軟磁材料的分類介紹（3）——鐵氧體

一、鐵氧體介紹

       20 世紀40 年代二次世界大戰(zhàn)中發(fā)明了雷達，要求使用能在中高頻和高頻領(lǐng)域中工作的軟磁材料（指矯頑力小，容易磁化的磁性材料），從而發(fā)明了錳鋅軟磁鐵氧體和鎳鋅軟磁鐵氧體。由于軟磁鐵氧體在高頻下具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、低損耗等特點，并且具有批量生產(chǎn)容易、性能穩(wěn)定、機械加工性能高，可利用模具制成各種形狀的磁芯，特別是成本低等特點，而迅速推廣應(yīng)用于通信、傳感、音像設(shè)備、開關(guān)電源和磁頭工業(yè)等方面。

      從20 世紀40 年代到現(xiàn)在，隨著技術(shù)的進步，軟磁鐵氧體也在不斷地發(fā)展。其主要的方向一是改變軟磁鐵氧體的成分。如今，錳鋅鐵氧體已派生出錳鎂鋅鐵氧體和錳銅鋅鐵氧體，鎳鋅鐵氧體已派生出鎳銅鋅鐵氧體。另外除了基本的氧化物外，還添加CaO、SiO2、Nb2O5、ZrO2、Ta2O5 等氧化物，以提高鐵氧體的性能；一是改變生產(chǎn)工藝，使粉體細化，從而減少損失和提高工作頻率。﹡

      經(jīng)過幾十年的發(fā)展完善，如今軟磁鐵氧體材料已成為一類應(yīng)用廣泛、種類繁多的功能材料。目前，工業(yè)生產(chǎn)的軟磁鐵氧體材料從成分上分主要有：Mn－Zn、Ni－Zn 系等尖晶石和平面型六角晶系兩大類（也有分為三類的）。從應(yīng)用角度講，它又可分為高磁導(dǎo)率（μi）、高頻大功率（又稱功率鐵氧體）和抗電磁干擾的（EMI）鐵氧體等幾類。

二、軟磁鐵氧體材料的種類及性能特點

2.1錳鋅系軟磁鐵氧體材料

      錳鋅系軟磁鐵氧體主要是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的mMnFe2O4·nZnFe2O4 與少量Fe3O4 組成的單相固溶體，用錳鋅系鐵氧體磁性材料做成的電感磁芯及磁性器件，應(yīng)用頻率從數(shù)百赫茲到幾千兆赫茲，是﹡重要的軟磁鐵氧體材料，其產(chǎn)量占了軟磁鐵氧體磁性材料總產(chǎn)量的60%以上，因此，錳鋅鐵氧體的發(fā)展更為引人注意。

      錳鋅鐵氧體材料主要分為高頻低功耗鐵氧體（又稱功率鐵氧體）和高磁導(dǎo)率即高μi 鐵氧體兩類。

(1) 功率鐵氧體

      功率鐵氧體的主要特征是在高頻（幾百千赫）高磁感應(yīng)（幾千高斯）的條件下，仍舊保持很低的功耗，而且其功耗隨磁芯的溫升而下降，在80℃左右達到﹡低點，從而可以形成良性循環(huán)。功率鐵氧體的主要用途是以各種開關(guān)電源變壓器和彩電回掃變壓器為代表的功率型電感器件，用途十分廣泛，是目前產(chǎn)量﹡大的軟磁鐵氧體。

      70 年代初，日本、歐洲廠商為適應(yīng)開關(guān)電源市場的需要，開發(fā)出*一代功率鐵氧體，典型牌號為TDK 的H35、FDK的H45 及飛利浦的3C85。這類材料由于功耗較大，且使用時溫升顯著，故一般只用于20kHz 左右的民用開關(guān)電源。80年代初，經(jīng)改進的第二代功率鐵氧體被開發(fā)出來，其﹡大特點是呈現(xiàn)負溫度系數(shù)功耗(20~80℃，隨溫度升高，功耗呈下降趨勢)，能有效防止溫升造成的電磁性能下降，且綜合指標較好，代表性的產(chǎn)品有TDK 的PC30、FDK 的N49、西門子的N27。       

      80年代中后期，為適應(yīng)高頻開關(guān)電源的發(fā)展，國外又開發(fā)出高頻功耗大幅降低、實用頻率一般可達100~500kHz 的第三代材料，如TDK 的PC40、FDK 的H63B、西門子的N67、飛利浦的3F3，這類材料特別適用于頻率為數(shù)百KHz 的開關(guān)電源，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于工業(yè)類的開關(guān)電源中。進入90 年代后，由于信息技術(shù)對器件小型化、片式化的要求，第四代功率鐵氧體又開發(fā)成功，向著高頻、低耗方向發(fā)展，代表牌號有TDK 的PC50、日立的SB－1M、西門子的N49、FUJI 的7H10、飛利浦的3F4 等，其功耗大大低于第三代材料，使用頻率一般可達500~1000kHz，可望滿足顯示器用回掃變壓器等器件向小型化、高頻化和低損耗發(fā)展的要求，是今后功率軟磁鐵氧體的發(fā)展方向。

      我國新發(fā)布的“軟磁鐵氧體材料分類”行業(yè)標準，把功率鐵氧體材料分為PW1~PW5 五類，其適用工作頻率也逐步提高。如適用頻率為15~100kHz 的PW1 材料；適用頻率為25~200kHz 的PW2 材料；適用頻率為100~300kHz 的PW3 材料；適用頻率為300~1MkHz 的PW4 材料；適用頻率為1~3MHz 的PW5 材料。目前，國內(nèi)的企業(yè)已能生產(chǎn)相當于PW1~PW3 材料，PW4 材料只有部分企業(yè)小批量試生產(chǎn)，PW5 材料有待于進一步開發(fā)和生產(chǎn)。日本TDK 的功率鐵氧體材料無論是質(zhì)量還是產(chǎn)量均處于國*領(lǐng)﹡地位。據(jù)說TDK 公司目前有10 多名博士從事錳鋅鐵氧體的開發(fā)工作，PC30 等牌號已基本不再生產(chǎn)，轉(zhuǎn)向從我國及東南亞進口，集中精力研發(fā)PC45-50 等高檔產(chǎn)品。我國的情況正好相反，1999 年的統(tǒng)計數(shù)字表明，全行業(yè)PC40 的產(chǎn)量很小，主要是B 檔和C 檔，即PC30 及以下的產(chǎn)品。2000 年以后情況有所改觀，不少單位加大技術(shù)創(chuàng)新力度，積極實施PC40 批量生產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)，A 檔產(chǎn)品不斷增加，C 檔產(chǎn)品有所減少，四川、江蘇、浙江的一些企事業(yè)單位先后完成了PC40、PC44、PC50 的研制工作，有的通過了PC44、PC50 的設(shè)計定型鑒定，有的開始規(guī)模化生產(chǎn)PC40 等高檔產(chǎn)品。

(2) 高磁導(dǎo)率鐵氧體

      磁導(dǎo)率是衡量軟磁鐵氧體材料性能的主要基本參數(shù)之一，通常將初始磁導(dǎo)率（μi）大于5000 的Mn－Zn 鐵氧體材料稱為高磁導(dǎo)率鐵氧體，高磁導(dǎo)率鐵氧體的主要特性是磁導(dǎo)率特別高，一般均達到10000 以上，從而可使磁芯體積縮小很多，適應(yīng)元器件向小型化、輕量化放行發(fā)展的需要。另外為了滿足使用要求，這類高磁導(dǎo)率小磁芯的表面質(zhì)量必須很好，平滑圓整，沒有毛刺，而且在其表面上必須涂覆一層均勻、致密、絕緣、美觀的有機涂層，這是一個技術(shù)難點。高磁導(dǎo)率鐵氧體在電子工業(yè)和電子技術(shù)中是一種急需和應(yīng)用廣泛的功能材料，可以做通訊設(shè)備、測控儀器、家用電器及新型節(jié)能燈具中的寬頻帶變壓器、微型低頻變壓器、小型環(huán)行脈沖變壓器和微型電感元件等更新?lián)Q代的電子產(chǎn)品。

      TDK、西門子、菲利浦、TOKIN 及美國SPANG 磁性分公司等是世界上高μi 軟磁鐵氧體材料研究開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)的先﹡者。TDK 在生產(chǎn)H5C2 的基礎(chǔ)上又先后開發(fā)出了H5C3、K5D 和H5E 等系列高磁導(dǎo)率鐵氧體材料；TOKIN 推出了12001H、18000H 材料；西門子上市了T42、T46 高磁導(dǎo)率材料。據(jù)磁性行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，1999 年我國生產(chǎn)的稱得上高μi（8000~10000）即A 檔的產(chǎn)量很少。2000 年后情況則有所改觀，山東及浙江、江蘇、四川、北京等地一些企事業(yè)單位近幾年來先后完成了μi 為10000~15000 材料的研制，并通過了設(shè)計定型鑒定，部分廠家實現(xiàn)了μi=10000及以上的高導(dǎo)錳鋅鐵氧體材料的批量生產(chǎn)。四川等地一些企業(yè)研發(fā)的R15K 高導(dǎo)錳鋅鐵氧體項目獲得了國家中小企業(yè)科技創(chuàng)新基金的大力支持，在大生產(chǎn)技術(shù)方面有所突破和創(chuàng)新。

軟磁材料

      真正意義上的高μi 軟磁鐵氧體材料,其μi 值應(yīng)在10000 以上,這樣才能滿足通訊、計算機等IT 產(chǎn)業(yè)和電子整機對各種器件超小型化、微型化的需求。近年來，高μi 鐵氧體的水平還在不斷提高，目前國內(nèi)外技術(shù)創(chuàng)新的奮斗目標是規(guī)?；a(chǎn)高μi=15000～18000 的錳鋅鐵氧體以及更為實用的具有寬頻、寬溫特性的高磁導(dǎo)率鐵氧體材料。

2.2 鎳鋅系軟磁鐵氧體材料

      Ni－Zn 系軟磁鐵氧體材料是另一類產(chǎn)量大、應(yīng)用廣泛的高頻軟磁材料。當應(yīng)用頻率在1MHz 以下時其性能不如Mn－Zn 系鐵氧體，而在1MHz 以上時，由于它具有多孔性及高電阻率，其性能大大優(yōu)于Mn－Zn 鐵氧體，非常適宜在高頻中使用。

      用鎳鋅軟磁鐵氧體材料做成的鐵氧體寬頻帶器件，使用頻率可以做到很寬，其下限頻率可做到幾千赫茲，上限頻率可達幾千兆赫茲，大大擴展了軟磁材料的頻率使用范圍，主要功能是在寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)射頻信號的能量傳輸和阻抗變換。由于它們具有頻帶寬、體積小、重量輕等特點而被廣泛應(yīng)用在雷達、電視、通訊、儀器儀表、自動控制、電子對抗等領(lǐng)域。

      世界上現(xiàn)已工業(yè)化生產(chǎn)鎳鋅鐵氧體的國家中，目前，日本TDK、FDK、德國西門子、美國Stealword 等公司的產(chǎn)品技術(shù)水平被*為是世界上﹡高的，射頻寬帶Ni－Zn（磁芯）的工作頻率可達0.1MHz～1.5GHz，品種規(guī)格上千種。而國內(nèi)起步較晚，僅有少數(shù)廠家在開發(fā)低噪聲濾波器和鐵氧體吸收與抑制元件，但與國外的差距較大，尚未系列化、標準化。      目前，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，在有線電視系統(tǒng)和閉路電視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的光纖同軸電纜混合（HFC）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為綜合信息寬帶網(wǎng)絡(luò)，具有顯著的優(yōu)勢。HFC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改造和建設(shè)，需要各種射頻寬帶鐵氧體器件，而射頻寬帶鐵氧體材料（磁芯）系列是制造上述鐵氧體器件的關(guān)鍵磁性材料。

      HFC 的發(fā)展，大大刺激了對射頻寬帶鐵氧體材料及器件的需求。Ni－Zn 軟磁鐵氧體材料除廣泛用于HFC 寬帶網(wǎng)絡(luò)外，還大量用于抗電磁干擾。使用鎳鋅系軟磁鐵氧體材料制成的濾波器、鐵氧體抑制器是其中﹡有效、簡單、經(jīng)濟的辦法之一。因此，在各種電子、電子線路中使用大量各種特性和各種形狀的EMI 軟磁鐵氧體磁芯，以滿足抗電磁干擾和電磁兼容的要求?？闺姶鸥蓴_產(chǎn)品和電磁兼容產(chǎn)品發(fā)展的方向是各類磁芯向高磁導(dǎo)率、高頻化、高速、小型化和片式高組裝密度化發(fā)展。如今用Ni-Zn 等軟磁材料做成的鐵氧體槳料和導(dǎo)體槳料交替疊層厚膜印刷和燒結(jié)而成、實現(xiàn)小型化表面安裝的器件已經(jīng)實用化，發(fā)展前途光明。