Tóm tắt lịch sử của vật liệu từ mềm

Kể từ khi Michael Faraday chứng minh hiện tượng cảm ứng điện từ vào năm 1831, đã có sự phát triển liên tục của vật liệu từ mềm. Sự lựa chọn vật liệu cốt lõi tự nhiên của Faraday là sắt, loại vật liệu có nhiệt độ phòng cao nhất M_scủa bất kỳ phần tử nào ngoài một μ lớn_rvà H khá thấp_c. Tuy nhiên, ngay cả trong một vật liệu đơn giản bao gồm một phần tử duy nhất vẫn có chỗ cho sự cải tiến đáng kể.

Người ta phát hiện ra rằng việc ủ sắt không chỉ cải thiện các tính chất cơ học của nó mà còn làm giảm độ cưỡng bức của nó thông qua việc giảm ứng suất, khiến nó phù hợp hơn để sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng. Để tìm kiếm hiệu suất tốt hơn nữa, các nhà khoa học và kỹ sư đã tìm cách cải thiện các đặc tính của sắt mềm.

Năm 1900, Robert Hadfield, một nhà luyện kim người Anh, đã phát minh ra thép silicon không định hướng bằng cách thêm tới 3% silicon vào sắt và tăng điện trở suất (p) của nó đồng thời tăng μ_r. Nhà luyện kim người Mỹ Norman Goss đã phát minh ra thép silicon định hướng dạng hạt vào năm 1933 bằng cách thúc đẩy sự phát triển của hạt dọc theo hướng kết tinh có tính dị hướng thấp, tăng μ_r, hơn nữa . Thậm chí ngày nay, thép silicon (hoặc thép điện) vẫn chiếm thị phần lớn trong thị trường nam châm mềm toàn cầu vì khả năng M cao của chúng._svà chi phí tương đối thấp.

Các ứng dụng phổ biến nhất của thép silicon là máy biến áp quy mô lớn (thép silicon định hướng hạt) và máy điện (thép silicon không định hướng đẳng hướng được ưa chuộng cho máy quay), trong đó giá cả kinh tế của nó là một lợi ích rất lớn.

Tuy nhiên, mức thấp(-, 0.5 μohm.m) làm cho thép silicon bị tổn hao ở tần số cao. Gần đây, các nhà sản xuất thép điện đã phát triển một phương pháp để tăng hàm lượng silicon trong thép của họ lên 6,5% bằng cách sử dụng quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD). Cách tiếp cận này tăngđến 0.82 μΩ.m nhưng vẫn để lại các vật liệu khác là lựa chọn tốt hơn cho thiết bị điện tử công suất tần số cao và máy điện tốc độ quay cao.

Vào những năm 1910, Gustav Elmen tại Phòng thí nghiệm Bell đã thử nghiệm hợp kim sắt-niken và phát hiện ra thành phần permalloy giàu niken (78%). Ưu điểm chính của permalloy là độ dày μ_r, (tối đa 100,000). Hợp kim niken-sắt vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng cảm ứng đặc biệt ngày nay nhưng không phổ biến trong điện tử công suất và máy điện vì chúng có tổn thất dòng điện xoáy cao và việc bổ sung niken làm giảm M_s. Với việc bổ sung một lượng nhỏ molypden (2%) vào permalloy, bột molypermalloy (MPP) có thể được sản xuất. MPP được sử dụng để chế tạo lõi bột có tổn thất thấp nhất.

Vào cuối những năm 1940, ferrit mềm có từ tính được phát minh bởi JL Snoek. Những vật liệu này có tính cạnh tranh vì chúng có điện trở suất rất cao (10 - 10⁸μohm.m), giúp chúng có hiệu quả trong việc triệt tiêu tổn thất do dòng điện xoáy.

Ngoài ra, do chúng được sản xuất bằng kỹ thuật gia công gốm sứ và nguồn nguyên liệu dồi dào nên các bộ phận ferit có thể được sản xuất với chi phí rất thấp. Cao

và giá cả phải chăng của ferit mềm khiến nhu cầu về những vật liệu này cao cho các ứng dụng cảm ứng, bao gồm cả những vật liệu ở tần số cao. Trên thực tế, thị phần toàn cầu của họ về nam châm mềm chỉ đứng sau thép silicon. Họ phải chịu mức M tương đối thấp_s. (gần 1/4 so với thép silicon), điều này hạn chế mật độ năng lượng của các phần tử cảm ứng có chứa lõi ferit.

Năm 1967, một loại vật liệu mới, hợp kim vô định hình, đã được phát minh. Vào giữa những năm 1970, sự quan tâm đến các hợp kim vô định hình dựa trên sắt và coban ngày càng tăng và chúng bắt đầu tìm đường đưa vào ứng dụng. Thông qua việc loại bỏ bất kỳ trật tự tầm xa nào, độ cưỡng chế giảm đáng kể trong các hợp kim này.

Năm 1988, các nhà nghiên cứu tại Hitachi đã đưa vào các chất phụ gia Nb và Cu và thêm một bước ủ vào quá trình sản xuất hợp kim vô định hình để tạo ra các tinh thể sắt hoặc coban nhỏ và có khoảng cách gần nhau (đường kính khoảng 10 nm) trong một ma trận vật liệu vô định hình. Đây là sự khởi đầu của các hợp kim từ mềm tinh thể nano. Sự hình thành các tinh thể kim loại chuyển tiếp bị cô lập làm giảm tổn thất dòng điện xoáy của các vật liệu này so với các hợp kim vô định hình. Cả hợp kim vô định hình và tinh thể nano đều đang giành được thị phần trong các thiết bị điện và điện tử công suất tần số cao ngày nay vì tổn thất thấp và khả năng cạnh tranh của chúng._s.

Mặc dù chi phí ban đầu cao hơn thép silicon, những hợp kim tiên tiến này có thể giảm tổng chi phí trọn đời của các thiết bị điện tử công suất và máy điện nhờ giảm tổn thất.

Vào đầu những năm 1990, lõi bột (còn được gọi là vật liệu tổng hợp từ mềm hoặc SMC) đã được chấp nhận trong một số ứng dụng từ mềm. Những vật liệu này kết hợp các hạt từ tính, có đường kính từ khoảng 1 đến 500 gm, và phủ hoặc trộn chúng với vật liệu cách điện trước khi hợp nhất với áp suất cao (áp suất MPa đến thậm chí GPa).

Nhiệt cũng có thể được áp dụng trong hoặc sau khi cô đặc để cải thiện tính chất từ. Các hạt từ tính thường là bột Fe nhưng cũng có thể bao gồm các hợp kim như MPP (đã đề cập trước đó), Fe-P, Fe-Si hoặc Fe-Co. Do pha ma trận cách điện và không từ tính, các vật liệu này có khe hở không khí phân bố làm hạn chế μ của chúng._rđến phạm vi từ 100 đến 500. Tuy nhiên, ma trận cách điện cũng tăng cường

(10^-3đến 10^-1µohm·m), giảm tổn thất do dòng điện xoáy.

SMC cũng có thể được ép thành các dạng hình học cuối cùng phức tạp hơn mà không cần bất kỳ gia công nào (tạo hình lưới), điều này có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất. Bản chất đẳng hướng, chi phí thấp và khả năng tạo hình dạng lưới các bộ phận phức tạp đã giúp SMC khá thành công trong việc quay các máy điện.

Lịch sử ngắn gọn của vật liệu từ mềm được mô tả ở trên không có nghĩa là đầy đủ. Thay vào đó, mục đích của chúng tôi là tập trung vào các vật liệu đã và sẽ tiếp tục có tính cạnh tranh để chế tạo các bộ phận từ mềm trong các máy điện và điện tử công suất tần số cao. Các số liệu hiệu suất như M_svà mất lõi là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, vì các bộ phận từ mềm sẽ cần được sử dụng với số lượng lớn nên không thể bỏ qua tầm quan trọng của chi phí. Vì lý do này, ferrite mềm vẫn là vật liệu cốt lõi cạnh tranh ở tần số cao. Do hiệu suất tuyệt vời ở tần số cao, các hợp kim vô định hình và tinh thể nano chắc chắn sẽ tiếp tục là vật liệu chủ chốt. Mặc dù thép silicon vẫn chiếm phần lớn thị trường toàn cầu về vật liệu từ mềm, nhưng ứng dụng chính của chúng là trong các máy biến áp lớn hoạt động ở tần số 50 hoặc 60 Hz và các máy điện tốc độ quay chậm.