CN113096914B - 一种向高温热源施加磁场的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在高温下施加磁场的装置和方法，该装置包括线圈(1)和磁芯(2)，其中所述磁芯(2)为采用高温导磁材料制备的带开口磁芯，开口的相对两端为磁极，两磁极之间有容纳高温热源场的空间，该高温热源场的温度为500～1400℃，高温热源场与所述磁极之间设有热障层(3)，将高温热源场与磁极隔开，所述磁极的工作温度为500～1050℃；所述高温导磁材料为多晶钴基合金，其化学成份按重量百分比为Co_xFe_100‑x‑yM_y，式中M为选自碳、硫、钼、锰、镍的掺杂元素，90≤x≤100，y≤0.3。本发明采用多晶钴铁合金作磁芯导磁材料结合热障层的设计，可给超过1000℃热源施加磁场，达到在核工业、深空探测、能源等领域对高温下施加磁场的需求。

Description

一种向高温热源施加磁场的装置和方法

技术领域

本发明涉及磁性材料应用领域，具体涉及一种向高温热源施加磁场的装置和方法，以及该装置使用的高居里温度、大饱和磁感应强度的高温导磁材料。

背景技术

随着极端环境系统以及液态金属电池等领域的发展，高温应用的磁性材料愈来愈受重视。如深空探测用核电动力系统的工作温度已经超过870℃，在一些二次电源系统和无附加冷却系统机电传动和控制元件等方面，也要求磁性材料在高温工作时有高的可靠性且承载能力大。总的来讲，各类元器件对高温磁性材料的要求可分为两类：一类是元器件在静态条件下工作，另一类是在高速运动下工作。如核电动力系统和液态金属电池等静态条件下工作的器件要求磁性材料以高温磁性能为主，高温力学性能为辅。例如要求：(1)在高温工作时，有较高的磁感应强度；(2)在高温下有较高的磁导率；(3)有一般材料的力学性能，可以进行机械加工；(4)在高温下性能稳定，有较高的可靠性。给高温热源施加磁场的导磁材料应为软磁材料，高温软磁材料必须具有高的居里温度。居里温度是磁性转变点，是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。一般而言，铁磁材料的饱和磁化强度和磁导率随着温度的上升按一定的规律下降(例如布洛赫T^3/2定律)，在居里点附近产生突变。磁导率是技术磁参数，它取决于以磁晶各向异性常数、饱和磁化强度为代表的基本磁性参数和材料的微观组织结构。磁导率随温度的变化关系很复杂。在一定温度下，当温度升高时，磁导率增加，磁导率随温度的变化关系主要取决于磁晶各向异性常数随温度的关系。当温度超过一定温度后，特别是接近居里温度时，饱和磁化强度与温度的关系成为主要影响因素，此时温度升高，磁导率下降。图1列出了几种常用高温软磁材料的磁感应强度随温度的变化关系。其中①Co27-Fe、②立方Si3-Fe、③Ni15马氏体钢、④H-11钢、⑤Ni18马氏体钢、⑥NiVCo合金。

可以看出，铁钴合金的磁感应强度在高温下的表现相对较好，因为铁的饱和磁化强度高而钴的磁晶各向异性大，二者的合金可以结合两者的优势。但现有技术中至今未见到采用铁钴合金应用于高温热源施加磁场装置的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供向高温热源施加磁场装置和方法，和该装置采用的高居里温度、大饱和磁感应强度的钴基多晶合金。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种向高温热源施加磁场的装置，包括线圈1和磁芯2，所述磁芯2为采用高温导磁材料制备的带开口磁芯，开口的相对两端为磁极，两磁极之间有容纳高温热源场的空间，该高温热源场的温度为500～1400℃，当该温度为600～1400℃时，所述高温热源场与所述磁极之间设有热障层3，将高温热源场与磁极隔开，所述磁极的工作温度为500～1050℃；

所述高温导磁材料为多晶钴基合金材料，其化学成份按重量百分比为Co_xFe_{100-x- y}M_y，式中M为选自碳、硫、钼、锰、镍的掺杂元素，90≤x≤100，y≤0.3。

所述热障层3为可抽真空的中空结构，热障层材质选自耐高温陶瓷材料氧化铝、氧化锆、二氧化硅。

所述高温导磁材料的居里温度为850～1050℃。

所述高温热源场温度为1000～1400℃时，热障层2为真空热障层，使磁极温度低于1000℃；高温热源场温度为600～1000℃时，热障层2为不抽真空热障层；低于600℃时，不使用热障层2。

所述磁芯2为C形或带开口的‘回’字形。

所述磁芯2外有线圈1和水冷管道，所述线圈1由直流稳压电源供电以磁化磁芯，所述水冷管道设置在远离所述高温热源场的位置。

所述磁芯和所述磁极为没有缝隙的同一块高温导磁材料构成。

一种使用如所述装置向高温热源施加磁场的方法，待磁化部件置于一高温热源场内，包括如下步骤：

1)采用高温导磁材料制备带开口的磁芯，开口的相对两端为磁极；

2)所述磁极设置于所述高温热源场两侧，该高温热源场的温度为500～1400℃；

3)所述高温热源场与所述磁极之间设置热障层3，所述热障层3将所述高温热源场与磁极隔开，磁极的工作温度为500～1050℃；

4)所述磁芯2由线圈1供电磁化，在两磁极间产生磁化用磁场；

所述高温导磁材料为多晶钴基合金材料，其化学成份按重量百分比为Co_xFe_{100-x- y}M_y，式中M为选自碳、硫、钼、锰、镍的掺杂元素，90≤x≤100，y≤0.3。

所述高温导磁材料磁极的工作温度为500～850℃。

一种高温导磁软磁材料，用于给500～1400℃高温热源场内的部件施加磁场，该材料的化学成份按重量百分比为Co_xFe_100-x-yM_y，为钴基合金多晶材料，式中M为少量掺杂元素，选自碳、硫、钼、锰、镍中的一种或多种，90≤x≤100，y≤0.3。

所述高温导磁材料的居里温度为850～1050℃。

x:90～99.7，y:0.2～0.3，居里温度为880～1047℃。

所述高温导磁材料加热到1150℃-1200℃后保温1小时，然后锻造成为棒状或其它形状。

本发明的有益效果如下：

本发明首先导磁材料的合金成分进行了选择和设计，采用铁钴合金为基本的合金元素，通过元素比例、微量掺杂来改变材料在高温下的导磁性能。该导磁材料可用于给高温热源提供磁场，使得高温导磁材料的温度高于600℃，甚至高达1400℃，所以基本排除了非晶和纳米晶软磁材料，考虑到单晶的制备成本高等问题，最好采用多晶材料。本发明得到的装置可用于对超过1000℃温度下的热源施加磁场，使用的钴含量大于等于90％的钴铁多晶合金，具有居里温度高、饱和磁感应强度大，高温磁性能稳定的优点，采用所述钴铁多晶合金作磁芯和磁极材料结合热障层的设计，可以给超过1000℃温度下的热源施加磁场，磁极的工作温度可达到1050℃，由于增加了真空热障层，样品的温度可以更高，比如1400℃，满足核工业、深空探测、能源等领域对高温下施加磁场的需求。

附图说明

图1为本申请为高温热源施加磁场的示意图；

图2为常用高温软磁材料的磁感应强度与温度的关系示意图。

其中，1为线圈，2为高温导磁材料，3为真空热障层

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明公开一种具备高居里温度、大饱和磁感应强度的钴基多晶合金及采用所述合金给高温热源施加磁场的方法。

一种高温导磁材料，所述材料为多晶钴基合金，成份为Co_xFe_100-x-yM_y，式中x、y为重量百分比，且满足90≤x≤100，所述M为碳、硫、钼、锰、镍等少量掺杂元素，y≤0.3。所述高温导磁材料的居里温度高达1020℃。所述钴基合金材料加热到1150℃-1200℃后保温1小时，然后煅为棒状或其它形状备用。

一种向高温热源施加磁场的方法，采用所述的高温导磁材料制备磁芯和磁极，所述高温热源处于所述磁极中间，所述高温热源与所述磁极之间有真空热障层3，所述真空热障层为氧化铝、氧化锆、二氧化硅等耐高温陶瓷材料中的一种构成，所述真空热障层将所述热源与所述高温导磁材料极头隔开，所述高温导磁材料极头的温度低于1000℃，优选低于800℃，更优选低于600℃。所述热源温度低于600℃时，可以不用所述热障层。所述极头和所述磁芯由同一块高温导磁材料构成，中间没有分开。所述磁芯在远离热源的地方绕有水冷线圈，所述线圈由直流稳压电源供电以磁化磁芯。

所述高温导磁材料极头的温度为磁极能够承受的温度，即样品的温度或者说高温热源的温度可以比此处的温度高，只要保证磁极本身的温度在此处温度的最高值即1050℃以下，就可以正常工作；且由于增加了真空热障层，这时样品的温度可达到1400℃。

下面结合具体实施例进行说明

实施例1

按照Co_xFe_100-x-yM_y分子式，以x＝93.75、y＝0.3重量百分比称取99.9％纯度的钴和99.9％纯度的铁备用，M为钼。将上述原材料混合后放入真空感应熔炼炉，抽真空至10Pa以下，然后冲入高纯氩气进行冲洗，再次将真空抽至10Pa以下，反复3次后充入5000Pa高纯氩气开始熔炼。原料熔化后保持120s，采用电磁力充分搅拌熔液后进行铸锭得到母合金。去掉母合金表面氧化层，随炉加热母合金材料，在1150℃-1200℃保温1小时后进行锻打，锻成需要的形状。所得材料居里温度为1020℃。

将上述材料锻成断开的“回”形，如图1所示，在“回”形远离极头缝隙的区域缠绕线圈，线圈可以水冷。在极头处用二氧化硅加工圆形的热障层3，热障层3为双层，中间抽真空。需要施加磁场的热源温度升至1100℃后，极头处的温度低于850℃，磁场从0-6000Gs连续可调。该高温导磁材料和施加磁场的方法有望用于核工业、深空探测以及能源领域。

实施例2-5

采用实施例1中所用的工艺，方法，改变Co含量x和掺杂元素M，所得材料的居里温度如下表所示：

	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
					Co含量wt％	90	94.25	97	99.7
Fe含量Wt％	9.8	5.5	2.7	0.1
					M	钼	碳	硫	镍
居里温度	880℃	1028℃	1032℃	1047℃

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种向高温热源施加磁场的装置，包括线圈(1)和磁芯(2)，其特征在于，所述磁芯(2)为采用高温导磁材料制备的带开口磁芯，开口的相对两端为磁极，两磁极之间有容纳高温热源场的空间，所述高温热源场与所述磁极之间设有耐高温陶瓷材料的热障层(3)，将高温热源场与磁极隔开；

所述高温热源场温度为1000～1400℃时，热障层(3)为真空热障层，使磁极温度低于1000℃；

所述高温导磁材料为多晶钴基合金材料，其化学成份按重量百分比为Co_xFe_100-x-yM_y，式中M为选自碳、硫、钼、锰、镍的掺杂元素，90≤x≤100，y≤0.3；居里温度为850～1050℃；

该装置用于在核电动力系统、深空探测和液态金属电池的静态工作条件下施加高温磁场。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热障层(3)为可抽真空的中空结构，热障层材质选自耐高温陶瓷材料氧化铝、氧化锆、二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁芯(2)为C形或带开口的‘回’字形。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁芯(2)外有线圈(1)和水冷管道，所述线圈(1)由直流稳压电源供电以磁化磁芯，所述水冷管道设置在远离所述高温热源场的位置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁芯和所述磁极为没有缝隙的同一块高温导磁材料构成。

6.一种使用如权利要求1所述装置向高温热源施加磁场的方法，待磁化部件置于一高温热源场内，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用高温导磁材料制备带开口的磁芯，开口的相对两端为磁极；

2)所述磁极设置于所述高温热源场两侧，该高温热源场的温度为1000～1400℃；

3)所述高温热源场与所述磁极之间设置热障层(3)，所述热障层(3)将所述高温热源场与磁极隔开，磁极的工作温度低于1000℃；

4)所述磁芯(2)由线圈(1)供电磁化，在两磁极间产生磁化用磁场。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高温导磁材料磁极的工作温度为500～850℃。

8.一种如权利要求1所述的向高温热源施加磁场的装置的高温导磁材料，用于给1000～1400℃高温热源场内的部件施加磁场，其特征在于，该材料的化学成份按重量百分比为Co_xFe_100-x-yM_y，为钴基合金多晶材料，式中M为少量掺杂元素，选自碳、硫、钼、锰、镍中的一种或多种，90≤x≤100，y≤0.3；该高温导磁材料的居里温度为850～1050℃。

9.根据权利要求8所述的高温导磁材料，其特征在于，x：90～99.7，y：0.2～0.3，居里温度为880～1047℃。

10.根据权利要求8所述的高温导磁材料，其特征在于，所述高温导磁材料加热到1150℃-1200℃后保温1小时，然后锻造成为棒状或其它形状。