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。
材料類型 | 應用器件 |
錳鋅系軟磁鐵氧體材料 | 開關(guān)電源用功率磁芯,高清晰度數(shù)字彩電和高分辨率顯示器用回掃變壓器,計算機網(wǎng)絡(luò)用局域網(wǎng)隔離變壓器和共模濾波器,鐘表、BP機、手機、筆記本電腦及數(shù)字儀表用場致發(fā)光電源變壓器,程控交換機中的話頻變壓器,電流互感器,低功率驅(qū)動變壓器,輸入濾波器等等。 |
鎳鋅系軟磁鐵氧體材料 | 如在電視機中作為高頻阻抗變壓器,CATV系統(tǒng)中作為分支分配器,通訊系統(tǒng)中作為功率分解/合成器、混頻器、射頻放大器、定向耦合器、相位檢波器等等。 |
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(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)?;a(chǎn)PC40 等高檔產(chǎn)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(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。高磁導率鐵氧體在電子工業(yè)和電子技術(shù)中是一種急需和應用廣泛的功能材料,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)模化生產(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(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(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(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。
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