浅谈软磁铁氧体材料及应用＊

2011-08-15崔锦华

陶瓷 2011年6期

关键词：软磁磁导率磁芯

崔锦华

（陕西金山电器有限公司陕西咸阳 712000）

浅谈软磁铁氧体材料及应用＊

崔锦华

（陕西金山电器有限公司陕西咸阳 712000）

着重介绍了软磁铁氧体磁性材料的发展历史、性能特点和一般用途，并对软磁铁氧体材料的技术现状和发展动态进行了描述，为软磁铁氧体磁性材料的开发、研究及应用提供了借鉴。

高磁导率功率铁氧体低损耗

磁性材料的发展和研究是一个古老而又日新月异的课题，由于其与众不同的优点，使得其应用也早已深入到工业、农业、国防、医疗、科学研究以及人们的日常生活中，软磁铁氧体材料的开发研究和应用在近些年也得到了人们越来越多的关注。笔者以下着重介绍软磁铁氧体材料的性能特点和用途。

1 软磁铁氧体材料的发展历史

早在20世纪30年代，荷兰和日本首次研制成功了软磁铁氧体材料，进入40年代后发达国家就实现了软磁铁氧体材料生产的工业化，并完成了基础技术的发展工作，而大多数国家（包括中国）软磁铁氧体材料的工业化生产是在20世纪50年代。

20世纪60年代技术发达国家软磁铁氧体材料的生产工艺和成分添加的研究和开发取得了长足发展。主要体现在高纯度原材料的选择与控制、气氛控制、材料均匀性、显微结构等方面的研究和应用，使其在高磁导率、低损耗、高稳定性、高密度以及高饱和磁通密度方面的开拓性研究成为可能。特别是喷雾法、铁氧体薄膜法、气氛处理等制造工艺的采用，不但改进了传统的氧化物陶瓷工艺，同时也进一步稳定和提高了铁氧体材料的性能，拓宽了软磁铁氧体材料的应用范围。

中国与世界上大多数国家相似，20世纪50年代才进入软磁铁氧体材料工业化生产和应用，但由于与技术发达国家的差距，整个60年代其技术性能、生产工艺的发展都是缓慢的。从80年代开始，因为电视机、收录机等家用电子产品的普及刺激了铁氧体材料工业的发展，特别是电视机磁芯的大量需求、几条德国生产流水线的引进，促使我国软磁铁氧体材料的产量有了较大的提高。

2 软磁铁氧体材料的种类、特性及应用

目前，在电子工业（除了一些低频和强电工业）领域，软磁铁氧体材料已成为非常重要的电子材料之一，在高频率应用中占有不可替代的统治地位，这主要得益于它具有比软金属材料高得多电阻率和高频磁导率的优势。软磁铁氧体材料用途的广泛性，使它形成了很多的材料系列，大致可分为以下几类：

2.1 高磁导率铁氧体材料

早在1966年，发达国家就已研制出了磁导率为40 000的MnZn铁氧体材料，但目前大量生产和应用的高磁导率铁氧体材料，磁导率一般为10 000～18 000。制造高磁导率铁氧体要有精确的化学成分，高纯度的原材料以及特殊的工业过程才可获得良好的晶粒结构，这一点就极大地限制了高磁导率材料的工业化生产。在应用方面，考虑到微小气隙会使高的磁导率迅速下降，因此当使用多件闭路磁芯时（如EI型、EE型、RM型磁芯等），其结合面必须进行研磨抛光并保持严格的平行度，故环形磁芯是优先考虑的形状。

高磁导率MnZn铁氧体材料是研究较多、应用较广和产量较大的材料，它具有高磁导率、低损耗、高稳定性、低减落等特性，其主要用于制作宽带或脉冲变压器，也可用在记录磁头上。

在国内，20世纪70年代已经研制出了磁导率为10 000的高磁导率铁氧体材料，但其主要停留在试验室、工艺研究和少量生产阶段。进入80年代后，随着彩色电视机走进千家万户，彩色电视机电源滤波器的需求，不少企业已经能够生产出初始磁导率为5 000的高磁导率材料，并制造成UF或EE型磁芯，在采用氮气保护的电气隧道窑时，大规模生产的软磁铁氧体材料性能达到了日本TDK公司材料的水平。这些年，由于数字通信技术、笔记本电脑以及其它高档电子设备EMI拟制滤波器、互联网ISDN以及PHS等数字领域的迅猛发展以及高磁导率软磁铁氧体材料的广泛应用，高磁导率软磁铁氧体材料的研发能力、制造设备、制造工艺等也得到了快速地发展。

2.2 低损耗铁氧体磁芯

低损耗MnZn铁氧体材料是研究最多、应用最广和产量最大的材料，其制成的罐形磁芯广泛的应用于有线通信设备中，是高质量滤波器不可缺少的电感元件。在LC滤波电路中的铁氧体磁芯线圈，要求有较高的品质因数、良好的温度稳定性、低减落以及小的非线性失真等特性。早在20世纪70年代，日本曾宣布用共沉法及附加少量杂质制得比损耗因数tanδ/μi＝0.8×10－6的MnZn铁氧体材料，但由于其制造成本高，材料的大批量生产受到了限制。大多数公司大规模生产的低损耗铁氧体磁芯材料性能通常为：此损耗因数tanδ/μi＝（2.3～2.5）×10－6（f＝100kHz），磁导率与温度系数比α/μi＝（1.0～1.5）×10－6（20～55℃），减落系数 DF＝（2～5）×10－6。

近年来由于数字通信和光纤通信的飞速发展以及数字式电子－机械滤波器的竞争，铁氧体滤波器用磁芯已大大减少。有一种适用于高密度装配的RM型磁芯，因为其具有罐形磁芯特有的屏蔽好、漏磁少等优点，又有较高的Q值和稳定性，出线口大，导线在绕完后容易固定，便于自动化生产而受到用户的认同。

在国内，低损耗MnZn铁氧体材料的生产水平为：磁导率μi＝2 000，比损耗因数tanδ/μi＝5×10－6（f＝100 kHz），磁导率与温度系数比α/μi＜1.5×10－6（20～60℃），减落系数DF＝2×10－6

2.3 功率铁氧体材料

使用功率铁氧体材料代替笨重的矽钢片作变压器磁芯是20世纪70年代开关电源出现以后，其给电子设备用的电源变压器带来了革命性的变革，最重要的是大大缩小了电源的体积。这类铁氧体材料要求有高的饱和磁感应强度Bs，且在实际使用的温度范围内（60～100℃）要有低的功率损耗。

为了提高开关电源的传输功率和开关频率，减少因为使用频率的提高而带来的涡流和自然谐振造成的功耗的加大，MnZn系铁氧体材料是最好的选择。为此，近些年来世界各国的知名企业竞相投入大量的人力和物力，不断开发新的功率铁氧体材料，这些材料多数采用准确调整烧结冷却气氛，严格控制固相反应过程等特殊的烧结工艺以及附加Ca、Si、Ti、Co等微量杂质细化晶粒，有利于形成高阻晶界，提高高频阻抗，同时钉扎畴壁，以减少共振能量衰耗，达到了降低高频功率损耗的目的。

为了适应更高频开关电源变压器的需求，功率铁氧体材料的开发是朝着高频、低损耗的方向发展。其磁芯形状也由原先的EE型、EI型或UI型研发出了新的EC型、ETD型和PQ型，新的磁芯形状有较大的绕线空间，可增加绕组尺寸，且具有更均匀的截面积，同时适应于自动化生产装配。

2.4 射频铁氧体材料

NiZn铁氧体材料具有高的磁导率，一般可达5 000以上；高电阻率一般也可达1010Ω·cm；居里温度也较MnZn系的材料高，矫顽力Hc一般可达到7.96A/m。在f＞1MHz的高频范围使用，磁芯损耗较小。此类磁芯质量轻、品种多、数量较大。通常制成I型、帽型、棒形、螺纹等小型磁芯，可制作各种小型电感器、中周变压器、滤波线圈、振荡线圈等多种高频电感器，在电视机、收音机等电子产品中大量使用。近年来在工业电子产品和军用电子装备中得到广泛应用，但由于这类应用大都要求磁芯损耗小和温度系数为恒定的正值，这就为其制造带来了很多困难，因为让两者兼顾很困难。添加Co可以减小NiZn铁氧体的高频损耗但又会造成温度曲线的非线性。

近年来，一种抗干扰磁芯在无线电机中得到了广泛应用，这类磁芯通常使用中等磁导率的材料制成管形或小珠形，这类磁芯增加了对杂散高频信号的阻抗，从而抑制了高频干扰信号。在电视、通信、雷达上使用的一种宽频带传输线变压器，常使用双孔或多孔铁氧体磁芯，可完成阻抗变换或能力传输等功能。磁导率为100～1 500的中等磁导率的NiZn铁氧体，在截止频率以上的宽频带范围，有较低的传输损耗，若选择最佳的磁芯尺寸，可有更大的频带宽度。

总之，具有良好稳定性的高频NiZn铁氧体磁芯，在军用电感器、高频功率器件、脉冲应用方面等具有广阔的发展前景。

3 软磁铁氧体材料发展趋势

纵观近年来软磁铁氧体材料产量的变化，可以明显地看出，世界铁氧体材料生产的中心已经完成了从世界发达国家向发展中国家的转移。如日本的TDK、FDK、日立，西欧的Philips、Siemens等已逐步转移到了中国、台湾、印度以及东南亚各国，以充分利用这一地区廉价的劳动力和低廉的原材料资源。

目前，软磁铁氧体材料开发研究的主要内容有：①低损耗低温度系数MnZn铁氧体材料；②宽频高阻抗软磁铁氧体材料；③宽温低温度系数高频NiZn铁氧体材料；④网络信号传输器件用低失真材料；⑤低频无极灯用低损耗宽温MnZn铁氧体功率材料；⑥数字电路高直流叠加宽带变压器用软磁MnZn铁氧体材料；⑦液晶显示器（LCD）背光灯电源用铁氧体材料。