磁性材料，是古老而用途十分廣泛的功能材料，而物質的磁性早在3000年以前就被人們所認識和應用，例如中國古代用天然磁鐵作為指南針。
歷史與發展
簡史
中國是世界上最先發現物質磁性現象和應用磁性材料的國家。早在戰國時期就有關于天然磁性材料（如磁鐵礦）的記載。11世紀就發明了制造人工永磁材料的方法。1086年《夢溪筆談》記載了指南針的制作和使用。1099～1102年有指南針用于航海的記述，同時還發現了地磁偏角的現象。近代，電力工業的發展促進了金屬磁性材料──硅鋼片（硅Fe合金）的研制。永磁金屬從 19世紀的碳鋼發展到后來的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。隨著通信技術的發展，軟磁金屬材料從片狀改為絲狀再改為粉狀，仍滿足不了頻率擴展的要求。20世紀40年代，荷蘭J.L.斯諾伊克發明電阻率高、高頻特性好的鐵氧體軟磁材料，接著又出現了價格低廉的永磁鐵氧體。50年代初，隨著電子計算機的發展，美籍華人王安首先使用矩磁合金元件作為計算機的內存儲器，不久被矩磁鐵氧體記憶磁芯取代，后者在60～70年代曾對計算機的發展起過重要的作用。50年代初人們發現鐵氧體具有獨特的微波特性，制成一系列微波鐵氧體器件。壓磁材料在第一次世界大戰時即已用于聲納技術，但由于壓電陶瓷的出現，使用有所減少。后來又出現了強壓磁性的稀土合金。非晶態（無定形）磁性材料是近代磁學研究的成果，在發明快速淬火技術后，1967年解決了制帶工藝，正向實用化過渡。
軟磁材料的發展
軟磁材料在工業中的應用始于19世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起，開始使用低碳鋼制造電機和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等。到20世紀初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至現在硅鋼片在電力工業用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術的興起，促進了高導磁材料的發展，出現了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學技術飛速發展的時期，雷達、電視廣播、集成電路的發明等，對軟磁材料的要求也更高，生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進入70年代，隨著電訊、自動控制、計算機等行業的發展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統的晶態軟磁合金外，又興起了另一類材料——非晶態軟磁合金。
特性
基本特性
磁性材料是由鐵磁性物質或亞鐵磁性物質組成的，在外加磁場H 作用下，必有相應的磁化強度M 或磁感應強度B，它們隨磁場強度H 的變化曲線稱為磁化曲線（M～H或B～H曲線）。磁化曲線一般來說是非線性的，具有2個特點：磁飽和現象及磁滯現象。即當磁場強度H足夠大時，磁化強度M達到一個確定的飽和值Ms，繼續增大H，Ms保持不變；以及當材料的M值達到飽和后，外磁場H降低為零時，M并不恢復為零，而是沿MsMr曲線變化。材料的工作狀態相當于M～H曲線或B～H曲線上的某一點，該點常稱為工作點。
參數
軟磁材料的常用磁性能參數
飽和磁感應強度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對應的物理狀態是材料內部的磁化向量整齊排列。剩余磁感應強度Br：是磁滯回線上的特征參數，H回到0時的B值。矩形比：Br∕Bs矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質、應力等）。磁導率μ：是磁滯回線上任何點所對應的B與H的比值，與器件工作狀態密切相關。初始磁導率μi、最大磁導率μm、導數磁導率μd、振幅磁導率μa、有效磁導率μe、脈沖磁導率μp。居里點Tc：鐵磁物質的磁化強度隨溫度升高而下降，達到某一溫度時，自發磁化消失，轉變為順磁性，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。損耗P：磁滯損耗Ph及渦流損耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe ∝ f2 t2 / ，ρ 降低，降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe 的方法是減薄磁性材料的厚度t 及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）
軟磁材料的磁性參數與器件的電氣參數之間的轉換
在設計軟磁器件時，首先要根據電路的要求確定器件的電壓～電流特性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態密切相關。設計者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數與器件電氣參數的轉換關系。設計軟磁器件通常包括三個步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據磁性參數要求，模擬磁芯的工作狀態得到相應的電氣參數。
種類
磁性材料具有磁有序的強磁性物質，廣義還包括可應用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。磁性是物質的一種基本屬性。物質按照其內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有硅鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。
永磁材料
一經外磁場磁化以后，即使在相當大的反向磁場作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩余磁感應強度Br高，矯頑力BHC(即 磁性材料抗退磁能力)強，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場能量)大。相對于軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。①合金類：包括鑄造、燒結和可加工合金。鑄造合金的主要品種有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)；燒結合金有：Re－Co（Re代表ree）、Re－Fe以及AlNi（Co）、FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類：主要成分為MO·6氧化鐵,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復合組分。③金屬間化合物類：主要以MnBi為代表。永磁材料有多種用途。①基于電磁力作用原理的應用主要有：揚聲器、話筒、電表、按鍵、電機、繼電器、傳感器、開關等。②基于磁電作用原理的應用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基于磁力作用原理的應用主要有：磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、復印機、控溫計等。其他方面的應用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。根據使用的需要，永磁材料可有不同的結構和形態。有些材料還有各向同性和各向異性之別。
軟磁材料
它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此，對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度，同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應強度Bs則越大越好。軟磁材料的一種——鐵粉芯軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態合金薄帶:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當的Si、B、P和其他摻雜元素，又稱磁性玻璃。③磁介質（鐵粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料，經電絕緣介質包覆和粘合后按要求壓制成形。④鐵氧體：包括尖晶石型──M O·氧化鐵 (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其復合組分)。軟磁材料的應用甚廣，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。
矩磁材料和磁記錄材料
主要用作信息記錄、無接點開關、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點是磁滯回線呈矩形。
旋磁材料
具有獨特的微波磁性，如導磁率的張量特性、邁克爾·法拉第旋轉、共振吸收、場移、相移、雙折射和自旋波等效應。據此設計的器件主要用作微波能量的傳輸和轉換，常用的有隔離器、環行器、濾波器（固定式或電調式）、衰減器、相移器、調制器、開關、限幅器及延遲線等，還有尚在發展中的磁表面波和靜磁波器件（見微波鐵氧體器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料；并可按器件的需要制成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結構和形態。
壓磁材料
這類材料的特點是在外加磁場作用下會發生機械形變，故又稱磁致伸縮材料，它的功能是作磁聲或磁力能量的轉換。常用于超聲波發生器的振動頭、通信機的機械濾波器和電脈沖信號延遲線等，與微波技術結合則可制作微聲（或旋聲）器件。由于合金材料的機械強度高，抗振而不炸裂，故振動頭多用Ni系和NiCo系合金；在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態合金中新出現的有較強壓磁性的品種，適宜于制作延遲線。壓磁材料的生產和應用遠不及前面四種材料。
應用
磁性材料的應用——變壓器磁性材料是生產、生活、國防科學技術中廣泛使用的材料。如制造電力技術中的各種電機、變壓器，電子技術中的各種磁性元件和微波電子管，通信技術中的濾波器和增感器，國防技術中的磁性水雷、超電磁炮，各種家用電器等。此外，磁性材料在地礦探測、海洋探測以及信息、能源、生物、空間新技術中也獲得了廣泛的應用。磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特性和特殊效應制成元件或器件；用于存儲、傳輸和轉換電磁能量與信息，或在特定空間產生一定強度和分布的磁場；有時也以材料的自然形態而直接利用(如磁性液體)。磁性材料在電子技術領域和其他科學技術領域中都有重要的作用。
發展現狀
常用軟磁磁芯的種類
鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構成磁性材料的基本組元。按（主要成分、磁性特點、結構特點）制品形態分類：(1) 粉芯類：磁粉芯，包括：鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯（High 熔劑）、坡莫合金粉芯（MPP）、鐵氧體磁芯。(2) 帶繞鐵芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金。
常用軟磁磁芯
磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料。由于鐵磁性顆粒很小（高頻下使用的為0.5～5 微米），又被非磁性電絕緣膜物質隔開，因此，一方面可以隔絕渦流，材料適用于較高頻率；另一方面由于顆粒之間的間隙效應，導致材料具有低導磁率及恒導磁特性；又由于顆粒尺寸小，基本上不發生集膚現象，磁導率隨頻率的變化也就較為穩定。主要用于高頻電感。磁粉芯的磁電性能主要取決于粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充系數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等。常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。磁芯的有效磁導率μe及電感的計算公式為： μe = DL/4N2S × 109。其中：D 為磁芯平均直徑（cm），L為電感量（享），N 為繞線匝數，S為磁芯有效截面積（cm2）。(1) 鐵粉芯常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及沒藥樹碳基鐵磁粉構成。在粉芯中價格最低。飽和磁感應強度值在1.4T左右；磁導率范圍從22～100；初始磁導率μi隨頻率的變化穩定性好；直流電流疊加性能好；但高頻下損耗高。鐵粉芯初始磁導率隨直流磁場強度的變化。鐵粉芯初始磁導率隨頻率的變化(2)坡莫合金粉芯坡莫合金粉芯主要有鉬坡莫合金粉芯（MPP）及高磁通量粉芯（High 熔劑）。MPP是由81%Ni、2%Mo及Fe粉構成。主要特點是：飽和磁感應強度值在7500Gs左右；磁導率范圍大，從14～550；在粉末磁芯中具有最低的損耗；溫度穩定性極佳，廣泛用于太空設備、露天設備等；磁致伸縮系數接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。高磁通量粉芯HF是由50%Ni、50%Fe粉構成。主要特點是：飽和磁感在1.05T 左右；導磁率從26～125；磁致伸縮系數接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。(3) 鐵硅鋁粉芯（Kool Mμ Cores）鐵硅鋁粉芯由9%Al、5%Si, 85%Fe粉構成。主要是替代鐵粉芯，損耗比鐵粉芯低80%，可在8kHz以上頻率下使用；飽和磁感在1.05T 左右；導磁率從26～125；磁致伸縮系數接近0，在不同的頻率下工作時無噪聲產生；比MPP有更高的DC偏壓能力；具有最佳的性能價格比。主要應用于交流電感、輸出電感、線路濾波器、功率因素校正電路等。有時也替代有氣隙鐵氧體作變壓器鐵芯使用。
軟磁鐵氧體
軟磁鐵氧體是以氧化鐵為主成分的亞鐵磁性氧化物，采用粉末冶金方法生產。有錳Zn、銅Zn、Ni-Zn等幾類，其中Mn-Zn鐵氧體的產量和用量最大，Mn-Zn鐵氧體的電阻率低，為1～10 歐姆-米，一般在100kHZ 以下的頻率使用。Cu-Zn、Ni-Zn鐵氧體的電阻率為102～104 歐姆-米，在100kHz～10 兆赫的無線電頻段的損耗小，多用在無線電用天線線圈、無線電中頻變壓器。磁芯形狀種類豐富，有E、I、U、EC、ETD形、方形（RM、EP、PQ）、罐形（PC、RS、DS）及圓形等。在應用上很方便。由于軟磁鐵氧體不使用鎳等稀缺材料也能得到高磁導率，粉末冶金方法又適宜于大批量生產，因此成本低，又因為是燒結物硬度大、對應力不敏感，在應用上很方便。而且磁導率隨頻率的變化特性穩定，在150kHz以下基本保持不變。隨著軟磁鐵氧體的出現，磁粉芯的生產大大減少了，很多原來使用磁粉芯的地方均被軟磁鐵氧體所代替。國內外鐵氧體的生產廠家很多，在此僅以美國的Magnetics公司生產的Mn-Zn鐵氧體為例介紹其應用狀況。分為三類基本材料：電信用基本材料、寬帶及EMI材料、功率型材料。電信用鐵氧體的磁導率從750～2300, 具有低損耗因子、高品質因素Q、穩定的磁導率隨溫度/時間關系, 是磁導率在工作中下降最慢的一種，約每10年下降3%～4%。廣泛應用于高Q濾波器、調諧濾波器、負載線圈、阻抗匹配變壓器、接近傳感器。寬帶鐵氧體也就是常說的高導磁率鐵氧體，磁導率分別有5000、10000、15000。其特性為具有低損耗因子、高磁導率、高阻抗/頻率特性。廣泛應用于共模濾波器、飽和電感、電流互感器、漏電保護器、絕緣變壓器、信號及脈沖變壓器鐵芯，這類合金韌性好，可以沖片、切割等加工，鐵芯有疊片式及卷繞式。但高頻下損耗急劇增加，一般使用頻率不超過400Hz。從應用角度看，對硅鋼的選擇要考慮兩方面的因素：磁性和成本。對小型電機、電抗器和繼電器，可選純鐵或低硅鋼片；對于大型電機，可選高硅熱軋硅鋼片、單取向或無取向冷軋硅鋼片；對變壓器常選用單取向冷軋硅鋼片。在工頻下使用時，常用帶材的厚度為0.2~0.35毫米；在400Hz下使用時，常選0.1毫米厚度為宜。厚度越薄，價格越高。坡莫合金鐵芯坡莫合金常指鐵鎳系合金，鎳含量在30~90%范圍內。是應用非常廣泛的軟磁合金。通過適當的工藝，可以有效地控制磁性能，比如超過105的初始磁導率、超過106的最大磁導率、低到2‰漢斯·奧斯特的矯頑力、接近1或接近0的矩形系數，具有立方晶系晶體結構的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄帶及各種使用形態。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。1J50 的飽和磁感應強度比硅鋼稍低一些，但磁導率比硅鋼高幾十倍，鐵損也比硅鋼低2~3倍。做成較高頻率(400~8000Hz)的變壓器，空載電流小，適合制作100W以下小型較高頻率變壓器。1J79 具有好的綜合性能，適用于高頻低電壓變壓器，漏電保護開關鐵芯、共模電感鐵芯及高精度電流互感器等。1J85 的初始磁導率可達十萬105以上，適合于作弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度電流互感器等。3、非晶及納米晶軟磁合金（Amorphous and Nanocrystalline alloys）硅鋼和坡莫合金軟磁材料都是晶態材料，原子在三維空間做規則排列，形成周期性的點陣結構，存在著晶粒、晶界、位錯、間隙原子、磁晶各向異性等缺陷，對軟磁性能不利。從磁性物理學上來說，原子不規則排列、不存在周期性和晶粒晶界的非晶態結構對獲得優異軟磁性能是十分理想的。非晶態金屬與合金是70年代問世的一個新型材料領域。它的制備技術完全不同于傳統的方法，而是采用了冷卻速度大約為每秒一百萬度的超急冷凝固技術，從鋼液到薄帶成品一次成型，比一般冷軋金屬薄帶制造工藝減少了許多中間工序，這種新工藝被人們稱之為對傳統冶金工藝的一項革命。由于超急冷凝固，合金凝固時原子來不及有序排列結晶，得到的固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學的一項革命。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。由于它的性能優異、工藝簡單，從80年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。目前美、日、德國已具有完善的生產規模，并且大量的非晶合金產品逐漸取代硅鋼和坡莫合金及鐵氧體涌向市場。中國自從70年代開始了非晶態合金的研究及開發工作，經過“六五”、“七五”、“八五”期間的重大科技攻關項目的完成，共取得科研成果134項，國家發明獎2項，獲專利16項，已有近百個合金品種。鋼鐵研究總院現具有4條非晶合金帶材生產線、一條非晶合金元器件鐵芯生產線。生產各種定型的鐵基、鐵鎳基、鈷基和納米晶帶材及鐵芯，適用于逆變電源、開關電源、電源變壓器、漏電保護器、電感器的鐵芯元件，年產值近2000萬元。“九五”正在建立千噸級鐵基非晶生產線，進入國際先進水平行列。目前，非晶軟磁合金所達到的最好單項性能水平為：初始磁導率 μo = 14 × 104鈷基非晶最大磁導率 μm= 220 × 104鈷基非晶矯頑力 Hc = 0.001 Oe鈷基非晶矩形比 Br/Bs = 0.995鈷基非晶飽和磁化強度 4πMs = 18300Gs鐵基非晶電阻率 ρ= 270μΩ/cm常用的非晶合金的種類有：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金。其國家牌號及性能特點見表及圖所示，為便于對比，也列出晶態合金硅鋼片、坡莫合金1J79 及鐵氧體的相應性能。這幾類材料各有不同的特點，在不同的方面得到應用。牌號基本成分和特征：1K101 Fe-硅B 系快淬軟磁鐵基合金1K102 Fe-Si-B-C 系快淬軟磁鐵基合金1K103 Fe-Si-B-Ni 系快淬軟磁鐵基合金1K104 Fe-Si-B-Ni Mo 系快淬軟磁鐵基合金1K105 Fe-Si-B-Cr(及其他元素)系快淬軟磁鐵基合金1K106 高頻低損耗Fe-Si-B 系快淬軟磁鐵基合金1K107 高頻低損耗Fe-Nb-銅Si-B 系快淬軟磁鐵基納米晶合金1K201 高脈沖磁導率快淬軟磁鈷基合金1K202 高剩磁比快淬軟磁鈷基合金1K203 高磁感低損耗快淬軟磁鈷基合金1K204 高頻低損耗快淬軟磁鈷基合金1K205 高起始磁導率快淬軟磁鈷基合金1K206 淬態高磁導率軟磁鈷基合金1K501 Fe-Ni-P-B 系快淬軟磁鐵鎳基合金1K502 Fe-Ni-V-硅B 系快淬軟磁鐵鎳基合金400Hz: 硅鋼鐵芯 非晶鐵芯功率(W) 45 45鐵芯損耗(W) 2.4 1.3激磁功率(VA) 6.1 1.3總重量(g) 295 276
展望
磁電共存這一基本規律導致了磁性材料必然與電子技術相互促進而發展，例如光電子技術促進了光磁材料和磁光材料的研制。磁性半導體材料和磁敏材料和器件可以應用于遙感、遙則技術和機器人。人們正在研究新的非晶態和稀土磁性材料（如FeNa合金）。磁性液體已進入實用階段。某些新的物理和化學效應的發現（如拓撲效應）也給新材料的研制和應用（如磁聲和磁熱效應的應用）提供了條件。
參考資料 >
英思特深耕磁性器件獲蘋果等知名品牌認可 AI浪潮激發長期發展潛力.百家號.2024-11-25
磁性器件.磁性器件.2024-11-25
網絡環境安全驗證.道客巴巴.2024-11-25