Кратка историја меких магнетних материјала

Од када је Мајкл Фарадеј демонстрирао електромагнетну индукцију 1831. године, дошло је до континуиране еволуције меких магнетних материјала. Фарадејев природни избор материјала језгра било је гвожђе, које има највишу собну температуру М_sбило ког елемента поред великог μ_r, и прилично низак Х_c. Међутим, чак иу једноставном материјалу који се састоји од једног елемента било је простора за значајна побољшања.

Откривено је да гвожђе за жарење не само да је побољшало његова механичка својства већ је и смањило његову коерцитивност кроз ублажавање напрезања, што га чини погоднијим за употребу у индуктивним апликацијама. Тражећи још боље перформансе, научници и инжењери су тражили начине да побољшају својства меког гвожђа.

Године 1900, Роберт Хадфилд, металург из Енглеске, изумео је неоријентисани силицијумски челик додавањем до 3% силицијума гвожђу и повећањем његове електричне отпорности (п) уз истовремено повећање μ_r. Амерички металург Норман Гос изумео је силицијумски челик оријентисан на зрна 1933. промовишући раст зрна дуж кристалног правца ниске анизотропије, повећавајући μ_r, још више . Чак и данас, силицијумски (или електрични) челици заузимају велики удео на глобалном тржишту меких магнета због свог високог М_sи релативно ниске цене.

Најчешћа примена силицијумског челика су трансформатори великих размера (силицијумски челик оријентисан на зрно) и електричне машине (изотропни неоријентисани силицијум челик је пожељан за ротационе машине), где је његова економична цена огромна предност.

Међутим, ниска(-, 0.5 μохм.м) чини силицијумске челике губитцима на високој фреквенцији. Недавно су произвођачи електричног челика развили пут да повећају садржај силицијума у ​​свом челику на 6,5% коришћењем процеса хемијског таложења из паре (ЦВД). Овај приступ се повећавадо 0.82 μΩ.м али и даље оставља друге материјале као бољи избор за високофреквентну енергетску електронику и електричне машине велике брзине ротације.

Током 1910-их, Густав Елмен из Белл Лабораториес експериментисао је са легурама никла и гвожђа и открио састав пермалоје богат никлом (78%). Главна предност пермалоја је његова висока μ_r, (до 100,000). Легуре никл-гвожђа се и данас користе у неким специјалним индуктивним применама, али нису уобичајене у енергетској електроници и електричним машинама јер имају велике губитке вртложних струја, а додавање никла смањује М_s. Уз додатак мале количине молибдена (2%) у пермалоју, може се произвести молипермалој прах (МПП). МПП се користи за производњу прашкастих језгара са најмањим губицима.

Касних 1940-их магнетно меке ферите је изумео ЈЛ Сноек. Ови материјали су конкурентни због своје веома високе електричне отпорности (10 - 10⁸μохм.м), што их чини ефикасним у сузбијању губитака вртложних струја.

Поред тога, пошто се производе техникама обраде керамике и богатим материјалима, феритни делови се могу произвести по веома ниској цени. Висока

и приступачност меких ферита одржава ове материјале у великој потражњи за индуктивне примене, укључујући и оне на високој фреквенцији. У ствари, њихов удео на глобалном тржишту меких магнета је други после силицијум челика. Они пате од релативно ниске М_s. (скоро четвртина од силицијумског челика), што ограничава густину енергије индуктивних елемената који садрже феритно језгро.

Године 1967. изумљена је нова класа материјала, аморфне легуре. До средине 1970-их, интересовање за аморфне легуре на бази гвожђа и кобалта је порасло и оне су почеле да проналазе свој пут у примени. Кроз елиминацију било ког реда дугог домета, коерцитивност је значајно смањена у овим легурама.

Године 1988, истраживачи из Хитацхи-ја су укључили адитиве Нб и Цу и додали корак жарења у производњу аморфних легура како би се произвели мали и блиско распоређени кристалити гвожђа или кобалта (пречника 10 нм) унутар матрице од аморфног материјала. Ово је био почетак нанокристалних меких магнетних легура. Формирање изолованих кристалита прелазних метала смањило је губитке ових материјала на вртложне струје у поређењу са аморфним легурама. И аморфне и нанокристалне легуре данас добијају тржишни удео у високофреквентној енергетској електроници и електричним машинама због својих малих губитака и конкурентног М_s.

Упркос већој почетној цени од силицијум челика, ове напредне легуре могу смањити укупне трошкове животног века енергетске електронике и електричних машина, захваљујући смањеним губицима.

Почетком 1990-их, прашкаста језгра (такође позната као меки магнетни композити или СМЦ) су постала прихваћена у неким меким магнетним апликацијама. Ови материјали комбинују магнетне честице, било где између приближно 1 до 500 г у пречнику, и или их облажу или мешају са изолационим материјалом пре него што се консолидују под високим притисцима (МПа до чак ГПа притисака).

Топлота се такође може применити током или након згушњавања да би се побољшала магнетна својства. Магнетне честице су најчешће Фе прахови, али могу да се састоје и од легура као што су МПП (поменуто раније), Фе-П, Фе-Си или Фе-Цо. Због изолационе и немагнетне матричне фазе, ови материјали имају распоређени ваздушни јаз који ограничава њихов μ_rдо опсега од 100 до 500. Међутим, изолациона матрица такође повећава њихову

(10^-3до 10^-1µохм•м), смањујући губитке на вртложне струје.

СМЦ се такође могу утиснути у сложеније коначне геометрије без потребе за било каквом машинском обрадом (обликовањем мреже), што може значајно смањити трошкове производње. Њихова изотропна природа, ниска цена и способност обликовања сложених делова учинили су СМЦ прилично успешним у ротирајућим електричним машинама.

Кратка историја меких магнетних материјала описана горе ни у ком случају није исцрпна. Уместо тога, наша намера је да се фокусирамо на материјале који су били и који ће наставити да буду конкурентни за производњу меких магнетних компоненти у високофреквентној енергетској електроници и електричним машинама. Показатељи учинка као што су М_sа губитак језгра су изузетно важни. Међутим, пошто ће меки магнетни делови морати да се користе у великим количинама, важност трошкова се не може занемарити. Из тог разлога, меки ферити и даље остају конкурентни материјал језгра на високој фреквенцији. Због својих одличних перформанси на високој фреквенцији, аморфне и нанокристалне легуре ће сигурно и даље бити кључни материјали. Иако силицијумски челици и даље чине већину глобалног тржишта меких магнетних материјала, њихова примарна примена је у великим трансформаторима који раде на 50 или 60 Хз и електричним машинама мале брзине ротације.