軟磁材料的分類介紹(3)——鐵氧體
一,、鐵氧體介紹
20 世紀(jì)40 年代二次世界大戰(zhàn)中發(fā)明了雷達(dá),,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(dǎo)率,、高電阻率,、低損耗等特點(diǎn),并且具有批量生產(chǎn)容易,、性能穩(wěn)定,、機(jī)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(diǎn),,而迅速推廣應(yīng)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(jì)40 年代到現(xiàn)在,,隨著技術(shù)的進(jìn)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(xì)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(yīng)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(yīng)用角度講,,它又可分為高磁導(dǎo)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(yīng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用局域網(wǎng)隔離變壓器和共模濾波器,,鐘表、BP機(jī),、手機(jī),、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(jī)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(jī)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(diǎn)
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(yīng)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(dǎo)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(yīng)(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(dá)到﹡低點(diǎn),,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(yīng)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(shí)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(jìn)的第二代功率鐵氧體被開發(fā)出來,,其﹡大特點(diǎn)是呈現(xiàn)負(fù)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(biāo)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(yīng)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(shí)用頻率一般可達(dá)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(yīng)用于工業(yè)類的開關(guān)電源中,。進(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn),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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)定型鑒定,有的開始規(guī)?;a(chǎn)PC40 等高檔產(chǎn)品,。
(2) 高磁導(dǎo)率鐵氧體
磁導(dǎo)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(dǎo)率(μi)大于5000 的Mn-Zn 鐵氧體材料稱為高磁導(dǎo)率鐵氧體,,高磁導(dǎo)率鐵氧體的主要特性是磁導(dǎo)率特別高,,一般均達(dá)到10000 以上,從而可使磁芯體積縮小很多,,適應(yīng)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(dǎo)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(jī)涂層,,這是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。高磁導(dǎo)率鐵氧體在電子工業(yè)和電子技術(shù)中是一種急需和應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)率材料,。據(jù)磁性行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì),,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(jì)定型鑒定,部分廠家實(shí)現(xiàn)了μi=10000及以上的高導(dǎo)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(dǎo)錳鋅鐵氧體項(xiàng)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(yīng)在10000 以上,這樣才能滿足通訊,、計(jì)算機(jī)等IT 產(chǎn)業(yè)和電子整機(jī)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(biāo)是規(guī)模化生產(chǎn)高μi=15000~18000 的錳鋅鐵氧體以及更為實(shí)用的具有寬頻,、寬溫特性的高磁導(dǎo)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(yīng)用廣泛的高頻軟磁材料,。當(dāng)應(yīng)用頻率在1MHz 以下時(shí)其性能不如Mn-Zn 系鐵氧體,,而在1MHz 以上時(shí),,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(dá)幾千兆赫茲,,大大擴(kuò)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(shí)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(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)體槳料交替疊層厚膜印刷和燒結(jié)而成,、實(shí)現(xiàn)小型化表面安裝的器件已經(jīng)實(shí)用化,,發(fā)展前途光明。
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