淺談軟磁鐵氧體材料及應用＊

崔錦華

（陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽 712000）

淺談軟磁鐵氧體材料及應用＊

崔錦華

（陜西金山電器有限公司 陜西 咸陽 712000）

著重介紹了軟磁鐵氧體磁性材料的發(fā)展歷史、性能特點和一般用途，并對軟磁鐵氧體材料的技術現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進行了描述，為軟磁鐵氧體磁性材料的開發(fā)、研究及應用提供了借鑒。

高磁導率 功率鐵氧體 低損耗

磁性材料的發(fā)展和研究是一個古老而又日新月異的課題，由于其與眾不同的優(yōu)點，使得其應用也早已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、科學研究以及人們的日常生活中，軟磁鐵氧體材料的開發(fā)研究和應用在近些年也得到了人們越來越多的關注。筆者以下著重介紹軟磁鐵氧體材料的性能特點和用途。

1 軟磁鐵氧體材料的發(fā)展歷史

早在20世紀30年代，荷蘭和日本首次研制成功了軟磁鐵氧體材料，進入40年代后發(fā)達國家就實現(xiàn)了軟磁鐵氧體材料生產(chǎn)的工業(yè)化，并完成了基礎技術的發(fā)展工作，而大多數(shù)國家（包括中國）軟磁鐵氧體材料的工業(yè)化生產(chǎn)是在20世紀50年代。

20世紀60年代技術發(fā)達國家軟磁鐵氧體材料的生產(chǎn)工藝和成分添加的研究和開發(fā)取得了長足發(fā)展。主要體現(xiàn)在高純度原材料的選擇與控制、氣氛控制、材料均勻性、顯微結構等方面的研究和應用，使其在高磁導率、低損耗、高穩(wěn)定性、高密度以及高飽和磁通密度方面的開拓性研究成為可能。特別是噴霧法、鐵氧體薄膜法、氣氛處理等制造工藝的采用，不但改進了傳統(tǒng)的氧化物陶瓷工藝，同時也進一步穩(wěn)定和提高了鐵氧體材料的性能，拓寬了軟磁鐵氧體材料的應用范圍。

中國與世界上大多數(shù)國家相似，20世紀50年代才進入軟磁鐵氧體材料工業(yè)化生產(chǎn)和應用，但由于與技術發(fā)達國家的差距，整個60年代其技術性能、生產(chǎn)工藝的發(fā)展都是緩慢的。從80年代開始，因為電視機、收錄機等家用電子產(chǎn)品的普及刺激了鐵氧體材料工業(yè)的發(fā)展，特別是電視機磁芯的大量需求、幾條德國生產(chǎn)流水線的引進，促使我國軟磁鐵氧體材料的產(chǎn)量有了較大的提高。

2 軟磁鐵氧體材料的種類、特性及應用

目前，在電子工業(yè)（除了一些低頻和強電工業(yè)）領域，軟磁鐵氧體材料已成為非常重要的電子材料之一，在高頻率應用中占有不可替代的統(tǒng)治地位，這主要得益于它具有比軟金屬材料高得多電阻率和高頻磁導率的優(yōu)勢。軟磁鐵氧體材料用途的廣泛性，使它形成了很多的材料系列，大致可分為以下幾類：

2.1 高磁導率鐵氧體材料

早在1966年，發(fā)達國家就已研制出了磁導率為40 000的MnZn鐵氧體材料，但目前大量生產(chǎn)和應用的高磁導率鐵氧體材料，磁導率一般為10 000～18 000。制造高磁導率鐵氧體要有精確的化學成分，高純度的原材料以及特殊的工業(yè)過程才可獲得良好的晶粒結構，這一點就極大地限制了高磁導率材料的工業(yè)化生產(chǎn)。在應用方面，考慮到微小氣隙會使高的磁導率迅速下降，因此當使用多件閉路磁芯時（如EI型、EE型、RM型磁芯等），其結合面必須進行研磨拋光并保持嚴格的平行度，故環(huán)形磁芯是優(yōu)先考慮的形狀。

高磁導率MnZn鐵氧體材料是研究較多、應用較廣和產(chǎn)量較大的材料，它具有高磁導率、低損耗、高穩(wěn)定性、低減落等特性，其主要用于制作寬帶或脈沖變壓器，也可用在記錄磁頭上。

在國內(nèi)，20世紀70年代已經(jīng)研制出了磁導率為10 000的高磁導率鐵氧體材料，但其主要停留在試驗室、工藝研究和少量生產(chǎn)階段。進入80年代后，隨著彩色電視機走進千家萬戶，彩色電視機電源濾波器的需求，不少企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出初始磁導率為5 000的高磁導率材料，并制造成UF或EE型磁芯，在采用氮氣保護的電氣隧道窯時，大規(guī)模生產(chǎn)的軟磁鐵氧體材料性能達到了日本TDK公司材料的水平。這些年，由于數(shù)字通信技術、筆記本電腦以及其它高檔電子設備EMI擬制濾波器、互聯(lián)網(wǎng)ISDN以及PHS等數(shù)字領域的迅猛發(fā)展以及高磁導率軟磁鐵氧體材料的廣泛應用，高磁導率軟磁鐵氧體材料的研發(fā)能力、制造設備、制造工藝等也得到了快速地發(fā)展。

2.2 低損耗鐵氧體磁芯

低損耗MnZn鐵氧體材料是研究最多、應用最廣和產(chǎn)量最大的材料，其制成的罐形磁芯廣泛的應用于有線通信設備中，是高質(zhì)量濾波器不可缺少的電感元件。在LC濾波電路中的鐵氧體磁芯線圈，要求有較高的品質(zhì)因數(shù)、良好的溫度穩(wěn)定性、低減落以及小的非線性失真等特性。早在20世紀70年代，日本曾宣布用共沉法及附加少量雜質(zhì)制得比損耗因數(shù)tanδ/μi＝0.8×10－6的MnZn鐵氧體材料，但由于其制造成本高，材料的大批量生產(chǎn)受到了限制。大多數(shù)公司大規(guī)模生產(chǎn)的低損耗鐵氧體磁芯材料性能通常為：此損耗因數(shù)tanδ/μi＝（2.3～2.5）×10－6（f＝100kHz），磁導率與溫度系數(shù)比α/μi＝（1.0～1.5）×10－6（20～55℃），減落系數(shù) DF＝（2～5）×10－6。

近年來由于數(shù)字通信和光纖通信的飛速發(fā)展以及數(shù)字式電子－機械濾波器的競爭，鐵氧體濾波器用磁芯已大大減少。有一種適用于高密度裝配的RM型磁芯，因為其具有罐形磁芯特有的屏蔽好、漏磁少等優(yōu)點，又有較高的Q值和穩(wěn)定性，出線口大，導線在繞完后容易固定，便于自動化生產(chǎn)而受到用戶的認同。

在國內(nèi)，低損耗MnZn鐵氧體材料的生產(chǎn)水平為：磁導率μi＝2 000，比損耗因數(shù)tanδ/μi＝5×10－6（f＝100 kHz），磁導率與溫度系數(shù)比α/μi＜1.5×10－6（20～60℃），減落系數(shù)DF＝2×10－6

2.3 功率鐵氧體材料

使用功率鐵氧體材料代替笨重的矽鋼片作變壓器磁芯是20世紀70年代開關電源出現(xiàn)以后，其給電子設備用的電源變壓器帶來了革命性的變革，最重要的是大大縮小了電源的體積。這類鐵氧體材料要求有高的飽和磁感應強度Bs，且在實際使用的溫度范圍內(nèi)（60～100℃）要有低的功率損耗。

為了提高開關電源的傳輸功率和開關頻率，減少因為使用頻率的提高而帶來的渦流和自然諧振造成的功耗的加大，MnZn系鐵氧體材料是最好的選擇。為此，近些年來世界各國的知名企業(yè)競相投入大量的人力和物力，不斷開發(fā)新的功率鐵氧體材料，這些材料多數(shù)采用準確調(diào)整燒結冷卻氣氛，嚴格控制固相反應過程等特殊的燒結工藝以及附加Ca、Si、Ti、Co等微量雜質(zhì)細化晶粒，有利于形成高阻晶界，提高高頻阻抗，同時釘扎疇壁，以減少共振能量衰耗，達到了降低高頻功率損耗的目的。

為了適應更高頻開關電源變壓器的需求，功率鐵氧體材料的開發(fā)是朝著高頻、低損耗的方向發(fā)展。其磁芯形狀也由原先的EE型、EI型或UI型研發(fā)出了新的EC型、ETD型和PQ型，新的磁芯形狀有較大的繞線空間，可增加繞組尺寸，且具有更均勻的截面積，同時適應于自動化生產(chǎn)裝配。

2.4 射頻鐵氧體材料

NiZn鐵氧體材料具有高的磁導率，一般可達5 000以上；高電阻率一般也可達1010Ω·cm；居里溫度也較MnZn系的材料高，矯頑力Hc一般可達到7.96A/m。在f＞1MHz的高頻范圍使用，磁芯損耗較小。此類磁芯質(zhì)量輕、品種多、數(shù)量較大。通常制成I型、帽型、棒形、螺紋等小型磁芯，可制作各種小型電感器、中周變壓器、濾波線圈、振蕩線圈等多種高頻電感器，在電視機、收音機等電子產(chǎn)品中大量使用。近年來在工業(yè)電子產(chǎn)品和軍用電子裝備中得到廣泛應用，但由于這類應用大都要求磁芯損耗小和溫度系數(shù)為恒定的正值，這就為其制造帶來了很多困難，因為讓兩者兼顧很困難。添加Co可以減小NiZn鐵氧體的高頻損耗但又會造成溫度曲線的非線性。

近年來，一種抗干擾磁芯在無線電機中得到了廣泛應用，這類磁芯通常使用中等磁導率的材料制成管形或小珠形，這類磁芯增加了對雜散高頻信號的阻抗，從而抑制了高頻干擾信號。在電視、通信、雷達上使用的一種寬頻帶傳輸線變壓器，常使用雙孔或多孔鐵氧體磁芯，可完成阻抗變換或能力傳輸?shù)裙δ?。磁導率?00～1 500的中等磁導率的NiZn鐵氧體，在截止頻率以上的寬頻帶范圍，有較低的傳輸損耗，若選擇最佳的磁芯尺寸，可有更大的頻帶寬度。

總之，具有良好穩(wěn)定性的高頻NiZn鐵氧體磁芯，在軍用電感器、高頻功率器件、脈沖應用方面等具有廣闊的發(fā)展前景。

3 軟磁鐵氧體材料發(fā)展趨勢

縱觀近年來軟磁鐵氧體材料產(chǎn)量的變化，可以明顯地看出，世界鐵氧體材料生產(chǎn)的中心已經(jīng)完成了從世界發(fā)達國家向發(fā)展中國家的轉移。如日本的TDK、FDK、日立，西歐的Philips、Siemens等已逐步轉移到了中國、臺灣、印度以及東南亞各國，以充分利用這一地區(qū)廉價的勞動力和低廉的原材料資源。

目前，軟磁鐵氧體材料開發(fā)研究的主要內(nèi)容有：①低損耗低溫度系數(shù)MnZn鐵氧體材料；②寬頻高阻抗軟磁鐵氧體材料；③寬溫低溫度系數(shù)高頻NiZn鐵氧體材料；④網(wǎng)絡信號傳輸器件用低失真材料；⑤低頻無極燈用低損耗寬溫MnZn鐵氧體功率材料；⑥數(shù)字電路高直流疊加寬帶變壓器用軟磁MnZn鐵氧體材料；⑦液晶顯示器（LCD）背光燈電源用鐵氧體材料。

4 結語

我國軟磁鐵氧體材料的研究和應用一直處于比較落后的狀態(tài)，從主配方、添加物的選擇到生產(chǎn)工藝的研究都處于不成熟階段，有許多問題還需進一步研究解決。在此，淺談一些軟磁鐵氧體材料的特性以及用途和發(fā)展狀況，希望對軟磁鐵氧體新材料的開發(fā)和應用有所幫助。

1 張有剛，黃永杰，羅迪民.磁性材料.北京：科學出版社，1981

2 江東亮，李龍土，施劍林，等.中國材料工程大典（第8卷）.北京：化學工業(yè)出版社，2006

3 孫光飛，強文江.磁功能材料.北京：化學工業(yè)出版社，2007

4 D Stoppels.Developments in soft magnetic power ferrites.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1996，160：323～328

5 李樂中，蘭中文，余忠，等.MnZn功率鐵氧體的研究進展及發(fā)展趨勢.材料導報，2008，22（2）：93～96

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1002－2872－（2011）06－0031－02

崔錦華（1966－），本科，工程師；主要從事磁性材料及器件的測量與試驗。E－mail：119601303@qq.com