一种基于磁晶各向异性能抵消原理制作高频软磁材料的方法与流程

本发明属于软磁材料
技术领域：
，尤其涉及一种基于磁晶各向异性能抵消原理制作高频软磁材料的方法。
背景技术：
软磁材料指的是矫顽力比较低的铁磁性材料，包括铁氧体、硅钢片、仙台合金、非晶带材、纳米晶等，在许多现代化电气和电子系统等方面发挥着重要的作用，这些材料被用于诸如电力生产和传输、电动机、无线电信号和微波接收、继电器、螺线管、磁屏蔽和电磁体中。软磁材料只有当它们受到磁化力，比如电流流经围绕软磁芯的导线时所产生的磁场，他们才会呈现出磁特性。软磁材料通常与那些被用来放大由电流产生磁通的电路有关。这些材料可以被用在交流电(ac)以及直流(dc)电路中。全球软磁材料行业是一个成熟的产业，然而，对可再生能源的日益依赖以及对总能源生命周期能源效率的日益关注等能源趋势加快了能源相关技术的研究。新改进的非晶带材、纳米晶软磁材料被证实为具有更高的能量效率。因此，非晶带材已被广泛用作变压器和电动机磁芯中。新兴纳米晶磁芯具有更高的效率，在未来将会看到有更高的增长。传统的铁磁材料中，矫顽力与材料所包含晶粒的尺寸有关系，晶粒尺寸必须足够大，矫顽力才比较小，这样才能表现出理想的软磁特性。所以，一般的软磁材料，晶粒尺寸都比较大，晶粒尺寸大直接带来的问题就是频率响应特性差，晶粒尺寸越大，交流情况下翻转的速度就越慢，所以频率特性就越差。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于磁晶各向异性能抵消原理制作高频软磁材料的方法，具有较小的晶粒尺寸，较高的结晶率，理想的软磁特性，且饱和磁化强度非常高。本发明提出的一种软磁材料，包括两种铁磁性材料，铁磁性材料为x1晶体和x2晶体，x1晶体和x2晶体均为bct结构，是一种伸长的体心立方结构(bodycentertetragonal)，该类bct晶体的特点是具有沿着某个晶轴的磁性各向异性能，这里的晶轴用abc轴表示，各轴之间正交，夹角保持90°，x1晶体的磁晶各向异性能沿着a轴或b轴或c轴方向，x2晶体的磁晶各向异性能沿着与x1晶体磁晶各向异性能垂直的平面，通过控制x1晶体和x2晶体的尺寸分别为1～1000nm，控制x1晶体和x2晶体的配比使二者的磁晶各向异性能互相抵消，呈现出理想的软磁特性。进一步的，x1晶体包括α”-fe16n2、α”-fe16(nc)2、或者(fe1-xzx)16n2或者(fe1-xzx)16(nc)2，其中z包括ni、co、mn、zn、nd中的一种。进一步的，x2晶体包括fe8c、fe8o、fe8b、fe8al、fe8si中的一种。本发明的另一目的是提出上述软磁的制备方法，采用纯铁为原料，球磨成铁粉，然后加入c、o2、氧化铁、氧化亚铁、b、al或si，继续球磨，再加入硝酸铵或者硝酸铵与fe、co或zn，继续球磨，球磨结束后进行退火得到软磁材料。进一步的，球磨铁粉时，转速1000转/分钟至2000转/分钟，室温下球磨1小时至100小时。进一步的，加入c、o2、氧化铁、氧化亚铁、b、al或si后，转速1000转/分钟至2000转/分钟，室温下继续球磨1小时至100小时。进一步的，加入硝酸铵或者硝酸铵与fe、co或zn后，转速1000转/分钟至2000转/分钟，室温下继续球磨1小时至100小时。进一步的，退火温度为150～300℃。进一步的，退火气压维持在1个大气压至50个大气压之间。进一步的，退火气氛为氢气或氮气。进一步的，退火时间为0.5小时至200小时。进一步的，在退火前，将材料用铝箔纸密封，再放入退火炉。本发明还提出了上述软磁材料在制备电感、变压器、逆变器、射频标签(rfid)、电动汽车、核磁共振设备、风力发电、驱动马达中的应用。本发明制得的软磁材料的工作原理示意图如图3所示。借由上述方案，本发明至少具有以下优点：一般材料本身都有磁晶各向异性能，而这个磁晶各向以性能会带来矫顽力。本发明制得的软磁材料由两种材料x1晶体和x2晶体构成，通过将这两种材料结合起来，让不同晶向的磁晶能互相抵消，最终得到了磁晶能各向同性的材料。本发明制得的高频软磁材料，具有较小的晶粒尺寸，晶粒尺寸一般在1纳米至1微米之间，因此具有理想的软磁特性，且饱和磁化强度非常高，高达245emu/g。附图说明图1是实施例1制得的软磁材料磁晶各向异性能曲线图。图2是实施例1制得的软磁材料的磁性曲线。图3是软磁材料的工作原理示意图。具体实施方式下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例1(1)起始材料为纯铁，市场直接购买，纯度为98％至99％，含有微量的mn或者c，质量是100克，首先通过球磨的方法，将铁磨成铁粉，球磨的时候，采用的是行星式球磨机，型号rp200，转速1000转/分钟，室温情况下球磨20小时；(2)加入1克碳至球磨罐中，继续球磨60小时，室温，转速1000转/分钟；(3)加入结晶的硝酸铵0.5克固体至球磨罐中，继续球磨20小时，室温，转速1000转/分钟；(4)将磨好的材料从球磨罐中取出，用铝箔纸密封后，放入退火炉中进行退火，退火温度是200℃，退火气压维持在1个大气压，退火气氛为氮气，退火时间为4小时；(5)在充满氮气的手套箱中取出样品。样品中，fe16(nc)2的晶粒尺寸为100纳米左右，fe8c的晶粒尺寸为50纳米左右，二者的摩尔比为1:1.2，两种材料的饱和磁化强度和磁晶各向异性能见表1。表1样品饱和磁化强度磁晶各向异性能fe16(nc)22.3μb/fe1.6×107erg/cm3fe8c2.1μb/fe-1.4×107erg/cm3从表1可以看出，fe16(nc)2的饱和磁化强度和fe8c的饱和磁化强度非常接近，但是磁晶各向异性能不一样，如果我们定义fe16(nc)2的磁晶各向异性能沿着c轴方向，这时的磁晶各向异性能为正值；按照上述晶轴的定义，fe8c的磁晶各向异性能就沿着ab平面，此时的磁晶各向异性能为负值。由于两种材料的饱和磁化强度数值接近，二者的晶体结构分布和电子云状态都非常接近，所以当合理控制二者的晶粒尺寸时，如果两种材料之间的晶粒边界厚度比较小的情况下，二者外层的电子云出现杂化，导致两种材料的电子云出现相互耦合作用，相互耦合起来；耦合后，仍然保持原来的饱和磁化强度；但是由于二者的磁晶各向异性能的分布不相同，处于正交的状态，最终宏观表现出来的磁晶各向异性能非常低，所以表现出理想的软磁特性。当改变fe8c和fe16(nc)2体积比，对软磁材料磁晶各向异性能的影响见图1，从图1中可以看出，随着二者含量的不同，软磁材料总体表现出的磁晶各向异性能呈现明显的变化趋势，当二者含量在50％左右的时候，磁晶各向异性能数值降为零，对应的是最理想的软磁特性。软磁材料的磁性曲线见图2，从图2可以看出，本实施例制备得到的软磁材料具有理想的软磁特性，且饱和磁化强度非常高，高达245emu/g。软磁材料的最高工作频率(也叫截止频率)的表达式如下所示：其中，fg是最高工作频率，d代表晶粒的直径，ρel代表电阻率，μ代表磁导率，μo代表真空磁导率，μdc代表相对磁导率。表2为常规软磁材料和本实施例制备得到的软磁材料所对应的最高工作频率的对比结果，可以看出，本发明制得的软磁材料的最高频率可达到3000ghz，远远高于常规软磁材料对应的工作频率。表2表3为本实施例制备得到的软磁材料的特性。表3软磁材料的特性变量特性参数密度6.9-7.0g/cm3杨氏模量160-200gpa居里温度>500℃电阻率200-300μω-cm饱和磁化强度245emu/g矫顽力1-5oe磁导率8000-10000虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。当前第1页12