Vật liệu từ mềm

Có một số loại vật liệu từ mềm.

Sắt và thép cacbon thấp

Sắt và thép cacbon thấp có thể là vật liệu từ mềm phổ biến nhất và rẻ nhất. Chúng có giá trị BS khá cao ~2,15 T, chỉ thua kém các hợp kim Fe-Co đắt tiền. Nhưng điện trở suất của chúng khá thấp nên hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng động. Sắt và thép cacbon thấp thường được sử dụng cho các ứng dụng tĩnh/tần số thấp, chẳng hạn như lõi của nam châm điện, rơle và một số động cơ công suất thấp mà chi phí vật liệu là mối quan tâm chính.

Hợp kim sắt-silic

Việc thêm một ít silic vào sắt sẽ làm tăng đáng kể điện trở suất của nó, do đó, rất có lợi cho việc ức chế tổn thất dòng điện xoáy. Mặc dù độ từ hóa bão hòa và nhiệt độ Curie giảm nhẹ, hợp kim Fe-Si vẫn được sử dụng rộng rãi trong các máy điện hoạt động ở tần số từ 50 Hz đến vài trăm Hz. Để giảm thêm tổn thất dòng điện xoáy, hợp kim Fe-Si thường được cán thành dạng dải mỏng. Độ dày của hợp kim Fe-Si phổ biến nhất bằng hoặc nhỏ hơn 0,35 mm. Tùy thuộc vào điều kiện cán và xử lý nhiệt, hợp kim Fe-Si có thể được phân loại thành định hướng hạt (GO) và không định hướng (NO). GO Fe-Si được sử dụng cho máy biến áp, trong khi NO Fe-Si được sử dụng cho động cơ điện.

Hợp kim sắt-niken

Niken có thể được thêm vào sắt để tạo thành các dung dịch rắn đồng nhất trong phạm vi thành phần rộng từ 35 wt. % đến 80 wt. % Ni. Các hợp kim có thành phần gần Fe20Ni80 được đặt tên là Permalloy (ngày nay mọi người có xu hướng gọi tất cả các hợp kim sắt-niken có hàm lượng niken cao hơn 35 wt. % là Permalloy). Hàm lượng nhỏ các nguyên tố khác như Mo, Cu và Cr thường được thêm vào để cải thiện các tính chất từ ​​​​của Permalloy. Được xử lý bằng cách điều chỉnh thành phần tinh tế và xử lý nhiệt, Permalloy có thể là một trong những vật liệu từ mềm nhất trên thế giới, độ từ thẩm của nó có thể cao tới 1 200 000. Một trong những nhược điểm của Permalloy là độ từ hóa bão hòa của chúng, chỉ khoảng 0,8 T, thấp hơn nhiều so với hợp kim sắt và Fe-Si. Khi hàm lượng niken giảm, BS sẽ tăng trước tiên, đạt cực đại là 1,6T ở hàm lượng niken khoảng 48 wt. %, tuy nhiên, độ thấm sẽ không tốt bằng hợp kim có hàm lượng niken cao. Hợp kim sắt-niken là hợp kim từ tính đa năng nhất, tính chất từ ​​của nó có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thành phần, ủ từ và cán cơ học, v.v. Hợp kim sắt-niken cũng có khả năng định hình rất tốt, có thể cán mỏng tới 20 micron. Do đó, hợp kim niken-sắt có thể được tìm thấy trong các ứng dụng rộng rãi như che chắn từ trường, ngắt mạch tiếp đất, cảm biến từ, đầu ghi cho băng từ, điện tử công suất, v.v.

Hợp kim sắt-coban

Thêm coban vào sắt sẽ làm tăng cả nhiệt độ Curie và BS. Đối với hàm lượng coban trong khoảng 33 wt. % đến 50 trọng lượng. %, BS có thể cao tới 2,4T. Mặc dù không mềm như hợp kim sắt-niken nhưng hợp kim sắt-coban có giá trị BS cao nhất trong số tất cả các hợp kim từ tính khác. Để tăng khả năng định hình, 2 wt. % vanadi được thêm vào hợp kim Fe50Co50 để có thể cán mỏng tới 50 micron. Việc bổ sung vanadi cũng có thể làm tăng điện trở suất của hợp kim sắt-coban. Do BS cao nhất, hợp kim sắt-coban không thể thiếu cho các ứng dụng đòi hỏi tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao, chẳng hạn như động cơ và máy biến áp được sử dụng trong các thiết bị trên không gian.

Hợp kim vô định hình và tinh thể nano

Hợp kim vô định hình, còn thường được gọi là thủy tinh kim loại, có thể được sản xuất bằng cách đông đặc nhanh. Không có trật tự tầm xa cho các nguyên tử trong hợp kim vô định hình, do đó, điện trở suất thường cao và không có dị hướng từ tinh thể. Hơn nữa, các dải vô định hình mỏng khoảng 20 đến 30 micron có thể dễ dàng được sản xuất bằng cách đúc dòng chảy phẳng. Tất cả các đặc điểm này đảm bảo hợp kim vô định hình là ứng cử viên tuyệt vời cho nam châm mềm. Theo thành phần, hầu hết các nam châm mềm vô định hình có sẵn trên thị trường có thể được phân loại thành gốc Fe, gốc Co và gốc (Fe, Ni). Đối với ba loại này, tổng hàm lượng Fe, Co và Ni là khoảng 75-90 wt.%, phần còn lại là các á kim và các nguyên tố tạo thành thủy tinh như Si, B, P, C và Zr, Nb, Mo, v.v. Trong số các loại này, gốc Fe có BS cao nhất khoảng 1,6 T và chi phí thấp nhất. Tổn thất sắt của hợp kim vô định hình gốc Fe chỉ bằng một phần ba so với thép Fe-Si. Nếu thép Fe-Si trong máy biến áp điện có thể được thay thế bằng hợp kim vô định hình gốc Fe, thì có thể tiết kiệm được một lượng điện năng lớn, nhưng chi phí vật liệu cho loại sau cao hơn. Hợp kim vô định hình gốc Co thường có BS thấp hơn 0,8 T nhưng độ từ thẩm cao hơn nhiều và giá trị từ giảo gần bằng không, tương đương với hợp kim permalloy mềm nhất và có thể hoạt động tốt hơn ở tần số cao hơn do có điện trở suất cao hơn. Hợp kim vô định hình gốc (Fe, Ni) có tính chất từ ​​trung bình so với hai loại kia.

Trạng thái vô định hình là trạng thái có thể di chuyển được. Khi đun nóng trên nhiệt độ tới hạn, quá trình tạo mầm và phát triển của vi tinh thể diễn ra nhanh chóng. Đối với các hợp kim từ mềm vô định hình thông thường, trong quá trình kết tinh, kích thước của các vi tinh thể sẽ tăng lên vài trăm nanomet trong thời gian rất ngắn và làm suy giảm nghiêm trọng tính chất từ ​​mềm. Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng bằng cách thêm một lượng nhất định Nb và Cu vào hợp kim vô định hình gốc Fe, quá trình kết tinh có thể được kiểm soát và có thể thu được sự phân bố đồng đều của tinh thể nano có kích thước khoảng 10 nm trong ma trận vô định hình. Tính chất từ ​​của hợp kim tinh thể nano gốc Fe thậm chí còn mềm hơn hợp kim vô định hình tương ứng, tức là độ thấm cao hơn và độ cưỡng bức thấp hơn, mặc dù BS cũng thấp hơn (~ 1,2 T). Nguồn gốc của các đặc tính từ mềm tuyệt vời cho các hợp kim tinh thể nano dựa trên Fe là ở chỗ cả giá trị dị hướng tinh thể từ và độ từ giảo đều có thể được điều chỉnh về gần bằng 0. Các hợp kim vô định hình gốc Permalloy và Co cũng có thể có giá trị dị hướng tinh thể từ và từ giảo gần bằng 0, nhưng BS của hợp kim tinh thể nano gốc Fe cao hơn nhiều. Do đó, hợp kim nano tinh thể có thể là một trong những vật liệu từ mềm hứa hẹn nhất. Chúng được sử dụng rộng rãi trong bộ sạc không dây, cuộn cảm tần số cao, cảm biến từ tính, tấm chắn điện từ, bộ ngắt chạm đất, v.v.

Vật liệu tổng hợp từ mềm

Như đã đề cập trước đó, độ dày của vật liệu từ mềm đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất dòng điện xoáy, do đó hợp kim từ mềm nên được chế tạo dưới dạng cán mỏng để sử dụng động. Nếu chúng ta phá vỡ hai chiều khác của dải từ mềm, tức là chúng ta sử dụng hợp kim từ mềm dưới dạng bột, thì tổn thất dòng điện xoáy có thể được giảm thêm nữa và các thành phần được tạo ra bởi nó có thể được sử dụng ở tần số cao hơn nhiều. Để thực hiện việc sử dụng như vậy, trước tiên, bột hợp kim được chuẩn bị (trong hầu hết các trường hợp bằng phương pháp phun sương), sau đó các hạt phải được phủ một lớp cách điện, sau đó, bột được trộn với một lượng nhỏ chất bôi trơn và nén ở áp suất mạnh 600-800 MPa thành hình dạng cuối cùng. Các sản phẩm từ mềm được tạo ra bằng các quy trình như vậy được gọi là Hợp chất từ ​​mềm (SMC) hoặc lõi bột. Một ưu điểm khác của SMC là chúng có thể được chế tạo thành nhiều lõi có hình dạng đặc biệt mà khó có thể tạo ra bằng các phương pháp xếp chồng cán mỏng truyền thống, điều này có lợi cho thiết kế mới của các thiết bị điện từ. Nhược điểm chính của SMC là độ thấm của chúng tương đối thấp. Ngày nay, SMC phổ biến nhất được làm từ bột Fe, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Ni, hợp kim vô định hình và nano tinh thể, v.v.

ferrit mềm

Tất cả các vật liệu từ mềm được đề cập ở trên đều là kim loại, do đó, không thể tránh khỏi hiệu ứng dòng điện xoáy. Ferit mềm có đặc điểm riêng là chúng là hợp chất ion và có điện trở suất cao hơn nhiều bậc độ lớn so với vật liệu từ mềm kim loại. Do đó, đối với các ứng dụng có tần số lên đến 1 MHz, ferit mềm là lựa chọn tốt nhất về mặt tổn thất năng lượng. Nhược điểm chính của ferit mềm là BS tương đối thấp. Hai loại ferit mềm phổ biến nhất là ferit Mn-Zn ((Mn, Zn)Fe2O4) và ferit Ni-Zn ((Ni, Zn)Fe2O4). Ferit Mn-Zn thường được sử dụng dưới 1 MHz, trong khi ferit Ni-Zn có thể được sử dụng ở tần số cao hơn nhiều, nhưng BS và độ từ thẩm của loại sau thấp hơn.

Tóm lại, vật liệu từ mềm rất nhạy cảm với từ trường bên ngoài, đặc điểm này khiến chúng trở nên không thể thiếu đối với nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật điện, chẳng hạn như máy biến áp, động cơ điện, bộ sạc không dây, thiết bị điện tử công suất, v.v. Đối với một nam châm mềm tốt, mật độ từ thông bão hòa, độ từ thẩm, điện trở suất và nhiệt độ Curie của nó phải càng cao càng tốt, trong khi độ kháng từ và hệ số từ giảo của nó phải càng thấp càng tốt. Không có một loại vật liệu từ mềm nào có thể đánh bại tất cả các loại khác về mọi khía cạnh hiệu suất. Để lựa chọn vật liệu phù hợp nhất, cần phải cân nhắc giữa chi phí, tổn thất sắt, mật độ từ thông bão hòa và độ từ thẩm.

Sắt và thép cacbon thấp có mật độ từ thông bão hòa tuyệt vời, nhưng điện trở suất của chúng thấp, hạn chế việc sử dụng chúng cho ứng dụng động. Nhiều nguyên tố hợp kim khác nhau có thể được thêm vào sắt để tối ưu hóa hiệu suất từ ​​tính của nó ở một số khía cạnh nhất định. Hợp kim Fe-Si có điện trở suất cao hơn nhiều so với sắt nguyên chất và mật độ từ thông bão hòa tương đối cao, chúng được sử dụng rộng rãi cho máy biến áp và động cơ điện hoạt động ở tần số 50/60 Hz và chiếm phần lớn nhất trong toàn bộ thị trường vật liệu từ mềm. Hợp kim vô định hình gốc Fe hoạt động tốt hơn nhiều so với hợp kim Fe-Si về tổn thất sắt và có thể hoạt động ở tần số cao hơn, nhưng chi phí cũng cao hơn. Hợp kim Fe-Co thể hiện giá trị mật độ từ thông bão hòa cao nhất. Với cùng công suất/mô-men xoắn đầu ra, các máy điện được chế tạo bằng hợp kim Fe-Co có thể có kích thước nhỏ hơn và khối lượng nhỏ hơn. Hợp kim Fe-Ni, hợp kim vô định hình dựa trên Co và hợp kim tinh thể nano dựa trên Fe là những vật liệu từ tính mềm nhất, bởi vì cả hai giá trị dị hướng tinh thể từ và hệ số từ giảo đối với chúng đều có thể được điều chỉnh đồng thời về gần bằng 0. Trong số này, hợp kim nano tinh thể gốc Fe có mật độ từ thông bão hòa cao nhất, chúng là một trong những loại vật liệu từ mềm có triển vọng nhất. SMC hoặc lõi bột sẽ hoạt động tốt hơn ở tần số cao hơn so với các vật liệu từ mềm kim loại khác ở dạng dải mỏng vì các hạt được ngăn cách bởi các lớp cách điện nên hiệu ứng dòng điện xoáy có thể bị ức chế rất nhiều. Hạn chế của SMC là độ thấm thấp và độ trễ cao. Ferrite mềm có điện trở suất cao hơn nhiều bậc so với vật liệu từ mềm kim loại, do đó, hiện nay chúng là lựa chọn tốt nhất cho tần số hoạt động gần hoặc trên 1 MHz, nhưng mật độ từ thông bão hòa của chúng thấp. Một số chuyên gia tin rằng trong một số ứng dụng, ferrite mềm có thể được thay thế bằng SMC để giảm kích thước và khối lượng của các thiết bị tần số cao nếu công nghệ xử lý cho SMC có thể được cải thiện.