软磁铁氧体材料的发展及应用＊

李栓强

（陕西金山电器有限公司 陕西 咸阳 712021）

软磁铁氧体材料由于具有高磁导率、高电阻率、低损耗及陶瓷的耐磨性，因而在电视机的电子束偏转线圈、回扫变压器、收音机扼流圈、中周变压器、电感器、开关电源、通讯设备、滤波器、计算机、电子镇流器、抗EMI、新能源、节能环保、通信网络、光伏产业等得到了广泛的应用。

1 软磁铁氧体发展过程

一般地，从应用角度来分，软磁铁氧体材料主要分为功率材料和高磁导率材料2大类。为适应世界电子技术发展的需要，这2类铁氧体材料都已经得到了很大的发展，并且它们各自的分类也越来越细。现代功率铁氧体材料主要分为2大类：一类主要用于高频开关电源，即所谓高频低功耗材料；另一类主要用于高清晰度彩色电视机和显示器，即所谓偏转磁芯。

1932 ～1933年，日本的加藤和武井2人研制出铜锌复合铁氧体软磁材料和钴铁氧体永磁材料后，荷兰菲利普公司以Snoek为首进行了各种尖晶石铁氧体的系统研究，1946年出现了软磁铁氧体的商品生产，1950年初立方晶系软磁铁氧体材料进入商品化。1952年日本冈村敏彦发明了锰锌铁氧体，从而为以后的软磁铁氧体材料工业化打下基础。20世纪60年代是软磁铁氧体材料发展历程中很重要的时间。1960年开始对MnZn铁氧体的生成气氛进行研究，对控制Fe2＋浓度、Mn离子的变价起着重要的作用，从而为制备高质量MnZn铁氧体铺平道路。日本TDK公司在国际上最早批量生产各种软磁铁氧体磁芯，它既是软磁铁氧体磁芯材料的生产者，同时又是各种软磁铁氧体磁芯器件的开发和使用者。因此不论是从材料的开发上，还是从材料的应用上，TDK公司对世界软磁铁氧体的发展都起着重要作用。有关铁氧体方面的新材料、新工艺、新技术，以至新的应用领域大都是由TDK公司首先推出的，世界各大铁氧体生产企业也都紧跟TDK的发展步伐。开关电源变压器中很早就开始使用软磁功率铁氧体材料，随着开关电源工作频率的不断提高，这种功率铁氧体材料经历了几代发展。最初，为适应开关电源市场的需要，TDK于20世纪70年代初开发出第一代功率铁氧体材料如HC35。由于第一代材料的功耗较大，只能用在中心工作频率为20kHz左右的开关电源中。后来TDK于20世纪80年代初开发出了第二代功率铁氧体材料如H7C1（PC30），不仅将中心工作频率提高到了100kHz左右，大大提高了开关电源的使用频率，减小了开关电源的体积，同时这种材料功耗随着器件温度的升高，功耗呈现下降趋势，在器件温度达100℃左右时损耗达最低，也即目前众所周知的功耗温度系数在一定温度范围内呈负相关特性。80年代中后期，为了满足电子产品小型化、轻量化、薄型化、高效化的发展要求，第三代功率材料（PC40／6H20／N67／3F3等）将开关电源频率提高到100kHz，同时还大大降低了材料的功耗，提高开关电源的效率。20世纪90年代末至21世纪初，TDK、FDK等公司又相继开发成功具有超低损耗的功率铁氧体材料，并成功地进行批量生产。20世纪90年代器件小型化、轻量化、薄型化、高效化的发展趋势有增无减，开关电源的工作频率直指500kHz，为更小体积的发展提供技术保证。TDK、FDK、飞利浦、西门子等开发的第4代功率铁氧体材料，满足了开关电源进一步对轻、小、薄的需要，这一发展方向进入新世纪以来继续快速发展。开关电源用功率MnZn铁氧体材料主要有2大发展趋势：一是继续向超低功耗方向发展；二是继续向高频化方向发展。今后功率铁氧体材料研究开发的重点仍然是向小型化、高频化、低损耗化方向发展，同时要求材料应具有更高的室温及高温Bs、更好的直流叠加特性及温度特性等。

高磁导率铁氧体材料也经历了类似的发展历程，20世纪60年代德国Siemens公司的研究人员就在实验室制得初始磁导率μi＝40 000的材料，尽管其TC只有40℃，实用价值不大，但是至今仍保持着最高的μi记录。日本TDK公司早在1986年就在生产的 H5C2（μi＞104）的基础上成功地开发出了商品化的系列高磁导率MnZn铁氧体材料如 H5D（μi＞15 000）和 H5E（μi＞18000）等，但这2种材料的适用频率范围分别低于50kHz和10kHz，高频特性很差，因而大大限制了其应用范围。随着电子技术的发展，在抗电磁干扰噪声滤波器、电子电路宽带变压器、综合业务数据网（ISDN）、局域网（LAN）、宽域网（WAN）、背景照明等领域中需要大量频率特性优良的高磁导率MnZn铁氧体材料。

2 软磁铁氧体材料发展趋势

由于电子元器件向高稳定、高可靠、轻薄短小、宽适应性等方向发展，对各种磁性材料提出了更高的要求，即高性能、高稳定和高可靠、宽适应性。软磁铁氧体发展有以下几方面：

1）为满足开关电源小型化、轻量化、高性能化要求，功率铁氧体将向高频化、低功耗方向发展。

2）为适应多媒体通信、数字通信和移动通信及光纤通信小型化和宽频带，高磁导率材料将向更高磁导率和更高的工作频率发展。

3）为满足宽屏幕、高清晰度电视及高分辨计算机显示器的要求，应开发高饱和磁感应强度、低的损耗和严格的形状尺寸公差的软磁铁氧体磁芯。

4）为适应高档小型电感器及减少、抑制、消除电磁污染和干扰的需要，高频软磁铁氧体材料及器件将向高性能、高可靠、片式化、贴装化、薄膜化方向发展。

由于开关电源、射频通讯、抗电磁干扰、高清晰度电视、新型节能照明灯具及环保等新兴产业的发展，加上家电产业和计算机、传真机、程控交换机等工业发展长盛不衰，软磁铁氧体应用范围及市场需求将保持高速增长。

3 软磁铁氧体材料的应用

软磁铁氧体材料经过几十年发展，得到广泛应用，特别是在IT、绿色照明、通信、新能源、节能环保等领域同样得到广泛应用。

3.1 绿色照明和节能设备

节能环保是目前全人类面临的共同课题，前景无限美好。绿色照明节能设备正在成为全球数亿个家庭的必用品，这形成了目前和未来软磁材料最庞大的市场之一。随着技术的进一步发展，未来LED的应用市场结构也将产生较大的变化，LED背光源市场规模将成为最大应用领域，功能性及普通照明的市场规模也将快速增长。

3.2 光伏发电产业

光伏发电是21世纪最有发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净太阳光能，有利于环境保护，无可动部件，在光伏发电系统的逆变器中，软磁铁氧体磁心制备的器件得到应用。

3.3 通信网络

磁性电子元器件，特别是软磁器件在通讯中有着极其重要的作用。在通信网络应用中，磁性材料必须满足高频率、小型化、高磁性能、低损耗和抗电磁干扰的要求。通信网络技术发展将给软磁铁氧体器件发展提供巨大空间。

3.4 新能源汽车和汽车电子

我国汽车工业发展世界瞩目，汽车电子的迅猛发展给软磁铁氧体提供了一个广阔的应用领域。新能源汽车自身发展优势，将会带动软磁铁氧体发展。

3.5 IT产业

随着笔记本电脑里电子元件的时钟频率的提高和小型化，应用的元件也必须相应的高频化，片式化，使软磁铁氧体发展具有广阔的发展前景。

3.6 彩色电视机

彩电在中国消费类电子产品中一直占主导地位，同样是软磁铁氧体材料使用量比较大的一个行业。自从20世纪80年代电视机逐步发展以来，软磁铁氧体得到迅速发展，随着平板电视的发展壮大，将为软磁铁氧体材料发展带来新的机遇。

软磁铁氧体材料是应用最广、用量最大的一种磁性材料。随着信息产业的迅速发展和全球范围内的经济复苏及快速增长，国际国内对软磁铁氧体的大生产工艺技术、相关设备、应用技术及其发展方向的研究不断深入，各种新兴产业的快速发展以及传统产业的升级改造，将给软磁铁氧体材料带来广阔的应用空间。