軟磁鐵氧體材料及其應(yīng)用

摘 要：軟磁鐵氧體材料是鐵和鋅的氧化物為主體成分、包含其他氧化物成分，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后具有相應(yīng)電磁特性的非金屬功能陶瓷材料，按主成分可分為MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體兩類。軟磁鐵氧體具有生產(chǎn)成本低、可加工性能好、電磁性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各大基礎(chǔ)性行業(yè)的功能陶瓷材料。本文詳細(xì)闡述軟磁鐵氧體的發(fā)展歷程，概述MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體的種類、特點(diǎn)、用途，并設(shè)想其未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：軟磁鐵氧體；功能陶瓷材料；磁性材料；MnZn鐵氧體；NiZn鐵氧體

1 前言

軟磁鐵氧體材料是鐵和鋅的氧化物為主體成分、包含其他氧化物成分，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后具有相應(yīng)電磁特性的非金屬功能陶瓷材料[1]，鐵氧體分為石榴石型、磁鉛石型和尖晶石型三類[2]，工業(yè)化生產(chǎn)的為尖晶石型鐵氧體，其晶格結(jié)構(gòu)使其具有飽和磁矩低、矯頑力低、磁各向異性小、磁化率高等特性[3]。是一種用量大、價(jià)格低、外型多的基礎(chǔ)功能陶瓷材料。

2軟磁鐵氧體材料的發(fā)展歷程

1822年，法國物理學(xué)家呂薩克和阿拉戈首次發(fā)現(xiàn)電磁鐵原理，即利用電流磁效應(yīng)，使軟鐵具有磁性。自此，磁性材料得到發(fā)現(xiàn)。1920年，電子信息技術(shù)發(fā)展迅速，金屬磁性材料已無法滿足無線通訊技術(shù)對(duì)高頻率的需求，非金屬磁性材料得到關(guān)注，20世紀(jì)30年代起，日本、荷蘭等國開始研究鐵氧體。1931年，日本東京工業(yè)大學(xué)的加藤和武井合成了立方晶系的鈷氧磁性體[4]，并稱其為軟磁鐵氧體。1933年，兩人發(fā)明了燒結(jié)鐵氧體[5]，1936年荷蘭菲利普公司Snoek研究出尖晶石結(jié)構(gòu)的含鋅軟磁鐵氧體，1946年出現(xiàn)了軟磁鐵氧體的工業(yè)化生產(chǎn)[5]。直到1950年初，商業(yè)化立方晶系軟磁鐵氧體才出現(xiàn)。1952年日本岡村敏彥發(fā)明了錳鋅鐵氧體。20世紀(jì)60年代研究員對(duì)燒結(jié)氣氛、微量添加劑、晶體微觀結(jié)構(gòu)與軟磁鐵氧體電磁性能間的關(guān)系展開深入研究，1961年對(duì)濕法MnZn鐵氧體的制備進(jìn)行研究[6]，1963年，開始研究MnO-ZnO-Fe2O3三元組分與初始磁導(dǎo)率、磁晶各向異性、飽和磁致伸縮系數(shù)三者的關(guān)系，1975年，Morinean等研究了Mn-Zn-Fe-O系統(tǒng)的平衡氣氛?qǐng)D，工藝技術(shù)與設(shè)備的完善，軟磁鐵氧體性能有極大提升[7， 8]。通訊、電力設(shè)備、汽車、電子、計(jì)算機(jī)、功率半導(dǎo)體和航空航天等行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了鐵氧體產(chǎn)量的飛躍式增長。隨著納米技術(shù)的融入，鐵氧體納米粉料制備技術(shù)得到發(fā)展，追求更小鐵氧體晶粒的發(fā)展趨勢(shì)出現(xiàn)。

3軟磁鐵氧體的分類及應(yīng)用

與合金磁性材料比較，軟磁鐵氧體的原材料成本較低，成形壓力較小，介電性能較好，且電阻率較高。由于它的磁場(chǎng)特性，使得它在高頻率下的初始磁導(dǎo)率很大。所以，在某些特殊的地方，存在著一種取代合金磁性材料的傾向。同時(shí)，因原料來源廣泛且成本低、成型性能優(yōu)良、批量生產(chǎn)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，得到廣泛的運(yùn)用，根據(jù)主體成分的差異性將軟磁鐵氧體分為MnZn鐵氧體和NiZn鐵氧體[9]。

3.1 MnZn鐵氧體

MnZn鐵氧體工作頻率在3ＭHz以下，具有易磁化和易退磁。初始磁導(dǎo)率、飽和磁通密度較高、損耗較低等特性。按照用途分為低功率損耗鐵氧體（或稱功率鐵氧體）和高初始磁導(dǎo)率鐵氧體兩類。

（1）高初始磁導(dǎo)率鐵氧體

高初始磁導(dǎo)率鐵氧體燒結(jié)后的晶粒較小，近年研究發(fā)現(xiàn)，微細(xì)磁粉可以降低燒結(jié)溫度、減少氣孔[10]，有利于疇壁運(yùn)動(dòng)，微細(xì)磁粉由于顆粒比表面積和表面能增加，成型填粉過程粉體流動(dòng)性變差[11]，權(quán)衡生產(chǎn)效率與制造成本，目前尚未量產(chǎn)投產(chǎn)。當(dāng)然，高初始磁導(dǎo)率鐵氧體材料衡量點(diǎn)包括居里溫度、溫度穩(wěn)定性、頻寬、磁導(dǎo)率減落系數(shù)等電磁特性[12]。

不考慮其功率損耗，燒結(jié)溫度較高，其初始磁導(dǎo)率Ui較高，頻寬F相對(duì)較差，由于高初始磁導(dǎo)率鐵氧體能有效地吸收電磁干擾信號(hào)，達(dá)到抗電磁場(chǎng)干擾效果，目前多用于濾波電感，面型上以圓形為主，從應(yīng)用領(lǐng)域看，分為高Ui的一般濾波電感、高Tc（通常大于150℃）車用濾波電感、加電流特性LED線圈電感、超低溫（-55℃）軍規(guī)濾波電感、寬頻段濾波電感以及低諧波共振的ADSL濾波電感等。

（2）功率鐵氧體

低損耗功率鐵氧體要求其晶粒尺寸適中、均勻，高堆積密度。密度提升需較大生胚密度和合適的燒結(jié)工藝[13]。軟磁材料在弱交變場(chǎng)，一方面會(huì)磁化而儲(chǔ)能，另一方面B落后H的變化，產(chǎn)生損耗，即材料從交變場(chǎng)中吸收能量并以熱能形式耗散，磁損耗分為渦流損耗和磁滯損耗兩類，渦流損耗是電磁感應(yīng)引起渦流產(chǎn)生的，一般鐵氧體密度提高對(duì)于渦流損耗降低有明顯的效果；磁滯損耗是在交變場(chǎng)中存在不可逆磁化而形成磁滯回線引起的。

元器件輕、薄、小型、高頻化和低損耗[14]的發(fā)展方向，軟磁鐵氧體性能要求更高：體積要減小、運(yùn)用頻率和磁通密度要求更高、高溫和疊加直流場(chǎng)條件性能要好[15]。

按照使用的頻率將功率鐵氧體可分為三大類，低、中、高頻率功率鐵氧體，從應(yīng)用領(lǐng)域看，濾波器、變壓器和功率電感，細(xì)分有大電流電感、電流濾波器、一般電源變壓器、車用變壓器（云端功率電感）、云服務(wù)器高頻功率電感、ADSL濾波電感。

3.2 NiZn鐵氧體

NiZn鐵氧體由于添加助溶劑氧化銅，相對(duì)MnZn鐵氧體燒結(jié)溫度低，氧化鎳的加入使其高溫穩(wěn)定性較好，通常可不用控制氮氧混合比，燒結(jié)工藝更為簡單。多孔性和高電阻性使其應(yīng)用于1MHz以上的高頻頻率[16]，

NiZn鐵氧體初始磁導(dǎo)率相對(duì)于MnZn鐵氧體較低，常用的初始磁導(dǎo)率集中在100-1000。按初始磁導(dǎo)率大小，可分為高磁導(dǎo)率（Ui＞1000）、常規(guī)（1000＞Ui＞200）和低磁導(dǎo)率NiZn鐵氧體（Ui＜200）。初始磁導(dǎo)率越小，適用的頻率范圍越寬。

應(yīng)用范圍主要用于無線充電器、can總線網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別天線、電磁干擾（EMI）、電磁兼容（EMC）、電感以及高Bs需求的產(chǎn)品端等。

4展望

電壓器和電感器為軟磁鐵氧體的主要應(yīng)用領(lǐng)域，電感、電容、電阻三大件中，非標(biāo)準(zhǔn)件電感是工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中能改動(dòng)最大的元器件，在“小、薄、輕”的潮流中，軟磁鐵氧體元器件走向小型化、片式化、高頻化、低損耗的發(fā)展方向。近年來，市場(chǎng)出現(xiàn)了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型材料，其突出的電性和耐熱、耐高壓特性，在電子、電力、光電等領(lǐng)域有運(yùn)用，但生產(chǎn)成本與效率成為制約其發(fā)展的首要因素，目前軟磁鐵氧體材料在電力變壓器、電感等領(lǐng)域的主導(dǎo)地位仍未被動(dòng)搖。新能源、人工智能等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)軟磁材料的需求量將會(huì)越來越大。

軟磁鐵氧體主成分、微量添加劑對(duì)電磁特性影響和燒結(jié)工藝匹配性的研究達(dá)到瓶頸后，會(huì)對(duì)前端制粉工藝和后端成型、燒結(jié)工藝進(jìn)行變革，軟磁鐵氧體粉末粒徑向納米級(jí)發(fā)展，成型、加工設(shè)備精度控制系統(tǒng)、成型的方式以及燒結(jié)爐爐體構(gòu)造、溫度和氮氧比控制系統(tǒng)產(chǎn)生顛覆性變革。同時(shí)復(fù)合材料的突破會(huì)對(duì)傳統(tǒng)軟磁鐵氧體性能提升帶來更大的突破。

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作者介紹：舒斌（1988-），男，碩士研究生，工程師，主要從事磁性功能陶瓷材料的研發(fā)。