软磁铁氧体材料基本类别及主要应用Featuresand

软磁铁氧体材料基本类别及主要应用(Features and application of Soft magnet) 软磁铁氧体按成份一般分为MnZn、NiZn系尖晶石和平面型两大类。前者主要用于低、中频(MnZn)和高频(NiZn)，后者可用于特高频范围；从应用角度又可分高磁导率i、高饱和磁通密度Bs、高电阻率及高频大功率(又称功率铁氧体)等几大类。由于软磁铁氧体在高频作用下具有高导磁率、高电阻率、低损耗等特点，同时还具有陶瓷的耐磨性，因而被广泛用于工业和民用等领域。工业产品主要用于计算机、通信、电磁兼容等用开关电源、滤波器和宽带变压器等方面；民用产品主要用于电视机、收录机等电子束偏转线圈、回扫变压器、中周变压器、电感器及轭流圈部分等。一：国内外研发现状：在软磁铁氧体磁性材料中一般以i5000的材料称为高磁导率，该材料近年来产量不断递增，尤其是随着当今数字技术和光纤通信的高速发展，以及市场对电感器、滤波器、轭流圈、宽带和脉冲变压器的需求大量增加，它们所使用的磁性材料都要求i10000以上，从而可使磁芯体积缩小很多，以适应元器件向小型化、轻量化发展要求。另外为满足使用需求，这类高磁导率小磁芯表面必须很好，平滑圆整，没有毛刺，且表面上须涂覆一层均匀、致密、绝缘、美观的有机涂层，针对这一技术难点，高磁导率软磁铁氧体产业需求中迫切希望再提高该功能材料的磁导率(i10000)。上世纪90年代后，一些国外知名公司如日本TDK、TOKIN、HITACHI、IROX-NKK、FDK、KAWATETSU等、德国SIEMENS、荷兰Philips、美国SPANG磁性分公司等相继研发出新一代超高磁导率H5D(?i=15000)、H5E(?i=18000)铁氧体材料。日本TDK公司是全球磁性材料最富盛名的领头羊企业，他们在早期生产的H5C2(?i=10000)基础上，又先后开发了H5C3(?i=12000)、H5D(?i=15000)和H5E(?i=18000)等系列高?软磁铁氧体材料；90年代末已试验成功?i=20000的超高磁导率Mn-Zn铁氧体材料。TOKIN公司已向市场推出了12000H(?i=12000)、15000H(?i=15000)和18000H(?i=18000)的铁氧体材料。德国西门子、荷兰飞利浦、美国SPANG公司分别开发的高磁导率软磁铁氧体T42、T46、T56、3E6、3E7和MAT-W、MAT-H材料，其中T46:?i=15000、3E7:?i=15000、MAT-H:?i=15000，2000年西门子和飞利浦公司研制的T56、3E9材料最高磁导率已超过?i=18000。虽然，我国软磁铁氧体工业发展较快，现有的生产厂家通过技术改造和工艺改进已取得不少成果，产品质量和产量得到明显提高，但目前国内只能大量生产?i=5000-7000的低档铁氧体材料，在高磁导率锰锌铁氧体材料研发生产上，国内与国外的水平与距离相差甚远，且大多数企业生产规模还太小，年产量普遍在1000吨以下，i10000的材料生产厂家更是屈指可数，而初具规模的国外公司一般年产软磁铁氧体在3000吨以上，TDK、FDK等公司年产量更是高达20000吨以上。依据我国磁性行业协会的统计，1999年我国生产i=8000-10000材料的产量很少，但2000年后生产这类中低档软磁铁氧体材料却有较大改观。上海、浙江、山东、江苏、四川等地有一些企业在研发生产i10000中高档材料，如宝钢天通2000年和2001年相继开发出BRL10K(?i=10000)和BRL12K(?i=12000)产品；河北涞水和山东淄博磁材厂2000年也在着力研发i10000铁氧体材料；四川一些企业研发的高磁导率铁氧体项目曾获得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。浙江横店东磁中央研究所近几年先后完成了?i为10000-15000材料的试制，并可实现部分产品的批量生产，有望朝着国内磁性行业。真正意义上的高磁导率?i软磁铁氧体材料，其i值应大大超过10000以上才能满足于通讯、计算机等IT行业和电子整机对各种器件超小型化、微型化、轻量化、标准化发展需求。为改变国内相关铁氧体材料生产企业长期滞留于抵挡产品、产量低、外观差、品牌少、缺乏国外市场的竞争力等落后面貌，磁性材料行业中的有关企业必须要高度重视并加大我国高档软磁铁氧体材料的研发力度，切实地改善现有的产品结构、制备工艺、加工方法，不断扩大配套和出口创汇力度，增强国际竞争力，以顺应于我国国家产业政策和国际市场的发展需求。为此，我国软磁体氧体行业应合理规划和布局产业结构，集中资金与力量，在培育发展规模经济和出口基地上下功夫，以具备一定基础和知名的大中型骨干企业为龙头，多建立几家高档软磁铁氧体生产、出口基地企业，形成我国软磁铁氧体行业的国家梯队。NiZn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MnZn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MnZn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NiZn（磁芯）的工作频率可达0.1MHz1.5GHz，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。 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。NiZn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 二： 高导铁氧体材料与磁芯数字技术和光纤通信技术，电感器、滤波器、扼流圈、宽带和脉冲变压器，电磁干扰（ EMI ），电磁兼容（ EMC ），抑制电磁干扰的共模扼流圈，节能灯市场磁芯等的发展，促进了高 铁氧体材料应用。高 材料：具有高的磁导率，良好的频率特性，高居里点，良好的温度特性。制造高 及超高 铁氧体软磁材料，必须精细调整配方，优选 Fe2O3 的过量程度及Zn/Mn 比例，从而确定 K 1 、 s 尽可能小的最佳配方点，同时加入各种有效杂质，改善材料晶粒特性，降低内应力和严格控制二峰位置，在较低烧结温度和普通冷却方式下，也可以获得超高 、高居里温度、良好频率特性，以及温度、时间、磁场、压力稳定性俱佳的优质铁氧体材料。调节好Fe2O3 ，Mn3O4 ， ZnO比例，加入杂质，粉碎混合，造粒，成型，在 N2 窑烧结，推板窑（出炉后真空罐淬火）均可。批量生产的高 、超高 系列材料显著的特点是，从 i =7000 到 i =15000 均采用同一基本配方。其工艺路线与普通功率铁氧体相同，即：干混 振磨 推板窑预烧 砂磨（加小料） 搅拌、喷雾造粒 压坯 烧结 测试包装。ZnO 含量相对较低，其居里点很高， R7K 材料的 T C 大于 150 ，最高在 160 以上； R10K 材料的 T C 大于 140 ； R12K 材料的 T C 大于 130 ； R15K 材料的 T C 大于 120 ； R20K 材料的 T C 大于 110 。在掺杂系列方面，由于采用通常禁忌的氧化物 C ，对展宽频带改善 T 特性，降低烧结温度，提高阻抗收到了显著效果。但高温烧结时易出现大晶粒，故加入氧化物 D ，加速完成固相反应，细化晶粒，缩短烧成时间，使磁芯断面质地细匀致密。对不同用户订单的各种要求，分别加入不同含量的氧化物 A 、 B ，这样组成的系列小料，在功率 N2 窑中与 PC40 产品批量同烧，生产 R7K 、 R10K 磁芯，保证了产品性能优良。在真空炉和推板窑中，提高温度，空气烧结真空冷却，也能获得 R12K 、 R15K 材料。快速低温烧结 R20K 材料有所突破。 使用普通氧化铁与锰、锌原料，精心优选主成分配比和破规加入替代离子后，可获得性能卓越的高 软磁铁氧体材料，尤其是居里点高，频率特性好，比温度系数，比减落系数及比损耗系数，比磁滞损耗系数等均优的高 材料。在普通 N2 窑随同功率铁氧体低温烧结，可保证 7K 、 10K 以上性能。在真空炉专用高 N2 窑烧结，可获得 12K 、 15K 以上高性能材料。 在钟罩炉中低温快速烧结可得到性能优良的 i 20000 Mn-Zn 材料产品在各种磁性材料中，用量最大的仍然是功率铁氧体和高磁导率铁氧体。开关电源的出现及广泛应用，是电源领域的重大变革。过去开关电源主要应用于计算机和电信方面，后来扩大到彩电、录像机、摄录一体化机、VCD、DVD、办公自动化及照明电子等设备中。为适应开关电源轻、小、薄的要求，需要增大其开关频率。而制作开关电源变压器磁芯的Mn-Zn铁氧体材料就必须在较高频率和较大磁通密度(Bs)下具有良好的磁性能，这类材料被称为功率铁氧体。高性能功率铁氧体应有高Bs、高f(居里温度)、低Po(功耗)等特点。20世纪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，典型牌号为日本TDK的H35、FDK的H45，这类材料由于功耗较大，且使用时温升显著，故一般只用于16kHz25kHz的民用开关电源。上世纪80年代初，经改进实用频率为25kHz100kHz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(20100，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6H10、德国西门子的N27和荷兰飞利浦的3C80。 上世纪80年代中后期，国外又竞相开发出高频功耗大幅降低、实用频率一般可达100kHz500kHz的第三代材料，如TDK的PC40、PC44、FDK的6H20和6H40、西门子的N72、飞利浦的3C85和3F3，典型性能指标为：Bs=490mT510mT，f200，Po=400mW/cm3500mW/cm3(100kHz，200mT，100)，这类材料特别适用于频率为数百kHz的高频开关电源。进入上世纪90年代后，第四代功率铁氧体又开发成功，代表牌号有TDK的PC50、FDK的7H10和7H20、西门子的N49和N59、飞利浦的3F4、日立铁氧体的SM-1M、东京铁氧体(TOKIN)的B40等，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般达500kHz1000kHz，为开关电源的进一步轻、小、薄奠定了基础。2004年，日本TDK公司在沉寂了近十年之后推出了具有划时代意义的新一代功率铁氧体PC95，它具有高磁导率高Bs、低Br以及比PC4X(PC44PC47)系列材料更低的常温和高温功耗(P25350kW/m3，P80280kW/m3，P100350kW/m3，测试条件：100kHz，200mT)等特点，创造了世界软磁界的又一奇迹。为适应计算机显示器和数字高清晰电视发展的需要，TDK公司在上世纪90年代还先后推出了专门用于制作回扫变压器的HV22和HV45功率材料，它们具有高Bs和低功耗的特点，其磁心的直流叠加特性优良。随着数字技术、光纤通信和互联网的发展，对电感器、滤波器、扼流圈、宽带和脉冲变压器的需求大大增加，它们使用的软磁铁氧体要求(磁导率)值很高，而且希望提高工作频率。通常称i5000为高磁导率铁氧体，批量稳定生产i10000的材料并不容易。国外生产高磁导率铁氧体的公司主要有TDK、FDK、西门子和飞利浦，他们均在批量生产1000015000的高材料。另外，随着电子技术应用的日益广泛，特别是数字电路和开关电源应用的普及，EMI问题日趋严重，各国对电子仪器和设备的EMC性能提出了越来越高的要求，以软磁铁氧体磁心为基础的抗EMI元器件发展相当快，产品种类繁多，如TDK有23个系列；美国Filter公司有16个系列；韩国三星电子抗EMI磁性元器件年销售额高达3亿。 三：热敏锰锌铁氧体系列材料一种热敏锰锌铁氧体系列材料的制备方法，采用的原材料为Fe2O3，ZnO，