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(yīng)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(diǎn)和一般用途，并對軟磁鐵氧體材料的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了描述，為軟磁鐵氧體磁性材料的開發(fā)、研究及應(yīng)用提供了借鑒。

高磁導(dǎo)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(diǎn)，使得其應(yīng)用也早已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、科學(xué)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(yīng)用在近些年也得到了人們越來越多的關(guān)注。筆者以下著重介紹軟磁鐵氧體材料的性能特點(diǎn)和用途。

1 軟磁鐵氧體材料的發(fā)展歷史

早在20世紀(jì)30年代，荷蘭和日本首次研制成功了軟磁鐵氧體材料，進(jìn)入40年代后發(fā)達(dá)國家就實(shí)現(xiàn)了軟磁鐵氧體材料生產(chǎn)的工業(yè)化，并完成了基礎(chǔ)技術(shù)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(jì)50年代。

20世紀(jì)60年代技術(shù)發(fā)達(dá)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(jié)構(gòu)等方面的研究和應(yīng)用，使其在高磁導(dǎo)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(jìn)了傳統(tǒng)的氧化物陶瓷工藝，同時也進(jìn)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(yīng)用范圍。

中國與世界上大多數(shù)國家相似，20世紀(jì)50年代才進(jìn)入軟磁鐵氧體材料工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，但由于與技術(shù)發(fā)達(dá)國家的差距，整個60年代其技術(shù)性能、生產(chǎn)工藝的發(fā)展都是緩慢的。從80年代開始，因?yàn)殡娨暀C(jī)、收錄機(jī)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(jī)磁芯的大量需求、幾條德國生產(chǎn)流水線的引進(jìn)，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(yīng)用

目前，在電子工業(yè)（除了一些低頻和強(qiáng)電工業(yè)）領(lǐng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)率鐵氧體材料

早在1966年，發(fā)達(dá)國家就已研制出了磁導(dǎo)率為40 000的MnZn鐵氧體材料，但目前大量生產(chǎn)和應(yīng)用的高磁導(dǎo)率鐵氧體材料，磁導(dǎo)率一般為10 000～18 000。制造高磁導(dǎo)率鐵氧體要有精確的化學(xué)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(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)就極大地限制了高磁導(dǎo)率材料的工業(yè)化生產(chǎn)。在應(yīng)用方面，考慮到微小氣隙會使高的磁導(dǎo)率迅速下降，因此當(dāng)使用多件閉路磁芯時（如EI型、EE型、RM型磁芯等），其結(jié)合面必須進(jìn)行研磨拋光并保持嚴(yán)格的平行度，故環(huán)形磁芯是優(yōu)先考慮的形狀。

高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料是研究較多、應(yīng)用較廣和產(chǎn)量較大的材料，它具有高磁導(dǎo)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(jì)70年代已經(jīng)研制出了磁導(dǎo)率為10 000的高磁導(dǎo)率鐵氧體材料，但其主要停留在試驗(yàn)室、工藝研究和少量生產(chǎn)階段。進(jìn)入80年代后，隨著彩色電視機(jī)走進(jìn)千家萬戶，彩色電視機(jī)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(dǎo)率為5 000的高磁導(dǎo)率材料，并制造成UF或EE型磁芯，在采用氮?dú)獗Ｗo(hù)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(dá)到了日本TDK公司材料的水平。這些年，由于數(shù)字通信技術(shù)、筆記本電腦以及其它高檔電子設(shè)備EMI擬制濾波器、互聯(lián)網(wǎng)ISDN以及PHS等數(shù)字領(lǐng)域的迅猛發(fā)展以及高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料的廣泛應(yīng)用，高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料的研發(fā)能力、制造設(shè)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(yīng)用最廣和產(chǎn)量最大的材料，其制成的罐形磁芯廣泛的應(yīng)用于有線通信設(shè)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(jì)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(dǎo)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(jī)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?yàn)槠渚哂泄扌未判咎赜械钠帘魏谩⒙┐派俚葍?yōu)點(diǎn)，又有較高的Q值和穩(wěn)定性，出線口大，導(dǎo)線在繞完后容易固定，便于自動化生產(chǎn)而受到用戶的認(rèn)同。

在國內(nèi)，低損耗MnZn鐵氧體材料的生產(chǎn)水平為：磁導(dǎo)率μi＝2 000，比損耗因數(shù)tanδ/μi＝5×10－6（f＝100 kHz），磁導(dǎo)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(jì)70年代開關(guān)電源出現(xiàn)以后，其給電子設(shè)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(yīng)強(qiáng)度Bs，且在實(shí)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(guān)電源的傳輸功率和開關(guān)頻率，減少因?yàn)槭褂妙l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(zhǔn)確調(diào)整燒結(jié)冷卻氣氛，嚴(yán)格控制固相反應(yīng)過程等特殊的燒結(jié)工藝以及附加Ca、Si、Ti、Co等微量雜質(zhì)細(xì)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(dá)到了降低高頻功率損耗的目的。

為了適應(yīng)更高頻開關(guān)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(yīng)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(dǎo)率，一般可達(dá)5 000以上；高電阻率一般也可達(dá)1010Ω·cm；居里溫度也較MnZn系的材料高，矯頑力Hc一般可達(dá)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(jī)、收音機(jī)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(yīng)用，但由于這類應(yīng)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?yàn)樽寖烧呒骖櫤芾щy。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(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，這類磁芯通常使用中等磁導(dǎo)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(dá)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?dǎo)率為100～1 500的中等磁導(dǎo)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(yīng)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(dá)國家向發(fā)展中國家的轉(zhuǎn)移。如日本的TDK、FDK、日立，西歐的Philips、Siemens等已逐步轉(zhuǎn)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(luò)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(jié)語

我國軟磁鐵氧體材料的研究和應(yīng)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(jìn)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?fàn)顩r，希望對軟磁鐵氧體新材料的開發(fā)和應(yīng)用有所幫助。

1 張有剛，黃永杰，羅迪民.磁性材料.北京：科學(xué)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(xué)工業(yè)出版社，2006

3 孫光飛，強(qiáng)文江.磁功能材料.北京：化學(xué)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(jìn)展及發(fā)展趨勢.材料導(dǎo)報，2008，22（2）：93～96

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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(yàn)。E－mail：119601303@qq.com