Навигация по таблицам
- Таблица 1: Классификация и основные магнитные свойства ферромагнитных материалов
- Таблица 2: Магнитотвердые материалы и постоянные магниты
- Таблица 3: Магнитомягкие материалы для различных частотных применений
- Таблица 4: Применение ферромагнитных материалов в промышленных устройствах
- Перейти к полному оглавлению
Ферромагнитные материалы: классификация, свойства и применение
Ферромагнитные материалы играют ключевую роль в современной технике и электронике благодаря их уникальным магнитным свойствам. В данной статье представлены систематизированные данные о свойствах различных классов ферромагнетиков, их характеристиках и областях применения.
Таблица 1: Классификация и основные магнитные свойства ферромагнитных материалов
| Класс материала | Химический состав | Остаточная магнитная индукция Br (Тл) | Коэрцитивная сила Hc (А/м) | Максимальная магнитная проницаемость μmax | Начальная магнитная проницаемость μ0 | Магнитная энергия (BH)max (кДж/м³) | Точка Кюри (°C) | Удельные магнитные потери (Вт/кг) | Электрическое сопротивление (Ом·м) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Магнитомягкие | Электротехническая сталь (Fe-Si 3%) | 0.5-1.0 | 30-100 | 5,000-15,000 | 300-500 | 1-2 | 740-770 | 0.4-1.2 (50 Гц, 1.5 Тл) | 0.45-0.55×10-6 |
| Магнитомягкие | Пермаллой (Ni-Fe 80/20) | 0.6-0.8 | 4-8 | 50,000-300,000 | 8,000-20,000 | 0.2-0.5 | 400-450 | 0.1-0.3 (50 Гц, 1.0 Тл) | 0.5-0.6×10-6 |
| Магнитомягкие | Аморфные сплавы (Fe-B-Si) | 1.2-1.4 | 2-10 | 50,000-150,000 | 15,000-30,000 | 0.1-0.3 | 350-400 | 0.05-0.1 (50 Гц, 1.0 Тл) | 1.2-1.3×10-6 |
| Магнитотвердые | Альнико (Al-Ni-Co-Fe) | 0.7-1.3 | 40,000-160,000 | 3-5 | 2-3 | 10-85 | 800-860 | Не применимо | 0.45-0.55×10-6 |
| Магнитотвердые | NdFeB (Nd-Fe-B) | 1.0-1.4 | 750,000-1,200,000 | 1.05-1.1 | 1.05 | 200-450 | 310-340 | Не применимо | 1.4-1.6×10-6 |
| Магнитострикционные | Терфенол-D (Tb-Dy-Fe) | 0.8-1.0 | 20,000-40,000 | 3-10 | 2-5 | 5-10 | 380-400 | 1.0-2.0 (50 Гц, 1.0 Тл) | 0.58-0.62×10-6 |
Таблица 2: Магнитотвердые материалы и постоянные магниты
| Тип материала | Остаточная индукция Br (Тл) | Коэрцитивная сила Hc (кА/м) | Коэрцитивная сила по индукции HcB (кА/м) | Максимальная энергия (BH)max (кДж/м³) | Температурный коэффициент Br (%/°C) | Температурный коэффициент Hc (%/°C) | Максимальная рабочая температура (°C) | Плотность (кг/м³) | Механические свойства | Коррозионная стойкость |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Альнико | 0.7-1.3 | 40-160 | 35-150 | 10-85 | -0.02 | 0.01 | 520-560 | 7200-7300 | Высокая твердость, хрупкость | Высокая |
| Ферриты (Sr, Ba) | 0.2-0.45 | 140-400 | 130-370 | 8-40 | -0.2 | 0.3 | 250-300 | 4800-5000 | Твердые, очень хрупкие | Очень высокая |
| SmCo (Sm₂Co₁₇) | 0.9-1.15 | 600-900 | 550-850 | 150-260 | -0.03 | -0.2 | 300-350 | 8300-8500 | Высокая твердость, очень хрупкие | Средняя |
| NdFeB (спеченный) | 1.0-1.4 | 750-1200 | 700-1100 | 200-450 | -0.12 | -0.6 | 80-180 | 7400-7600 | Высокая твердость, хрупкие | Низкая (требует покрытия) |
| NdFeB (связанный) | 0.6-0.7 | 400-600 | 380-550 | 60-95 | -0.1 | -0.4 | 100-150 | 5800-6000 | Умеренная твердость, обрабатываемый | Средняя |
| SmFeN | 1.15-1.25 | 800-900 | 760-850 | 220-270 | -0.04 | -0.25 | 150-200 | 7600-7800 | Высокая твердость, хрупкие | Низкая (требует покрытия) |
Таблица 3: Магнитомягкие материалы для различных частотных применений
| Тип материала | Оптимальный частотный диапазон | Максимальная индукция насыщения Bs (Тл) | Коэрцитивная сила Hc (А/м) | Магнитные потери при 50 Гц (Вт/кг) | Магнитные потери при 1 кГц (Вт/кг) | Толщина (мм) | Тип текстуры | Термическая обработка | Методы обработки и резки |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Электротехническая сталь GO | 50-60 Гц | 1.9-2.1 | 8-15 | 0.7-1.1 (1.7 Тл) | 25-40 (1.0 Тл) | 0.23-0.35 | Анизотропная (ориентированная) | Отжиг 800-850°C в защитной атмосфере | Штамповка, лазерная резка |
| Электротехническая сталь NO | 50-400 Гц | 1.8-2.0 | 20-80 | 2.0-2.5 (1.5 Тл) | 40-60 (1.0 Тл) | 0.35-0.65 | Изотропная (неориентированная) | Отжиг 750-800°C | Штамповка, водоструйная резка |
| Пермаллой 80Ni-20Fe | 100 Гц - 100 кГц | 0.7-0.8 | 4-8 | 0.15-0.3 (0.5 Тл) | 6-10 (0.2 Тл) | 0.01-0.1 | Изотропная | Отжиг 1100-1200°C + чистая H₂ атмосфера | Прецизионная штамповка, химическое травление |
| Аморфные сплавы Fe-Si-B | 10-100 кГц | 1.5-1.6 | 2-5 | 0.1-0.2 (1.0 Тл) | 2-5 (0.3 Тл) | 0.02-0.03 | Изотропная | Термомагнитная обработка 350-400°C | Механическая резка, лазерная обработка |
| Нанокристаллические сплавы (FINEMET) | 10 кГц - 1 МГц | 1.2-1.3 | 0.5-2 | 0.05-0.1 (1.0 Тл) | 1-3 (0.3 Тл) | 0.015-0.025 | Изотропная с индуцированной анизотропией | Двухступенчатая: 500-550°C + магнитное поле | Прецизионная резка, лазерная обработка |
| Ферриты MnZn | 10 кГц - 1 МГц | 0.4-0.5 | 15-40 | Не применяется | 10-20 (0.1 Тл) | Порошковая технология | Изотропная | Спекание 1200-1300°C | Формование, механическая обработка |
| Ферриты NiZn | 1-100 МГц | 0.3-0.4 | 30-100 | Не применяется | 5-15 (0.1 Тл) | Порошковая технология | Изотропная | Спекание 1100-1200°C | Формование, шлифовка |
Таблица 4: Применение ферромагнитных материалов в промышленных устройствах
| Область применения | Рекомендуемые типы материалов | Типичные рабочие параметры | Ключевые требуемые свойства | Форма материала | Методы изготовления | Типичные проблемы и решения | Экономическая эффективность | Альтернативные материалы | Тенденции развития |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Силовые трансформаторы | Электротехническая сталь GO, аморфные сплавы | 50-60 Гц, 1.6-1.8 Тл | Низкие потери на перемагничивание, высокая μmax | Листы, ленты 0.23-0.35 мм | Шихтованные сердечники, витая лента | Шум и вибрация - лаковое покрытие, прессовка | Высокая для аморфных сплавов | Нанокристаллические сплавы | Снижение толщины листов, аморфизация |
| Электродвигатели | Электротехническая сталь NO, GO | 50-400 Гц, 1.4-1.7 Тл | Высокая Bs, низкие потери на вихревые токи | Листы 0.35-0.65 мм | Штампованные пакеты листов | Перегрев - улучшение охлаждения, тонкие листы | Средняя | Аморфные сплавы (для высокоэффективных) | Композитные магнитные материалы |
| Высокочастотные трансформаторы | Ферриты MnZn, нанокристаллические сплавы | 10-500 кГц, 0.3-0.5 Тл | Высокое сопротивление, низкие высокочастотные потери | Ферритовые сердечники, ленты | Порошковая металлургия, спекание | ЭМС - экранирование, оптимизация формы | Высокая | Аморфные сплавы на основе Co | Многослойные композиты |
| Постоянные магниты | NdFeB, SmCo | Статическое поле, до 1.4 Тл | Высокие Br, Hc, (BH)max | Спеченные блоки, композиты | Порошковая металлургия, спекание | Коррозия - защитные покрытия, добавки Dy, Tb | Высокая для NdFeB | Ферриты (для недорогих применений) | Снижение содержания редкоземельных элементов |
| Датчики магнитного поля | Пермаллой, аморфные сплавы | DC-100 кГц, 0.01-0.1 Тл | Высокая μ0, низкий Hc, линейность | Тонкие ленты, пленки | Прецизионное литье, напыление | Температурный дрейф - термокомпенсация | Средняя | Магниторезистивные материалы | Наноструктурированные сенсоры |
| Магнитная запись | Ферриты, тонкопленочные сплавы Co-Cr-Pt | MHz-GHz, 0.1-0.8 Тл | Высокая коэрцитивная сила, малые размеры зерен | Тонкие пленки, покрытия | Магнетронное напыление, электролиз | Суперпарамагнетизм - многослойные структуры | Высокая для HDD | Термомагнитные материалы | HAMR технологии, голографическая запись |
| Индукционный нагрев | Ферритовые материалы, ферромагнитные порошки | 20-100 кГц, 0.2-0.5 Тл | Контролируемые потери на вихревые токи и гистерезис | Порошки, композиты | Порошковая металлургия, прессование | Перегрев - контролируемый состав | Средняя | Металлические сплавы с высоким ρ | Наноструктурированные композиты |
Полное оглавление статьи
- Ферромагнитные материалы: классификация, свойства и применение
- Таблица 1: Классификация и основные магнитные свойства ферромагнитных материалов
- Основные классы ферромагнитных материалов
- Таблица 2: Магнитотвердые материалы и постоянные магниты
- Постоянные магниты и их свойства
- Таблица 3: Магнитомягкие материалы для различных частотных применений
- Частотные характеристики магнитомягких материалов
- Таблица 4: Применение ферромагнитных материалов в промышленных устройствах
- Промышленное применение ферромагнитных материалов
- Современные тенденции в разработке ферромагнитных материалов
- Источники и литература
- Отказ от ответственности
Основные классы ферромагнитных материалов
Ферромагнитные материалы подразделяются на три основных класса в зависимости от характера их магнитных свойств: магнитомягкие, магнитотвердые и магнитострикционные. Данная классификация основана на значениях коэрцитивной силы и форме петли гистерезиса.
Магнитомягкие материалы характеризуются узкой петлей гистерезиса, низкой коэрцитивной силой (обычно менее 1000 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Эти свойства позволяют им легко намагничиваться и размагничиваться при приложении внешнего магнитного поля с минимальными потерями энергии. Типичные представители этого класса — электротехническая сталь, пермаллои и аморфные сплавы.
Магнитотвердые материалы, напротив, обладают широкой петлей гистерезиса, высокой коэрцитивной силой (более 10 кА/м) и значительной остаточной индукцией. После намагничивания они способны сохранять намагниченность длительное время даже при отсутствии внешнего поля. Примерами служат сплавы альнико, ферриты бария и стронция, редкоземельные магниты NdFeB и SmCo.
Магнитострикционные материалы обладают уникальной способностью изменять свои геометрические размеры под действием магнитного поля (и наоборот — изменять свои магнитные свойства при механическом воздействии). Наиболее известным представителем является Терфенол-D (сплав на основе тербия, диспрозия и железа), который широко используется в ультразвуковых преобразователях, актуаторах и датчиках.
Примечание: Магнитные характеристики материалов, приведенные в Таблице 1, значительно зависят от технологии изготовления, термической обработки и микроструктуры. Представленные значения являются усредненными для коммерчески доступных материалов.
Постоянные магниты и их свойства
Постоянные магниты составляют важнейший класс ферромагнитных материалов с широким спектром промышленных применений. Основными характеристиками, определяющими качество постоянного магнита, являются остаточная магнитная индукция Br, коэрцитивная сила Hc и максимальная магнитная энергия (BH)max.
Историческое развитие магнитотвердых материалов шло по пути увеличения максимального энергетического произведения (BH)max, которое по сути определяет энергию, запасённую в единице объема магнита. Первыми коммерческими постоянными магнитами были углеродистые стали с (BH)max порядка 1-2 кДж/м³. Значительный скачок произошел с разработкой сплавов альнико в 1930-х годах, которые достигли значений 10-80 кДж/м³. Ферритовые магниты, появившиеся в 1950-х, хотя и имели меньшие значения (BH)max (8-40 кДж/м³), но благодаря низкой стоимости и высокой коррозионной стойкости заняли важную нишу.
Настоящий прорыв произошел с разработкой редкоземельных магнитов. Сначала появились самарий-кобальтовые (SmCo) магниты с (BH)max до 260 кДж/м³, а затем неодим-железо-борные (NdFeB) с показателями до 450 кДж/м³. Последние являются самыми мощными коммерческими магнитами на сегодняшний день, хотя имеют два существенных недостатка — низкую температурную стабильность и склонность к коррозии.
При выборе магнитотвердого материала для конкретного применения необходимо учитывать не только магнитные характеристики, но и температурную стабильность, коррозионную стойкость и механические свойства. Например, альнико-магниты, несмотря на более низкие значения (BH)max по сравнению с NdFeB, могут работать при температурах до 550°C, тогда как предельная рабочая температура недорогих NdFeB-магнитов обычно не превышает 80-100°C.
Частотные характеристики магнитомягких материалов
Выбор магнитомягкого материала в значительной степени определяется частотным диапазоном применения. С ростом частоты возрастают потери на вихревые токи и магнитный гистерезис, что приводит к нагреву и снижению эффективности устройств.
Для низкочастотных применений (до 400 Гц) традиционно используется электротехническая сталь, содержащая 3-4.5% кремния. Кремний повышает электрическое сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи, но при этом несколько уменьшает индукцию насыщения. Различают ориентированную (GO) и неориентированную (NO) электротехническую сталь. Ориентированная сталь обладает превосходными магнитными свойствами в направлении прокатки и используется в трансформаторах, где магнитный поток имеет фиксированное направление. Неориентированная сталь имеет более изотропные свойства и применяется в электродвигателях, где направление магнитного потока меняется.
В диапазоне средних частот (400 Гц - 10 кГц) эффективны пермаллои — сплавы железа и никеля с добавками молибдена, меди и хрома. Они имеют исключительно высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость, но относительно низкую индукцию насыщения по сравнению с электротехнической сталью.
Для высокочастотных применений (10 кГц - 1 МГц) используются аморфные и нанокристаллические сплавы, а также ферриты. Аморфные сплавы на основе железа (Fe-Si-B) сочетают высокую индукцию насыщения (до 1.6 Тл) с высоким удельным сопротивлением, что делает их идеальными для применения в диапазоне 10-100 кГц. Нанокристаллические сплавы типа FINEMET (Fe-Cu-Nb-Si-B) обладают еще лучшими высокочастотными характеристиками благодаря особой наноструктуре с размером зерен 10-15 нм.
В диапазоне частот выше 100 кГц доминируют ферритовые материалы. Марганец-цинковые (MnZn) ферриты оптимальны для частот 100 кГц - 1 МГц, а никель-цинковые (NiZn) применяются при частотах 1-100 МГц. Ферриты имеют значительно меньшую индукцию насыщения (0.3-0.5 Тл), но благодаря очень высокому удельному сопротивлению практически не имеют потерь на вихревые токи.
Промышленное применение ферромагнитных материалов
Ферромагнитные материалы находят широкое применение во множестве промышленных устройств и систем. Выбор конкретного материала определяется рабочими параметрами устройства и комплексом требуемых свойств.
В энергетике и силовой электронике электротехническая сталь используется для изготовления сердечников трансформаторов, электродвигателей и генераторов. Для повышения энергоэффективности в современных силовых трансформаторах всё чаще применяются аморфные и нанокристаллические сплавы, которые позволяют снизить потери холостого хода на 70-80% по сравнению с лучшими сортами электротехнической стали.
Постоянные магниты NdFeB и SmCo применяются в высокоэффективных двигателях с постоянными магнитами, генераторах ветроэнергетических установок, МРТ-сканерах, жестких дисках компьютеров и множестве других устройств. Бариевые и стронциевые ферриты благодаря низкой стоимости широко используются в бытовой технике, автомобильной промышленности и производстве игрушек.
В электронике и телекоммуникациях применяются высокочастотные ферриты и нанокристаллические сплавы для изготовления трансформаторов импульсных источников питания, дросселей, фильтров электромагнитных помех и антенн. Особенно важны магнитомягкие материалы в области силовой электроники для производства эффективных высокочастотных преобразователей энергии.
Магнитострикционные материалы находят применение в ультразвуковых преобразователях, прецизионных актуаторах, датчиках и высокоточных системах позиционирования. Терфенол-D используется в гидроакустике для создания сонаров и других подводных акустических систем.
Современные тенденции в разработке ферромагнитных материалов
Современные исследования в области ферромагнитных материалов направлены на решение нескольких ключевых проблем: улучшение энергоэффективности, снижение зависимости от редкоземельных металлов, расширение рабочих температурных диапазонов и создание новых функциональных материалов.
В области магнитотвердых материалов исследуются сплавы с пониженным содержанием редкоземельных элементов, такие как NdFeB с частичной заменой неодима более доступными материалами, а также принципиально новые классы безредкоземельных постоянных магнитов. Перспективными являются исследования наноструктурированных обменно-связанных композитов, в которых магнитотвердая и магнитомягкая фазы взаимодействуют на наноуровне, позволяя достичь высоких значений (BH)max.
В сфере магнитомягких материалов развиваются технологии создания аморфных и нанокристаллических сплавов с улучшенными частотными характеристиками и повышенной термической стабильностью. Активно исследуются многослойные композитные материалы и метаматериалы с программируемыми магнитными свойствами.
Отдельным направлением является разработка магнитных материалов для аддитивных технологий (3D-печати), позволяющих создавать магнитные компоненты сложной геометрии. Для этих целей разрабатываются специальные ферромагнитные порошки и композиты, сохраняющие магнитные свойства после процесса 3D-печати.
Важной тенденцией является развитие материалов с мультифункциональными свойствами, объединяющих ферромагнетизм с другими физическими эффектами. Примерами таких материалов являются мультиферроики, обладающие одновременно ферромагнитными и сегнетоэлектрическими свойствами, и магнитокалорические материалы, используемые в магнитных холодильных системах.
Источники и литература
- Cullity, B.D., Graham, C.D. (2011). Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE Press.
- Coey, J.M.D. (2010). Magnetism and Magnetic Materials. Cambridge University Press.
- Goldman, A. (2006). Modern Ferrite Technology. Springer.
- Fiorillo, F. (2004). Measurement and Characterization of Magnetic Materials. Academic Press.
- Buschow, K.H.J., de Boer, F.R. (2003). Physics of Magnetism and Magnetic Materials. Kluwer Academic Publishers.
- Международный стандарт IEC 60404. Магнитные материалы.
- Технические справочники ведущих производителей магнитных материалов (Hitachi Metals, Vacuumschmelze, Arnold Magnetic Technologies, TDK).
Отказ от ответственности
Информация, представленная в данной статье, предназначена исключительно для ознакомительных целей и не должна рассматриваться как исчерпывающее руководство. Конкретные характеристики ферромагнитных материалов могут существенно различаться в зависимости от производителя, технологии изготовления и конкретной партии. При выборе материалов для промышленных применений необходимо руководствоваться актуальными техническими спецификациями производителей и проводить соответствующие испытания.
Автор не несет ответственности за любые убытки или ущерб, которые могут возникнуть в результате использования информации, представленной в данной статье. Все торговые марки и зарегистрированные товарные знаки, упомянутые в статье, принадлежат их соответствующим владельцам.
