Stručná historie měkkých magnetických materiálů

Od té doby, co Michael Faraday v roce 1831 prokázal elektromagnetickou indukci, pokračuje vývoj měkkých magnetických materiálů. Faradayovou přirozenou volbou základního materiálu bylo železo, které má nejvyšší pokojovou teplotu M_sjakéhokoli prvku navíc k velkému μ_ra poměrně nízký H_c. Avšak i v jednoduchém materiálu složeném z jediného prvku byl prostor pro značné zlepšení.

Bylo zjištěno, že žíhání železa nejen zlepšilo jeho mechanické vlastnosti, ale také snížilo jeho koercitivitu prostřednictvím odlehčení pnutí, takže se lépe hodí pro použití v indukčních aplikacích. Při hledání ještě lepšího výkonu hledali vědci a inženýři způsoby, jak zlepšit vlastnosti měkkého železa.

V roce 1900 vynalezl Robert Hadfield, metalurg z Anglie, neorientovanou křemíkovou ocel přidáním až 3 % křemíku k železu a zvýšením jeho elektrického odporu (p) a zároveň zvýšením μ_r. Americký metalurg Norman Goss vynalezl v roce 1933 zrnitě orientovanou křemíkovou ocel podporou růstu zrn podél krystalického směru s nízkou anizotropií, čímž se zvýšil μ_r, ještě dál . Dokonce i dnes tvoří křemíkové (nebo elektrické) oceli hlavní podíl na globálním trhu s měkkými magnety kvůli jejich vysokému M_sa relativně nízké náklady.

Nejčastějšími aplikacemi křemíkové oceli jsou velkorozměrové transformátory (zrnově orientovaná křemíková ocel) a elektrické stroje (pro točivé stroje je preferována izotropní neorientovaná křemíková ocel), kde je velkým přínosem její ekonomická cena.

Nicméně, nízká(-, 0,5 μohm.m) činí křemíkové oceli ztrátové při vysoké frekvenci. Výrobci elektrooceli nedávno vyvinuli cestu ke zvýšení obsahu křemíku ve své oceli na 6,5 ​​% pomocí procesu chemického nanášení z plynné fáze (CVD). Tento přístup se zvyšujeaž 0,82 μΩ.m, ale stále ponechává jiné materiály jako lepší volbu pro vysokofrekvenční výkonovou elektroniku a elektrické stroje s vysokou rychlostí otáčení.

V 1910, Gustav Elmen v Bell Laboratories experimentoval se slitinami niklu a železa a objevil složení permalloy bohaté na nikl (78 %). Velkou výhodou permalloy je její vysoké μ_r, (až 100,000). Slitiny niklu a železa se dnes stále používají v některých speciálních indukčních aplikacích, ale nejsou běžné ve výkonové elektronice a elektrických strojích, protože mají vysoké ztráty vířivými proudy a přidání niklu snižuje M_s. S přidáním malého množství molybdenu (2%) do permalloy lze vyrobit prášek molypermalloy (MPP). MPP se používá k výrobě práškových jader s nejnižšími ztrátami.

V pozdních čtyřicátých létech magneticky měkké ferity byly vynalezeny JL Snoek. Tyto materiály jsou konkurenceschopné díky jejich velmi vysokému elektrickému odporu (10 - 10⁸μohm.m), díky čemuž jsou účinné při potlačování ztrát vířivými proudy.

Kromě toho, protože jsou vyráběny pomocí technik zpracování keramiky a velkého množství materiálů, lze feritové díly vyrábět s velmi nízkými náklady. Výška

a cenová dostupnost měkkých feritů udržuje tyto materiály ve vysoké poptávce pro indukční aplikace, včetně aplikací s vysokou frekvencí. Ve skutečnosti je jejich podíl na celosvětovém trhu s měkkými magnety na druhém místě za křemíkovou ocelí. Trpí relativně nízkým M_s. (téměř čtvrtinový oproti křemíkové oceli), což omezuje hustotu energie indukčních prvků obsahujících feritové jádro.

V roce 1967 byla vynalezena nová třída materiálů, amorfní slitiny. V polovině 70. let vzrostl zájem o amorfní slitiny na bázi železa a kobaltu a začaly si nacházet cestu do aplikací. Díky eliminaci jakéhokoli řádu dlouhého dosahu je koercivita v těchto slitinách podstatně snížena.

V roce 1988 výzkumníci z Hitachi zahrnuli aditiva Nb a Cu a přidali k výrobě amorfních slitin krok žíhání, aby se vytvořily malé a blízko umístěné krystality železa nebo kobaltu (v průměru řádově 10 nm) v matrici amorfního materiálu. To byl počátek nanokrystalických měkkých magnetických slitin. Tvorba izolovaných krystalitů přechodných kovů snížila ztráty vířivými proudy těchto materiálů ve srovnání s amorfními slitinami. Amorfní i nanokrystalické slitiny dnes získávají podíl na trhu vysokofrekvenční výkonové elektroniky a elektrických strojů díky svým nízkým ztrátám a konkurenceschopnosti M_s.

I přes vyšší počáteční náklady než u křemíkové oceli mohou tyto pokročilé slitiny snížit celkové náklady na životnost výkonové elektroniky a elektrických strojů díky sníženým ztrátám.

Na počátku 90. let 20. století získala prášková jádra (známá také jako měkké magnetické kompozity nebo SMC) v některých měkkých magnetických aplikacích. Tyto materiály kombinují magnetické částice o průměru přibližně 1 až 500 g a buď je potahují nebo smíchají s izolačním materiálem před konsolidací vysokými tlaky (MPa až GPa tlaky).

Teplo může být také aplikováno buď během nebo po zhuštění pro zlepšení magnetických vlastností. Magnetické částice jsou nejčastěji prášky Fe, ale mohou sestávat také ze slitin, jako je MPP (zmíněno dříve), Fe-P, Fe-Si nebo Fe-Co. Kvůli izolační a nemagnetické matricové fázi mají tyto materiály distribuovanou vzduchovou mezeru, která omezuje jejich μ_rdo rozsahu 100 až 500. Izolační matrice však také zvyšuje jejich

(10^-3do 10^-1µohm•m), snižující ztráty vířivými proudy.

SMC lze také lisovat do složitějších finálních geometrií bez potřeby jakéhokoli obrábění (síťového tvarování), což může podstatně snížit výrobní náklady. Jejich izotropní povaha, nízká cena a schopnost tvarovat složité části do sítě učinily SMC poměrně úspěšnými v točivých elektrických strojích.

Stručná historie měkkých magnetických materiálů popsaná výše není v žádném případě vyčerpávající. Namísto toho je naším záměrem zaměřit se na materiály, které byly a budou konkurenceschopné pro výrobu měkkých magnetických komponent ve vysokofrekvenční výkonové elektronice a elektrických strojích. Metriky výkonu, jako je M_sa ztráta jádra jsou nesmírně důležité. Protože však magneticky měkké části bude třeba používat ve velkém množství, nelze zanedbat význam nákladů. Z tohoto důvodu zůstávají měkké ferity stále konkurenceschopným materiálem jádra při vysoké frekvenci. Vzhledem k jejich vynikajícímu výkonu při vysoké frekvenci budou amorfní a nanokrystalické slitiny jistě i nadále klíčovými materiály. Přestože křemíkové oceli stále tvoří většinu světového trhu s měkkými magnetickými materiály, jejich primární aplikace jsou ve velkých transformátorech pracujících při 50 nebo 60 Hz a elektrických strojích s nízkou rychlostí otáčení.