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率、高電阻率、低損耗等特點，并且具有批量生產容易、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，而迅速推廣應用于通信、傳感、音像設備、開關電源和磁頭工業(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用廣泛、種類繁多的功能材料。目前，工業(yè)生產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）。從應用角度講，它又可分為高磁導率（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構的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，其產量占了軟磁鐵氧體磁性材料總產量的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（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，是目前產量﹡大的軟磁鐵氧體。

      70 年代初，日本、歐洲廠商為適應開關電源市場的需要，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，代表性的產品有TDK 的PC30、FDK 的N49、西門子的N27。       

      80年代中后期，為適應高頻開關電源的發(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 的開關電源，現(xiàn)在被廣泛應用于工業(yè)類的開關電源中。進入90 年代后，由于信息技術對器件小型化、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，國內的企業(yè)已能生產相當于PW1~PW3 材料，PW4 材料只有部分企業(yè)小批量試生產，PW5 材料有待于進一步開發(fā)和生產。日本TDK 的功率鐵氧體材料無論是質量還是產量均處于國*領﹡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，轉向從我國及東南亞進口，集中精力研發(fā)PC45-50 等高檔產品。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 的產量很小，主要是B 檔和C 檔，即PC30 及以下的產品。2000 年以后情況有所改觀，不少單位加大技術創(chuàng)新力度，積極實施PC40 批量生產技術攻關，A 檔產品不斷增加，C 檔產品有所減少，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 的設計定型鑒定，有的開始規(guī)?；aPC40 等高檔產品。

(2) 高磁導率鐵氧體

      磁導率是衡量軟磁鐵氧體材料性能的主要基本參數(shù)之一，通常將初始磁導率（μi）大于5000 的Mn－Zn 鐵氧體材料稱為高磁導率鐵氧體，高磁導率鐵氧體的主要特性是磁導率特別高，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，這類高磁導率小磁芯的表面質量必須很好，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，這是一個技術難點。高磁導率鐵氧體在電子工業(yè)和電子技術中是一種急需和應用廣泛的功能材料，可以做通訊設備、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的先﹡者。TDK 在生產H5C2 的基礎上又先后開發(fā)出了H5C3、K5D 和H5E 等系列高磁導率鐵氧體材料；TOKIN 推出了12001H、18000H 材料；西門子上市了T42、T46 高磁導率材料。據(jù)磁性行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，1999 年我國生產的稱得上高μi（8000~10000）即A 檔的產量很少。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，并通過了設計定型鑒定，部分廠家實現(xiàn)了μi=10000及以上的高導錳鋅鐵氧體材料的批量生產。四川等地一些企業(yè)研發(fā)的R15K 高導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，在大生產技術方面有所突破和創(chuàng)新。

軟磁材料

      真正意義上的高μi 軟磁鐵氧體材料,其μi 值應在10000 以上,這樣才能滿足通訊、計算機等IT 產業(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，目前國內外技術創(chuàng)新的奮斗目標是規(guī)?；a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量大、應用廣泛的高頻軟磁材料。當應用頻率在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用在雷達、電視、通訊、儀器儀表、自動控制、電子對抗等領域。

      世界上現(xiàn)已工業(yè)化生產鎳鋅鐵氧體的國家中，目前，日本TDK、FDK、德國西門子、美國Stealword 等公司的產品技術水平被*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)絡技術的飛速發(fā)展，在有線電視系統(tǒng)和閉路電視系統(tǒng)的基礎上迅速發(fā)展起來的光纖同軸電纜混合（HFC）網(wǎng)絡系統(tǒng)，作為綜合信息寬帶網(wǎng)絡，具有顯著的優(yōu)勢。HFC 網(wǎng)絡系統(tǒng)的改造和建設，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_產品和電磁兼容產品發(fā)展的方向是各類磁芯向高磁導率、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體槳料交替疊層厚膜印刷和燒結而成、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。