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    软磁材料的分类介绍(3)——铁氧体

    作者:  浏览量:1454  发布时间:2014-01-18


    铁氧体介绍

          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芯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

          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

          经过几十年的发展完善如今软磁铁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

     

    材料类型

    应用器件

    锰锌系软磁铁氧体材料

    开关电源用功率磁芯高清晰度数字彩电和高分辨率显示器用回扫变压器计算机网络用局域网隔离变压器和共模滤波器钟表、BP手机笔记本电脑及数字仪表用场致发光电源变压器程控交换机中的话频变压器电流互感器低功率驱动变压器输入滤波器等等

    镍锌系软磁铁氧体材料

    如在电视机中作为高频阻抗变压器,CATV系统中作为分支分配器通讯系统中作为功率分解/合成器混频器射频放大器定向耦合器相位检波器等等

     

    软磁铁氧体材料的种类及性能特点

    2.1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 H35、FDKH45 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 PC30、FDK 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TDK PC40、FDK 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 PC50、日立的SB-1M、西门子的N49、FUJI 7H10、飞利浦的3F4 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 PW1 材料适用频率为25~200kHz PW2 材料适用频率为100~300kHz PW3 材料适用频率为300~1MkHz PW4 材料适用频率为1~3MHz 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 PC30 及以下的产品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 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 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)A 档的产量很少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 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

     

    2-40 中列出了几种主要高磁导率铁氧体产品的性能指标

    软磁材料

          真正意义上的高μi 软磁铁氧体材料,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


     

     

    2.2 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



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