合金[17]。這些合金通過不斷改善加工工藝，提高了材料的綜合軟磁性能。直到現(xiàn)在關(guān)于金屬基軟磁材料的研究仍在繼續(xù)，例如：新能源汽車在石油能源日益枯竭以及環(huán)境的日益惡化的大背景下成為未來汽車的發(fā)展趨勢，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的三大核心部件之一，汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求體積小、高能流密度以及高的可靠性等，因此無取向硅鋼成為電機(jī)系統(tǒng)的核心部件，這一關(guān)鍵材料我國尚不能工業(yè)化生產(chǎn)[18]。日本在這一方面處于壟斷地位，其中新日鐵、住友金屬在這方面投入了大量研究，近年來也申請了很多專利，在保證高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí)，主要通過固溶強(qiáng)化[19,20]、析晶強(qiáng)化[21,22]等提高電工鋼的強(qiáng)度以滿足汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求。孫乃坤等[23]研究了B摻雜對SmFe10Mo2合金的相結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，結(jié)果表明，摻雜B后，合金相的結(jié)構(gòu)保持不變，居里溫度由270℃提高到334℃，顯著提高了合金的使用溫度。隨著電力電子領(lǐng)域?qū)洿挪牧掀骷⌒突?、輕量化、高頻化要求的提高，科研人員在金屬基軟磁材料的成分組成、晶粒尺寸大小等方面開展了大量的研究，從而導(dǎo)致組成成分較為多元的、性能優(yōu)良的細(xì)晶金屬基軟磁材料飛速發(fā)展。由于金屬材料的低居里溫度、低電阻率等特征，提高金屬基軟磁材料的使用溫度，降低高頻下的渦流損耗是金屬基軟磁材料未來的發(fā)展方向。

1.2 軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體最早是由荷蘭實(shí)驗(yàn)室的Snoek于1935年研制成功[24]，其相比金屬基材料具有更大的電阻率，更低的高頻渦流損耗，因此在高頻情況下得以廣泛應(yīng)用。軟磁鐵氧體按晶體結(jié)構(gòu)可分為立方晶系的尖晶石型(適于低頻、中頻和高頻)和六角晶系的磁鉛石型(適于特高頻，可達(dá)2GHz)[25]。常見的軟磁鐵氧體材料有Mg-Zn，Cu-Zn，Ni-Zn，Mn-Zn等系列，其中，Mn-Zn鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大[26,27]。20世紀(jì)50～80年代是軟磁鐵氧體發(fā)展的黃金時(shí)代，占據(jù)了除電力工業(yè)之外的各個(gè)領(lǐng)域。我國在20世紀(jì)50年代才開始軟磁鐵氧體材料的研發(fā)與應(yīng)用，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家差距較大，整個(gè)60年代材料的性能以及制備工藝都是很緩慢的。到了70年代，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠研制出磁導(dǎo)率為10000的高磁導(dǎo)率鐵氧體材料，80年代，由于彩色電視機(jī)的迅猛發(fā)展，對電源濾波器的要求較高，不少企業(yè)開始投入大量的研究，已經(jīng)開發(fā)出初始磁導(dǎo)率5000的鐵氧體材料[28]。盡管軟磁鐵氧體的電阻率高，在高頻下的渦流損耗較小，但是Bs僅為金屬基軟磁材料的1/4左右，因此，各國科研工作者和企業(yè)都投入了大量的物力和人力，通過調(diào)節(jié)燒結(jié)氣氛，控制燒結(jié)工藝以及稀土等微量元素的摻雜等來提高軟磁鐵氧體的性能[29,30]。陸國權(quán)小組[31]研究了Bi2O3摻雜NiCuZn鐵氧體，并控制其燒結(jié)溫度對磁性能的影響，結(jié)果表明：燒結(jié)溫度低時(shí)，不利于提高器件的密度，因此導(dǎo)致較低的磁導(dǎo)率，當(dāng)燒結(jié)溫度為1000℃時(shí)，材料磁導(dǎo)率升高，能量損耗密度也達(dá)到最低。張興凱等[30]用溶膠-凝膠自燃燒法研究了鑭摻雜對鋇鐵氧體納米粉體的影響，得出鑭摻雜對后續(xù)熱處理過程中的晶粒長大有抑制作用，對于合成的產(chǎn)物顆粒大小有一定的細(xì)化作用，且在較高的熱處理溫度下更為明顯，進(jìn)而影響粉體的磁性能；隨鑭摻雜量的提高，獲得純相鐵氧體粉體的溫度也隨之升高。馬玉啟等[32]研究了Sn4+取代對NiZn功率鐵氧體磁性能的影響，結(jié)果表明：隨Sn4+取代量的增加，晶格常數(shù)逐漸增大，但是晶粒尺寸變化不大，飽和磁通密度Bs逐漸下降，起始磁導(dǎo)率μi先上升后下降，功率損耗Pcv的變化則與μi相反。當(dāng)Sn4+取代量為0.04時(shí)，NiZn功率鐵氧體具有較高的起始磁導(dǎo)率和較低的功率損耗，且功率損耗隨溫度的上升而降低，因此適于使用溫度較高的電源變壓器功率磁芯使用。近年來，隨著電子產(chǎn)品向超薄微型化發(fā)展，對軟磁鐵氧體提出了更小體積、更高功效的要求，其核心問題就是控制材料的顯微結(jié)構(gòu)，采用納米級尺度的添加物粉體代替原微米尺寸的粉體，有利于更好地控制晶粒尺寸，進(jìn)而可以制備出密度高、晶粒細(xì)小均勻的納米材料，因此納米級軟磁鐵氧體材料的制備成為國際研究的熱點(diǎn)。

1.3 非晶/納米晶

1.3.1 非晶

非晶態(tài)磁性材料由于具有短程有序、長程無序的特點(diǎn)，不具有磁晶各向異性，因此相比于鐵氧體材料具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力等優(yōu)良的綜合軟磁性能。1967年美國加州理工學(xué)院的Duwez學(xué)者從液相中快速淬火，得到Fe75-P15-C10非晶合金[33]，從此開啟了人們對非晶合金的研究。隨著非晶制備技術(shù)的發(fā)展以及對非晶軟磁性能的認(rèn)識，F(xiàn)e-Co基非晶合金逐漸得到了人們的關(guān)注，起初研究者在Fe-Co二元晶態(tài)合金中添加20%(摩爾分?jǐn)?shù))不同配比的Si，B，C，P等類金屬非磁性元素，來提高非晶合金的形成能力，從而研制出了Fe-Co基非晶軟磁材料，F(xiàn)e-Co基非晶合金具有Fe基非晶合金高的Bs和Co基非晶合金接近于0的磁致伸縮系數(shù)，磁導(dǎo)率和居里溫度也較Fe基非晶高等優(yōu)點(diǎn)[34,35]。此外非晶合金還具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，早在2004年，日本的Inoue課題組就通過調(diào)節(jié)各組分的含量，F(xiàn)eCoBSiNb體系的斷裂強(qiáng)度就超過了4000 MPa[36]。2001年，趙玉華等[37]研究了退火溫度對CoFeNbSiB體系的磁性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)退火溫度(Ta)低于470℃時(shí)，合金具有很好的軟磁性能；當(dāng)Ta提高到540～560℃時(shí)，矯頑力明顯增加，在弱場下的磁化強(qiáng)度變得很低，軟磁性能明顯下降；當(dāng)繼續(xù)提高退火溫度，Ta高于580℃時(shí)，開始向晶態(tài)轉(zhuǎn)變，有Co-B，F(xiàn)e-B及其化合物析出，磁性反而有所改善。但由于非晶合金中需要添加非磁性的類金屬元素以提高非晶形成能力，因此一般非晶合金的Bs比晶態(tài)的低。另外由于非晶合金處于非平衡態(tài)，在較高的溫度下有向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，因此提高非晶合金的高溫穩(wěn)定性是非晶合金的發(fā)展趨勢。日本著名科學(xué)家Inoue在非晶軟磁材料領(lǐng)域具有很高的造詣，直到現(xiàn)在還在開展相關(guān)方面的研究[35,38,39]。

1.3.2 納米晶

1988年日本學(xué)者Yamauchi通過在Fe-Si-B合金體系中添加Cu和Nb兩種元素，在超過體系晶化溫度以上，通過熱處理，得到了10nm左右的FeSiBCuNb(FINEMET)納米晶材料[15]，F(xiàn)INEMET比Fe基非晶合金具有低的磁致伸縮系數(shù)，低于Fe基非晶合金和Mn-Zn鐵氧體材料的能量損耗，因此受到了科研工作者極大的關(guān)注。但由于Fe基納米晶低的居里溫度(Tc<300℃)，2001年，Laughlin小組[40]用Co代替FeZrBCu非晶合金(NANOPERM)中的部分Fe，得到了非晶和納米晶共存的FeCoZrBCu合金(HITPERM)，HITPERM典型的組成成分為Fe44Co44-Zr7B4Cu，Bs可達(dá)到2T，居里溫度約為960℃，提高了材料的高溫穩(wěn)定性。2014年，浙江大學(xué)的熊亞東等[41]采用熔體快淬法先制備出Fe73.5CuNb3Si13.5B9非晶條帶，然后通過高能球磨打碎成磁粉，在磷酸溶液中進(jìn)行鈍化，最后在1.64～1.96GPa壓力下壓制成磁環(huán)，并經(jīng)過500℃退火處理以消除應(yīng)力，制備出了晶粒大小為14.3nm的非晶和納米晶兩相共存的合金。測試結(jié)果表明：合金呈現(xiàn)出了優(yōu)良的磁性能，在100 kHz，0.1T測試條件下，能量損耗密度為583 mW/cm3。

20世紀(jì)90年代后期，非晶和納米晶軟磁材料逐漸成為軟磁鐵氧體的競爭對手，其在性能上遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體，可以說非晶納米晶材料的出現(xiàn)為軟磁材料增添了高性能的新材料。但是在制備成本上相比于鐵氧體還處于劣勢，因此在中低端市場上競爭力不如軟磁鐵氧體，但是在高技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開始嶄露頭角。如今解決非晶合金的高溫穩(wěn)定性，抑制納米晶的晶粒長大，降低生產(chǎn)成本，提高非晶納米晶材料的產(chǎn)量是當(dāng)前制備非晶納米晶材料面臨的問題。

1.4 軟磁復(fù)合材料

圖1 軟磁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of the component elements of a powder core

有機(jī)包覆方面，陸國權(quán)小組[51]將苯并環(huán)丁烯(BCB)溶解在甲苯和丙酮組成的溶劑中，對坡莫合金進(jìn)行包覆，經(jīng)過脫溶、烘干步驟，得到核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料粉末，將粉末成型固化得到磁環(huán)，最后對得到的磁環(huán)進(jìn)行復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率和能量損耗密度等磁性能測試。結(jié)果表明，相對于純坡莫合金粉末，合金粉占84%(體積分?jǐn)?shù))的復(fù)合材料，應(yīng)用頻率至少在10MHz時(shí)仍然保持較好的磁性能，而純粉末在1MHz時(shí)，磁性能就已經(jīng)開始下降，應(yīng)用頻率至少提高了10倍。能量損耗密度測試結(jié)果表明，在5MHz，9mT測試情況下，能量損耗密度為300mW/cm3，而純坡莫合金在5MHz，1mT的情況下，能量損耗密度值就已經(jīng)達(dá)到了300mW/cm3，結(jié)果如圖2所示。此種方法制備的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，相比于化學(xué)制備方法而言，一次可以制備的量較大。此外BCB的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)350℃，因此可以滿足絕大多數(shù)日常使用的電源適配器、功率轉(zhuǎn)換器等。

圖2 純坡莫合金與84%復(fù)合材料的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率(a)和功率損耗密度對比(b)[51]Fig.2 Complex permeabilities (a) and core loss densities (b) for pure permalloy core, 84% permalloy + BCB composite[51]

無機(jī)包覆方面，南京大學(xué)的鐘偉等[43]研究用溶膠凝膠聯(lián)合高溫氫氣還原的方法制備Fe-SiO2復(fù)合材料，制備的Fe核粒徑大小為5～10nm，SiO2殼的厚度為0.5nm。復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率測試結(jié)果表明，在1GHz時(shí)，材料的磁導(dǎo)率實(shí)部(μ′)仍然保持穩(wěn)定，虛部(μ″)仍然保持在一個(gè)很低的數(shù)值，有效地降低了材料的渦流損耗，提高了使用頻率。

Liu等[46]也是采用溶膠凝膠的方法制備FeNi3-Al2O3復(fù)合材料，通過調(diào)節(jié)Al3+的濃度來控制Al2O3層的厚度，結(jié)果表明，當(dāng)Al3+摩爾分?jǐn)?shù)為20%，在1GHz時(shí)，磁導(dǎo)率實(shí)部(μ′)仍高達(dá)12，虛部(μ″)仍保持在很低的數(shù)值，顯著提高了材料的使用頻率。

長春工業(yè)大學(xué)的昝朝等[28]則是研究了Fe基微胞結(jié)構(gòu)的軟磁復(fù)合材料，制備過程主要分為兩個(gè)階段，包覆過程和放電等離子燒結(jié)過程(SPS)，選擇高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的Fe-6.5Si微米粉為核，高電阻率的Ni0.5-Zn0.5Fe2O4為殼，通過SPS燒結(jié)，在燒結(jié)溫度480℃和燒結(jié)壓力600MPa條件下制備的金屬-陶瓷微胞結(jié)構(gòu)的塊狀軟磁材料Fe-6.5Si/Ni0.5Zn0.5Fe2O4，電阻率達(dá)到了1.679×104μΩ·mm，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到1.505T，總損耗為23.39W/kg，為后續(xù)開發(fā)其他微胞結(jié)構(gòu)的材料提供了參考依據(jù)。

軟磁復(fù)合材料相比非晶納米晶具有較高的電阻，相比于鐵氧體又有更高的飽和磁化強(qiáng)度，因此制作的器件體積可以更小，在一些應(yīng)用范圍內(nèi)可以取代鐵氧體，其市場需求量也日益增長[52]。但當(dāng)前包覆層的添加量以及包覆厚度、均勻程度是軟磁復(fù)合材料面臨的主要問題，因?yàn)榘矊拥奶砑恿窟^多勢必會引起整體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的降低，太少又不能有效地起到降低渦流損耗的作用；此外目前軟磁復(fù)合材料的制備主要集中在溶膠凝膠法、水熱法等化學(xué)研究階段，還不能大量生產(chǎn)，因此大批量高效的制備方法、粒徑大小可控、包覆層厚度均勻等是未來軟磁復(fù)合材料需要解決的問題。

2 應(yīng)用及發(fā)展

近年來，電力電子用高頻電感器、功率轉(zhuǎn)換器、大功率變壓器等器件設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，然而在飛速發(fā)展的同時(shí)，也遇到了很多問題，尤其是高頻應(yīng)用面臨的渦流損耗問題，亟須高電阻率、高能流密度、低磁損、低矯頑力的軟磁材料發(fā)展。目前以硅鋼為代表的金屬基軟磁材料主要應(yīng)用于高功率變壓器，新能源的電機(jī)系統(tǒng)等，變壓器中面臨的主要是硅鋼的高頻渦流損耗問題；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)則需要硅鋼的高強(qiáng)度來保證高的轉(zhuǎn)矩以應(yīng)對復(fù)雜工況，同時(shí)還要保證高的μi提高能量轉(zhuǎn)化率和效率，因此增加電阻率以降低變壓器的能量損失；提高機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)也提高磁導(dǎo)率以增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高轉(zhuǎn)換效率是未來的發(fā)展趨勢，主要通過熱處理(包括激光退火)、制備多元合金、固溶，析晶強(qiáng)化以及細(xì)化晶粒等手段對金屬基軟磁材料進(jìn)行磁性能和力學(xué)性能的改性。軟磁鐵氧體根據(jù)種類不同，主要應(yīng)用于以通訊設(shè)備和寬、低頻變壓器為代表的電子產(chǎn)品和以高頻開關(guān)電源為代表的電子元器件，前者要求具有高的磁導(dǎo)率(μi>10000)，高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢則是體積小、質(zhì)量輕以及高頻段，因此進(jìn)一步提高磁導(dǎo)率、提高和加寬工作頻率、降低損耗、滿足寬溫區(qū)間和微型化是未來的發(fā)展目標(biāo)，主要通過元素?fù)诫s和Ca，Si，Ta，Nb等氧化物的添加，提高晶界電阻的同時(shí)細(xì)化晶粒，以及采用納米級的添加物粉體對晶界顯微結(jié)構(gòu)的控制等手段對鐵氧體性能進(jìn)行改進(jìn)。非晶納米晶材料由于高電阻率、高磁導(dǎo)率、低矯頑力等特征，是高頻變壓器、互感器的理想材料，成為軟磁材料的又一發(fā)展方向和熱點(diǎn)，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。用非晶納米晶制成的器件具有質(zhì)量輕、體積小、磁性能好等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)有前景，尤其體現(xiàn)在高技術(shù)領(lǐng)域，但由于制備技術(shù)限制導(dǎo)致成本較高，熱穩(wěn)定性欠佳，因此提高高溫穩(wěn)定性、降低制備成本是亟待解決的問題，目前主要采用摻雜非磁類元素提高非晶的成形能力以及采用不同的熱處理工藝提高非晶納米晶的磁性能。軟磁復(fù)合材料由于具有比非晶納米晶更高的電阻，比鐵氧體更高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，在最近十幾年取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。其結(jié)構(gòu)大多以核殼結(jié)構(gòu)居多，歐洲、美國、澳大利亞等一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)用軟磁復(fù)合材料來研究電機(jī)系統(tǒng)，發(fā)展前景極好。當(dāng)前軟磁復(fù)合材料主要面臨兩大問題：一是包覆層的添加量以及厚度和均勻程度，因?yàn)樘砑恿亢桶簿鶆虺潭榷紩Σ牧系拇判阅軜?gòu)成影響，并進(jìn)一步影響成品的性能；二是大批量的高效制備方法。因此開發(fā)更多高效大批量的制備方法、核殼層的尺寸等顯微結(jié)構(gòu)和控制包覆層的厚度和均勻程度是軟磁復(fù)合材料研究的主要目標(biāo)。

3 結(jié)束語

由于衡量磁性材料性能的參數(shù)比較多，拋開力學(xué)性能僅就磁性能而言，就包括磁導(dǎo)率、飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、高頻情況下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率以及功率損耗等，因此在實(shí)際使用中需要全面權(quán)衡軟磁材料的成本、綜合磁性能等因素而選擇合適的材料，所以盡管金屬基軟磁材料發(fā)現(xiàn)最早，但仍然占據(jù)自己的一席之地，其余三種軟磁材料在各自的領(lǐng)域也各司其職。

金屬基、非晶納米晶以及鐵氧體三種軟磁材料發(fā)展時(shí)期較長，研究也更為成熟，因此若想在這方面有大的創(chuàng)新就變得比較困難，與幾十年前相比，成分和工藝的創(chuàng)新已經(jīng)變得緩慢很多。而發(fā)展最晚的軟磁復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的高頻性能，近年來吸引了各國科研工作者大量的研究。因?yàn)檐洿艔?fù)合材料至少包括核和殼兩種不同的成分，研究方法也包括種類繁多的化學(xué)法和物理法，因此在這方面呈現(xiàn)了廣闊的研究前景。尤其是近年來飛速發(fā)展的電力電子業(yè)對高頻化的特殊要求，正迎來了軟磁復(fù)合材料發(fā)展的新契機(jī)，但也正是因?yàn)槠鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)，想實(shí)現(xiàn)包覆層對核層的均勻包覆以及從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的大批量制備方法還需共同努力。

[1] BAI H, MI C. Transients of Modern Power Electronics [M]. New York: John Wiley & Sons Ltd, 2011.249-268.

[2] 趙爭菡，汪友華，凌躍勝. 電力電子變壓器中高頻變壓器磁芯和繞組特性的研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

ZHAO Z H, WANG Y H, LING Y S. Research on high-frequency transformer’s magnetic core and winding characteristic in power electronic transformer [D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2014.

[3] 范躍農(nóng)，馮則坤，陳中艷，等. 電感器用Ni-Cu-Zn鐵氧體薄膜的設(shè)計(jì)與性能研究[J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2012, 27(4): 375-378.

FAN Y N, FENG Z K, CHEN Z Y, et al. Design and performannce of Ni-Cu-Zn ferrite film for inductor [J]. Journal of Inorganic Materials, 2012, 27(4): 375-378.

[4] SHOKROLLAHI H, JANGHORBAN K. Soft magnetic composite materials (SMCs) [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 189(1): 1-12.

[5] ROSHEN W A. A practical, accurate and very general core loss model for nonsinusoidal waveforms [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(1): 30-40.

[6] CHEN T, ROGOWSKI D A, WHITE R M. Microstructure and magnetic properties of electroless Co-P thin films grown on an aluminum base disk substrate [J]. Journal of Applied Physics, 2008, 49(3): 1816-1818.

[7] ZHANG W L, MU M K, HOU D B, et al. Characterization of low temperature sintered ferrite laminates for high frequency point-of-load (POL) converters [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(11): 5454-5463.

[8] 都有為. 磁性材料新近進(jìn)展[J]. 物理，2006, 35(9): 730-739.

DU Y W. Development of magnetic materials in recent years [J]. Physics, 2006, 35(9): 730-739.

[9] LEARY A M, OHODNICKI P R, MCHENRY M E. Soft magnetic materials in high-frequency, high-power conversion applications [J]. Journal of the Minerals Metals & Materials Society, 2012, 64(7): 772-781.

[10] HAN Y, CHEUNG G, LI A, et al. Evaluation of magnetic materials for very high frequency power applications [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(1): 425-435.

[11] BRAUER J R, CENDES Z J, BEIHOFF B C, et al. Laminated steel eddy-current lossversusfrequency computed using finite elements [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, 36(4): 1132-1137.

[12] ZHAO Y W, ZHANG X K, XIAO J Q. Submicrometer laminated Fe/SiO2soft magnetic composites-an effective route to materials for high-frequencyapplications [J]. Advanced Materials, 2005, 17(7): 915-918.

[13] RODRIGUES L K, JEWELL G W. Model specific characterization of soft magnetic materials for core loss prediction in electrical machines [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(11): 1-4.

[14] LIOU S H, GE S H, TAYLOR J N, et al. Enhanced magnetism in amorphous Fe-based alloys [J]. Journal of Applied Physics, 1987, 61(8): 3243-3245.

[15] YOSHIZAWA Y, OGUMA S, YAMAUCHI K. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure [J]. Journal of Applied Physics, 1988, 64(10): 6044-6046.

[16] BARRETT W F, BROWN W, HADFIELD R A. Researches on the electrical conductivity and magnetic properties of upwards of one hundred different alloys of iron [J]. Energy Sources, 1902, 24(2): 115-126.

[17] 周磊，金自立，張羊換，等. 鐵鈷基軟磁材料合金化的研究進(jìn)展[J]. 金屬功能材料，2006, 13(6): 37-41.

ZHOU L, JIN Z L, ZHANG Y H, et al. FeCo-based soft magnetic material’s addition element and its development [J]. Metallic Functional Materials, 2006, 13(6): 37-41.

[18] 龔堅(jiān)，羅海文. 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)用高強(qiáng)度無取向硅鋼片的研究與進(jìn)展[J]. 材料工程，2015, 43(6):102-112.

GONG J, LUO H W. Progress on the research of high-strength non-oriented silicon steel sheets in traction motors of hybrid/electrical vehicles [J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(6):102-112.

[19] 新日本制鐵株式會社. 無方向性電磁鋼板[P]. 中國專利: 102292462A, 2011-12-21.

[20] Nippon Steel Corporation. High-strength high-frequency non-oriented electrical steel sheet [P]. Japan Patent: 2011-184787, 2011-09-22.

[21] Sumitomo Metal Industries Ltd. Non-oriented electrical steel sheet and production pr℃ess thereof [P]. United States Patent: US 7922834, 2011-04-12.

[22] Nippon Steel Corporation. High-tensile-strength non-oriented steel sheet with low iron loss at high frequency [P]. Japan Patent: 2011-184787, 2011-09-22.

[23] 孫乃坤，杜勝杰，郭杰. B摻雜對SmFe10Mo2合金的結(jié)構(gòu)及磁性的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào)，2015, 29(1): 55-59.

SUN N K, DU S J, GUO J. Effect of B-doping on microstructure and magnetic properties of SmFe10Mo2Alloy [J]. Chinese Journal of Materials Research, 2015, 29(1): 55-59.

[24] 趙占奎，鄧娜，昝朝，等. 高性能軟磁材料的研究進(jìn)展[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012, 33(5): 521-528.

ZHAO Z K, DENG N, ZAN Z, et al. Progress in research of high performance soft magnetic materials [J]. Journal of Changchun University of Technology (Natural Science Editon), 2012, 33(5): 521-528.

[25] 劉淵，劉祥萱，王煊軍. 鐵氧體基核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合吸波材料研究進(jìn)展[J]. 材料工程，2014, (7): 98-106.

LIU Y, LIU X X, WANG X J. Research progress in ferrite based core-shell structured composite microwave absorb materials [J]. Journal of Materials Engineering, 2014, (7): 98-106.

[26] 李東風(fēng)，賈振斌，魏雨. 尖晶石型軟磁鐵氧體納米材料的制備研究進(jìn)展[J]. 電子元件與材料，2003, 22(6): 37-40.

LI D F, JIA Z B, WEI Y. Progress in the study on the preparation of the nanometer spinel soft magnetic ferrite material [J]. Electronic Components & Materials, 2003, 22(6): 37-40.

[27] 關(guān)小蓉，張劍光，朱春城，等. 錳鋅、鎳鋅鐵氧體的研究現(xiàn)狀及最新進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2006, 20(12): 109-112.

GUAN X R, ZHANG J G, ZHU C C, et al. Current research situation and development of Mn-Zn and Ni-Zn ferrites [J]. Materials Review, 2006, 20(12): 109-112.

[28] 昝朝，趙占奎. 微胞Fe基軟磁復(fù)合材料的制備及其電阻率的研究[D]. 長春：長春工業(yè)大學(xué)，2014.

ZAN Z, ZHAO Z K. Preparation and resistivity research of micro-cellular structure Fe-based soft magnetic composites [D]. Changchun: Changchun University of Technology, 2014.

[29] TYAGI S, BASKEY H B, AGARWALA R C, et al. Development of hard/soft ferrite nanocomposite for enhanced microwave absorption [J]. Ceramics International, 2011, 37(7): 2631-2641.

[30] 張興凱，王繩蕓，張健，等. 溶膠-凝膠自燃燒法合成鑭摻雜鋇鐵氧體納米粉體及其吸波性能研究[J]. 稀有金屬,2015, 39(8): 715-719.

ZHANG X K, WANG S Y, ZHANG J, et al. Synthesis and microwave absorbing progress of La-doped barium ferrite nano powdersviasol-gel auto-combustion method [J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2015, 39(8): 715-719.

[31] YAN Y, NGO K, HOU D B, et al. Effect of sintering temperature on magnetic core-loss properties of a NiCuZn ferrite for high-frequency power converters [J]. Journal of Electronic Materials, 2015, 44(10): 3788-3794.

[32] 馬玉啟，劉先松，馮雙久，等. Sn4+取代對NiZn功率鐵氧體磁性能的影響[J]. 材料工程, 2015, 43(8): 72-76.

MA Y Q, LIU X S, FENG S J, et al. Influence of Sn4+substitution on magnetic properties on NiZn power ferrites [J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(8): 72-76.

[33] DUWEZ P. Metastable phases obtained by rapid quenching from the liquid state [J]. Progress in Solid State Chemistry, 1967, 3: 377-406.

[34] KOLANO R, KOLANO B A, SZYNOWSKI J, et al. Dependence of magnetic properties of the Fe-Co-Cu-Nb-Si-B nanocrystalline alloys on magnetic field frequency and temperature [J]. Materials Science and Engineering: A, 2004, 375: 1072-1077.

[35] INOUE A, KONG F L, MAN Q K, et al. Development and applications of Fe- and Co-based bulk glassy alloys and their prospects [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 615(Suppl): S2-S8.

[36] INOUE A, SHEN B L, CHANG C T. Super-high strength of over 4000 MPa for Fe-based bulk glassy alloys in [(Fe1-xCox)0.75B0.2Si0.05]96Nb4system [J]. Acta Materialia, 2004, 52(14): 4093-4099.

[37] 趙玉華，何開元，張雅靜，等. 非晶合金CoFeNbSiB的納米晶化及磁性[J]. 材料研究學(xué)報(bào)，2001, 15(2): 249-253.

ZHAO Y H, HE K Y, ZHANG Y J, et al. Nanocrystallization and magnetic properties of CoFeNbSiB amorphous alloy [J]. Chinese Journal of Materials Research, 2001, 15(2): 249-253.

[38] LOUZGUINE-LUZGIN D V, BAZLOV A I, KETOV S V, et al. Crystal growth limitation as a critical factor for formation of Fe-based bulk metallic glasses [J]. Acta Materialia, 2015, 82: 396-402.

[39] HAN Y, CHANG C T, ZHU S L, et al. Fe-based soft magnetic amorphous alloys with high saturation magnetization above 1.5 T and high corrosion resistance [J]. Intermetallics, 2014, 54: 169-175.

[40] PING D H, WU Y Q, HONO K, et al. Microstructural characterization of (Fe0.5Co0.5)88Zr7B4Cu1nanocrystalline alloys [J]. Scripta Materialia, 2001, 45(7): 781-786.

[41] 熊亞東，林坤，嚴(yán)密，等. FeCuNbSiB納米晶軟磁粉芯的制備和磁性能[J]. 稀有金屬材料與工程，2014, 43(8): 1951-1954.

XIONG Y D, LIN K,YAN M, et al. Fabrication and magnetic properties of FINEMET alloy powder cores [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(8): 1951-1954.

[42] ZIYADI H, HEYDARI A, REZAYAT S M. Preparation and characterization of magnetic α-Fe2O3nanofibers coated with uniform layers of silica [J]. Ceramics International, 2014, 40(4): 5913-5919.

[43] 鐘偉，湯怒江，靳長清，等. 具有核/殼結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合高頻軟磁材料[J]. 微納電子技術(shù)，2008, 45(7): 373-379.

ZHONG W, TANG N J, JIN C Q, et al. High frequency soft magnetic nanoparticles with core/shell structures [J]. Micronanoelectronic Technology, 2008, 45(7): 373-379.

[44] BAI G Y, SHI L J, ZHAO Z, et al. Preparation of a novel Fe3O4@SiO2@Ni-La-B magnetic core-shell nanocomposite for catalytic hydrogenation [J]. Mateials Letters, 2013, 96: 93-96.

[45] YANG L L, ZOU P, CAO J, et al. Facile synthesis and paramagnetic properties of Fe3O4@SiO2core-shell nanoparticles [J]. Superlattices and Microstructures, 2014, 76: 205-212.

[46] LIU W, ZHONG W, JIANG H Y, et al. Synthesis and magnetic properties of FeNi3/Al2O3core-shell nanocomposites [J]. The European Physical Journal B, 2005, 46(4): 471-474.

[47] CHEN C T, CHEN Y C. Functional magnetic nanoparticle-based label free fluorescence detection of phosphorylated species [J]. Chemical Communications, 2010, 46(31): 5674-5676.

[48] TAGHVAEI A H, EBRAHIMI A, GHAFFARI M, et al. Magnetic properties of iron-based soft magnetic composites with MgO coating obtained by sol-gel method [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2010, 322(7): 808-813.

[49] MARTINEZ-BOUBETA C, SIMEONIDIS K, SERANTES D, et al. Adjustable hyperthermia response of self-assembled ferromagnetic Fe-MgO core-shell nanoparticles by tuning dipole-dipole interactions [J]. Advanced Functional Materials, 2012, 22 (17): 3737-3744.

[50] ABBAS M, ISLAM M N, RAO B P, et al. Facile approach for synthesis of high moment Fe/ferrite and FeCo/ferrite core/shell nanostructures [J]. Materials Letters, 2015, 139: 161-164.

[51] CATALA J N, LU G Q, NGO K. Soft magnetic alloy-polymer composite for high-frequency power electronics application [J]. Journal of Electronic Materials, 2014, 43(1): 126-131.

[52] 都有為. 磁性材料進(jìn)展概覽[J]. 功能材料，2014, 45(10):10001-10005.

DU Y W. Progress of magnetic materials [J]. Journal of Functional Materials, 2014, 45(10):10001-10005.

(本文責(zé)編：解 宏)

Development of High-frequency Soft Magnetic Materials for Power Electronics

LIU Jun-chang1，MEI Yun-hui1，LU Guo-quan1,2

(1 School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300350,China；2 Department of Materials Science and Engineering,Virginia Tech,Blacksburg 24061，Virginia,USA)

The new requirements of high-frequency magnetic properties are put forward for electronic components with the rapid development of power electronics industry and the use of new electromagnetic materials. The properties of magnetic core, which is the key unit of electronic components, determine the performance of electronic components directly. Therefore, it’s necessary to study the high-frequency soft magnetic materials. In this paper, the development history of four types of soft magnetic materials was reviewed. The advantages and disadvantages of each kind of soft magnetic materials and future development trends were pointed out. The emphases were placed on the popular soft magnetic composite materials in recent years. The tendency is to develop high-frequency soft magnetic composite materials with the particle size controllable, uniform coating layer on the core and a mass production method from laboratory to industrialization.

power electronics；soft magnetic material；high-frequency low loss；low coercivity

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015AA034501)；天津市重大科技專項(xiàng)(132CZDGX01106)

2015-10-29;

2016-09-25

梅云輝(1985-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣β孰娮臃庋b工藝及磁性材料的制備和成型工藝，聯(lián)系地址：天津市津南區(qū)海河教育園區(qū)天津大學(xué)材料學(xué)院31樓283(300350)，E-mail:yunhui@tju.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001292

TB33

A

1001-4381(2017)05-0127-08