本文へジャンプ

成果報告書詳細
管理番号20170000000364
タイトル平成28年度成果報告書 次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発 新規高性能磁性材料に関する検討/磁気歪みを有効活用した低損失軟磁性材料の創製に関する検討
公開日2017/6/8
報告書年度2016 - 2016
委託先名国立大学法人長崎大学
プロジェクト番号P14015
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名: 平成28年度成果報告書 次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発/新規高性能磁性材料に関する検討/磁気歪みを有効活用した低損失軟磁性材料の創製に関する検討

<調査研究項目A> 計算機シミュレーションによる微細構造の構築指針の獲得とその構築
Fe-Ga合金の磁気特性(計算機解析)
本検討では,マイクロマグネティックス理論による計算機シミュレーションにより磁気歪み誘導軟磁性効果が発現するミクロ構造を明らかにすることを目的に研究を行った。その結果,Fe-Ga合金では,結晶粒径を70 nm以下にすることで,優れた軟磁気特性が得られることがわかった。

Fe-Gaめっき膜の創製
 で得られた構造指針をもとに,めっき法を用いたFe-Ga創製を検討した。FeおよびGaの硫酸塩を用いたホウ酸浴を用いて成膜を行ったが,膜質が悪く実応用には向かない膜であった。ホウ酸をクエン酸に変更することで.膜質は改善されたものの,Gaの材料コストが高いことや基板からの剥離が難しく検討継続には不向きな材料であると判断した。

Fe-Ni合金の磁気特性(計算機解析)
飽和磁化が約1.6 TであるFe55Ni45付近の組成を調査対象とし,計算機シミュレーションによる保磁力の結晶粒径依存性を調べた。その結果,Fe-Ni合金の臨界粒径は120 nm付近であり,Fe-Ga合金よりも大きな粒径で,優れた軟磁気特性が得られることがわかった。

Fe-Niめっき膜の創製
 FeおよびNiの硫酸塩を用いたクエン酸浴からのFe-Niめっき膜創製を行った。電流密度が200 mA/cm2の時に約3 µm/minの成膜速度が得られた。

Fe-Niめっき膜の構造組織と磁気特性
 めっき法を用いて作製したFe55Ni45付近の膜の保磁力は,交換結合を考慮して計算した保磁力値とほぼ一致した。この結果より,作製した膜の結晶粒間に交換結合が働いていることを確認し,結晶粒が十分微細化されていることを確認した。

<調査研究項目B> 低損失材料の創製
電着応力の活用による低損失材料の創製
 電着時に残留する内部応力を介した異方性を付与することによる軟磁気特性の改善を目指した。電着応力の大きさや向きを評価したところ,Fe55Ni45付近の膜は比較的大きな電着応力が残留している可能性が示唆された。磁区観察を行ったところ,異方性付与の可能性を示唆する結果が得られた。


板厚低減による低損失材料の創製
 うず電流損失の低減を鑑み,めっき法を用いた板厚10 µm以下の極薄薄帯の作製を行った。Fe-Ni系材料にて組成を変化させて薄帯状試料を作製したところ,Feが35 at.%を超えると,基板から剥離させることが難しくなった。飽和磁化の増加のため,Niの一部のCo置換を検討した。その結果, 1.6 Tの飽和磁化,薄帯状試料の実現,は達成できたが,低損失の実現,が課題となった。

<調査研究項目C> 低損失化
アンモニウム塩浴の適用
クエン酸に替わるとして錯化剤として,塩化アンモニウムに着目し,低損失化を検討した。その結果,クエン酸浴よりも低い保磁力値を実現した。表面状態も良好であり,クエン酸浴と比較して明暗のコントラストがはっきりした磁区が形成されていた。

交流磁気特性
 アンモニウム塩浴から作製したFe-Ni膜の交流磁気特性を評価した。その結果,飽和磁束密度が1.2 T程度の材料で,5 W/kg@1 T・400 Hz程度の損失値であった。
英文要約Title: Development of Magnetic Materials Used in High-Efficiency Motors for Next-generation Vehicles / Investigation on New High-performance Hard Magnetic Materials / Development of soft magnetic materials with low loss using a magnetoelastic effect (FY2016) Final Report

A: Simulation of soft magnetic properties and fabrication of soft magnetic materials
Magnetic properties of Fe-Ga alloys (Computer simulation)
We simulated magnetic properties of Fe-Ga alloys for clarification of an optimal micro-structure to obtain low magnetic loss. From this research, we found that the Fe-Ga alloys with grain size of < 70 nm show low coercivity.

Fabrication of electroplated Fe-Ga films
We employed an electroplating method to obtain small grain size for Fe-Ga alloys. Fe-Ga films were electroplated using a plating bath containing a boric acid, and we confirmed that the films are not suitable for commercial applications since the film surface is very rough.

Magnetic properties of Fe-Ni alloys (Computer simulation)
As we found that Fe-Ga alloys are not suitable in the research of , Fe-Ni alloys were employed and the magnetic properties of Fe55Ni45 alloys were simulated. From the simulation results, we found that the critical grain size for Fe-Ni alloys is approximately 120 nm.

Fabrication of electroplated Fe-Ga films
We electroplated Fe-Ni films using citric-acid-based plating baths, and evaluated the plating rate. Consequently, high plating rate of approximately 3 um/min was obtained.

Relationship between microstructure and soft magnetic properties of electroplated Fe-Ni films
 The coercivity of the electroplated Fe55Ni45 film was almost the same as the calculated coercivity considering the exchange magnetic coupling among the Fe-Ni grains. This result suggests that the grain size of the electroplated Fe55Ni45 film is very fine, and that the required microstructure obtained from the research of could be realized.

B: Fabrication of soft magnetic materials with low magnetic loss
Reduction in magnetic loss by an internal stress
For reduction in magnetic loss using an internal stress by electroplating, we evaluated the internal stress with a cantilever-typed thin substrate. The evaluated results imply that large internal stress remains in the Fe55Ni45 films.

Reduction in magnetic loss by reduction in thickness
 We electroplated Fe-Ni thin films (< 10 um) on the Cu substrates, and peeled off the films from the substrate.

C: Further reduction in magnetic loss
Change of complex agent
We employed NH4Cl as a complex agent instead of the citric acid. The Fe22Ni78 films prepared in a plating bath with NH4Cl shows much lower coercivity values compared with that for the citric-acid-based baths.

Ac magnetic properties
We fabricated a Fe-Ni ring core prepared in an plating bath with NH4Cl and evaluated ac magnetic properties of the core. As a result, the magnetic loss was approximately 5 W/kg (@400 Hz·1 T).
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る