软糍材料

2 2.8 软磁材料     20世纪40年代二次世界大战中发明了雷达，要求使用能在中高频和高频领域中工作的软磁材料（指矫顽力小，容易磁化的磁性材料），从而发明了锰锌软磁铁氧体和镍锌软磁铁氧体。由于软磁铁氧体在高频下具有高磁导率、高电阻率、低损耗等特点，并且具有批量生产容易、性能稳定、机械加工性能高，可利用模具制成各种形状的磁心，特别是成本低等特点，而迅速推广应用于通信、传感、音像设备、开关电源和磁头工业等方面。     从20世纪40年代到现在，随着技术的进步，软磁铁氧体也在不断地发展。其主要的方向一是改变软磁铁氧体的成分。如今，锰锌铁氧体已派生出锰镁锌铁氧体和锰铜锌铁氧体，镍锌铁氧体已派生出镍铜锌铁氧体。另外除了基本的氧化物外，还添加CaO、SiO2、Nb2O5、ZrO2、Ta2O5等氧化物，以提高铁氧体的性能；一是改变生产工艺，使粉体细化，从而减少损失和提高工作频率。经过几十多年的发展完善，如今软磁氧体材料已成为一类应用广泛、种类繁多的功能材料。     目前，工业生产的软磁铁氧体材料从成分上分主要有：Mn－Zn、Ni－Zn系等尖晶石和平面型六角晶系两大类（也有分为三类的）。从应用角度讲，它又可分为高磁导率（μi）、高频大功率（又称功率铁氧体）和抗电磁干扰的（EMI）铁氧体等几类。 2.8.1 软磁铁氧体材料的种类及性能特点 2.8.1.1 锰锌系软磁铁氧体材料     锰锌系软磁铁氧体主要是具有尖晶石结构的mMnFe2O4·nZnFe2O4与少量Fe3O4组成的单相固溶体，用锰锌系铁氧体磁性材料做成的电感磁芯及磁性器件，应用频率从数百赫兹到几千兆赫兹，是最重要的软磁铁氧体材料，其产量占了软磁铁氧体磁性材料总产量的60%以上，因此，锰锌铁氧体的发展更为引人注意。主要应用器件见表2-36。     锰锌铁氧体材料主要分为高频低功耗铁氧体（又称功率铁氧体）和高磁导率即高μi铁氧体两类。 (1) 功率铁氧体     功率铁氧体的主要特征是在高频（几百千赫）高磁感应（几千高斯）的条件下，仍旧保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温升而下降，在80℃左右达到最低点，从而可以形成良性循环。功率铁氧体的主要用途是以各种开关电源变压器和彩电回扫变压器为代表的功率型电感器件，用途十分广泛，是目前产量最大的软磁铁氧体。     70年代初，日本、欧洲厂商为适应开关电源市场的需要，开发出第一代功率铁氧体，典型牌号为TDK的H35、FDK的H45及飞利浦的3C85。这类材料由于功耗较大，且使用时温升显著，故一般只用于20kHz左右的民用开关电源。80年代初，经改进的第二代功率铁氧体被开发出来，其最大特点是呈现负温度系数功耗(20~80℃，随温度升高，功耗呈下降趋势)，能有效防止温升造成的电磁性能下降，且综合指标较好，代表性的产品有TDK的PC30、FDK的N49、西门子的N27。     80年代中后期，为适应高频开关电源的发展，国外又开发出高频功耗大幅降低、实用频率一般可达100~500kHz的第三代材料，如TDK的PC40、FDK的H63B、西门子的N67、飞利浦的3F3，这类材料特别适用于频率为数百KHz的开关电源，现在被广泛应用于工业类的开关电源中。进入90年代后，由于信息技术对器件小型化、片式化的要求，第四代功率铁氧体又开发成功，向着高频、低耗方向发展，代表牌号有TDK的PC50、日立的SB－1M、西门子的N49、FUJI的7H10、飞利浦的3F4等，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般可达500~1000kHz，可望满足显示器用回扫变压器等器件向小型化、高频化和低损耗发展的要求，是今后功率软磁铁氧体的发展方向。     我国新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准，把功率铁氧体材料分为PW1~PW5五类，其适用工作频率也逐步提高。如适用频率为15~100kHz的PW1材料；适用频率为25~200kHz的PW2材料；适用频率为100~300kHz的PW3材料；适用频率为300~1MkHz的PW4材料；适用频率为1~3MHz的PW5材料。目前，国内的企业已能生产相当于PW1~PW3材料，PW4材料只有部分企业小批量试生产，PW5材料有待于进一步开发和生产。     日本TDK的功率铁氧体材料无论是质量还是产量均处于国际领先地位。据说TDK公司目前有10多名博士从事锰锌铁氧体的开发工作，PC30等牌号已基本不再生产，转向从我国及东南亚进口，集中精力研发PC45-50等高档产品。我国的情况正好相反，1999年的统计数字表明，全行业PC40的产量很小，主要是B档和C档，即PC30及以下的产品（表2-37）。2000年以后情况有所改观，不少单位加大技术创新力度，积极实施PC40批量生产技术攻关，A档产品不断增加，C档产品有所减少，四川、江苏、浙江的一些企事业单位先后完成了PC40、PC44、PC50的研制工作，有的通过了PC44、PC50的设计定型鉴定，有的开始规模化生产PC40等高档产品。表2-38中列出了部分国内外功率铁氧体产品的性能指标。 (2) 高磁导率铁氧体     磁导率是衡量软磁铁氧体材料性能的主要基本参数之一，通常将初始磁导率（μi）大于5000的Mn－Zn铁氧体材料称为高磁导率铁氧体，高磁导率铁氧体的主要特性是磁导率特别高，一般均达到10000以上，从而可使磁芯体积缩小很多，适应元器件向小型化、轻量化放行发展的需要。另外为了满足使用要求，这类高磁导率小磁芯的表面质量必须很好，平滑圆整，没有毛刺，而且在其表面上必须涂覆一层均匀、致密、绝缘、美观的有机涂层，这是一个技术难点。高磁导率铁氧体在电子工业和电子技术中是一种急需和应用广泛的功能材料，可以做通讯设备、测控仪器、家用电器及新型节能灯具中的宽频带变压器、微型低频变压器、小型环行脉冲变压器和微型电感元件等更新换代的电子产品。     TDK、西门子、菲利浦、TOKIN及美国SPANG磁性分公司等是世界上高μi软磁铁氧体材料研究开发和规模化生产的先行者。TDK在生产H5C2的基础上又先后开发出了H5C3、K5D和H5E等系列高磁导率铁氧体材料；TOKIN推出了12001H、18000H材料；西门子上市了T42、T46高磁导率材料。据磁性行业协会的统计，1999年我国生产的称得上高μi（8000~10000）即A档的产量很少（表2-39）。2000年后情况则有所改观，山东及浙江、江苏、四川、北京等地一些企事业单位近几年来先后完成了μi为10000~15000材料的研制，并通过了设计定型鉴定，部分厂家实现了μi=10000及以上的高导锰锌铁氧体材料的批量生产。四川等地一些企业研发的R15K高导锰锌铁氧体项目获得了国家中小企业科技创新基金的大力支持，在大生产技术方面有所突破和创新。表2-40中列出了几种主要高磁导率铁氧体产品的性能指标。     真正意义上的高μi软磁铁氧体材料,其μi值应在10000以上,这样才能满足通讯、计算机等IT产业和电子整机对各种器件超小型化、微型化的需求。近年来，高μi铁氧体的水平还在不断提高，目前国内外技术创新的奋斗目标是规模化生产高μi=15000～18000的锰锌铁氧体以及更为实用的具有宽频、宽温特性的高磁导率铁氧体材料。 2.8.1.2 镍锌系软磁铁氧体材料     Ni－Zn系软磁铁氧体材料是另一类产量大、应用广泛的高频软磁材料。当应用频率在1MHz以下时其性能不如Mn－Zn系铁氧体，而在1MHz以上时，由于它具有多孔性及高电阻率，其性能大大优于Mn－Zn铁氧体，非常适宜在高频中使用。     用镍锌软磁铁氧体材料做成的铁氧体宽频带器件，使用频率可以做到很宽，其下限频率可做到几千赫兹，上限频率可达几千兆赫兹，大大扩展了软磁材料的频率使用范围，主要功能是在宽频带范围内实现射频信号的能量传输和阻抗变换。由于它们具有频带宽、体积小、重量轻等特点而被广泛应用在雷达、电视、通讯、仪器仪表、自动控制、电子对抗等领域。     世界上现已工业化生产镍锌铁氧体的国家中，目前，日本TDK、FDK、德国西门子、美国Stealword等公司的产品技术水平被公认为是世界上最高的，射频宽带Ni－Zn（磁芯）的工作频率可达0.1MHz～1.5GHz，品种规格上千种。而国内起步较晚，仅有少数厂家在开发低噪声滤波器和铁氧体吸收与抑制元件，但与国外的差距较大，尚未系列化、标准化。表2-41中列出了TDK公司部分镍锌铁氧体的性能指标?     目前，随着信息网络技术的飞速发展，在有线电视系统和闭路电视系统的基础上迅速发展起来的光纤同轴电缆混合（HFC）网络系统，作为综合信息宽带网络，具有显著的优势。     HFC网络系统的改造和建设，需要各种射频宽带铁氧体器件，而射频宽带铁氧体材料（磁芯）系列是制造上述铁氧体器件的关键磁性材料。HFC的发展，大大刺激了对射频宽带铁氧体材料及器件的需求。Ni－Zn软磁铁氧体材料除广泛用于HFC宽带网络外，还大量用于抗电磁干扰。使用镍锌系软磁铁氧体材料制成的滤波器、铁氧体抑制器是其中最有效、简单、经济的办法之一。因此，在各种电子、电子线路中使用大量各种特性和各种形状的EMI软磁铁氧体磁芯，以满足抗电磁干扰和电磁兼容的要求。抗电磁干扰产品和电磁兼容产品发展的方向是各类磁芯向高磁导率、高频化、高速、小型化和片式高组装密度化发展。如今用Ni-Zn等软磁材料做成的铁氧体桨料和导体桨料交替叠层厚膜印刷和烧结而成、实现小型化表面安装的器件已经实用化，发展前途光明。