软磁材料的分类介绍（3）——铁氧体
软磁材料的分类（3）——铁氧体
1. 铁氧体简介
20世纪40年代第二次世界大战期间雷达的发明，要求使用能在中高频场中工作的软磁材料（指矫顽力低、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。软磁铁氧体具有磁导率高、电阻率高、高频损耗小、易于批量生产、性能稳定、机械加工性能高，可用模具制成各种形状的磁芯，特别是成本低廉等特点，在通讯、传感器、音视频设备、开关电源、磁头行业得到迅速推广应用。
从20世纪40年代至今，随着技术的进步，软磁铁氧体不断发展，主要方向是改变软磁铁氧体的成分，现今已由锰镁锌铁氧体、锰铜锌铁氧体衍生出锰锌铁氧体，由镍铜锌铁氧体衍生出镍锌铁氧体。除基本氧化物外，还加入CaO、SiO2、Nb2O5、ZrO2、Ta2O5等氧化物来改善铁氧体的性能；一是改变生产工艺，使粉末细化，从而降低损耗，提高工作频率。
软磁铁氧体材料经过几十年的发展和完善，已成为应用广泛、品种繁多的一类功能材料。目前工业上生产的软磁铁氧体材料按其成分主要分为Mn-Zn、Ni-Zn系等尖晶石系和平面六方系两大类（有的又分为三类）。从应用角度又可分为高磁导率（μi）类、高频大功率（又称功率铁氧体）类和抗电磁干扰（EMI）铁氧体类等几大类。
材质类型
应用设备
锰锌软磁铁氧体材料
开关电源的电源铁芯，高清晰数字彩电及高分辨率显示器的反激变压器，计算机网络的局域网隔离变压器及共模滤波器，钟表、BP机、手机、笔记本电脑及数字仪表等电致发光电源变压器，程控交换机中的频率变压器、电流互感器、小功率驱动变压器、输入滤波器等。
镍锌软磁铁氧体材料
例如，它在电视机中用作高频阻抗变压器，在CATV系统中用作分支分配器，在通信系统中用作功率分解器/合成器、混频器、射频放大器、定向耦合器、相位检测器等。
2、软磁铁氧体材料的种类及性能特点
2.1锰锌软磁铁氧体材料
锰锌软磁铁氧体主要是尖晶石结构和少量Fe3O4组成的单相固溶体。用锰锌铁氧体磁性材料制成的电感器磁芯和磁性器件，应用频率从几百赫兹到几千兆赫兹，是重要的软磁铁氧体材料，其产量占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值得关注。
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铁氧体两大类。
（1）功率铁氧体
功率铁氧体的主要特点是在高频（几百千赫）、高磁感应（几千高斯）条件下，仍保持很低的功耗，并且其功耗随磁芯温升而下降，在80℃左右达最小值，形成一个良性循环。功率铁氧体的主要用途是以各种开关电源变压器、彩电反激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。
20世纪70年代初，日本和欧洲厂商为满足开关电源市场的需求，开发了第一代功率铁氧体，典型牌号有TDK的H35、FDK的H45、飞利浦的3C85等。由于这些材料在使用过程中功耗较大，温升明显，所以一般只用于20kHz左右的民用开关电源。20世纪80年代初，开发了改进后的第二代功率铁氧体，其最大特点是具有负温度系数功耗（20~80℃，随着温度的升高，功耗呈下降趋势），能有效防止因温升引起的电磁性能劣化，综合指标良好。代表产品有TDK的PC30、FDK的N49、西门子的N27等。
20世纪80年代中后期，为适应高频开关电源的发展，国外又开发了高频功耗大幅度降低、实用频率一般可达100~的第三代材料，如TDK公司的PC40、FDK公司的H63B、西门子的N67、飞利浦公司的3F3等。这些材料特别适用于频率数百KHz的开关电源，现已广泛应用于工业开关电源。进入20世纪90年代后，由于信息技术对器件小型化、片式化的要求，第四代功率铁氧体研制成功，并向高频化、低耗化方向发展。代表牌号有TDK的PC50、日立的SB-1M、西门子的N49、FUJI的7H10、飞利浦的3F4等。其功耗较第三代材料低得多，使用频率一般可达500~，可望满足显示器用反激变压器等器件向小型化、高频化、低损耗发展的要求，是功率软磁铁氧体未来的发展方向。
我国新发布的《软磁铁氧体材料分类》行业标准将功率铁氧体材料分为PW1~PW5五类，其适用工作频率在逐步提高。如适用频率为15~的PW1材料；适用频率为25~的PW2材料；适用频率为100~的PW3材料；适用频率为300~1MkHz的PW4材料；适用频率为1~3MHz的PW5材料。目前，国内企业均能生产相当于PW1~PW3的材料，只有部分企业对PW4材料有小规模试产，PW5材料还需进一步开发生产。日本TDK公司的功率铁氧体材料在质量和产量上均处于国内领先地位。据说，TDK目前有10多位博士从事锰锌铁氧体的开发工作。 PC30等牌号基本不再生产，转而从我国及东南亚进口，注重PC45～50等高档产品的研发。我国的情况正好相反，1999年的统计资料显示，行业内PC40产量很少，主要以B级、C级，即PC30及以下为主。2000年以来情况有所好转，很多单位加大技术创新力度，积极进行PC40批量生产技术研发，A级产品不断增加，而C级产品有所减少。四川、江苏、浙江等地的一些企事业单位，有的完成了PC40、PC44、PC50的研发，有的通过了PC44、PC50的设计定型鉴定，有的已经开始批量生产PC40等高档产品。
（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，通常将起始磁导率（μi）大于5000的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点就是磁导率特别高，一般可达10000以上，这样磁芯的体积就可以减小很多，适应了元器件向小型化、轻量化发展的需要。另外，为了满足使用要求，这种高磁导率小磁芯的表面质量必须非常好，光滑圆整，无毛刺，其表面还必须涂覆一层均匀、致密、绝缘美观的有机涂层，这是一个技术难点。高磁导率铁氧体是电子工业和电子技术中急需和应用广泛的功能材料。可作为宽带变压器、微型低频变压器、小型环形脉冲变压器及微型电感元件应用于通讯设备、测控仪器、家用电器及新型节能灯等更新换代电子产品中。
TDK、西门子、飞利浦、TOKIN及美国SPANG磁电事业部在高μi软磁铁氧体材料研发和规模生产方面居世界领先地位。TDK在生产H5C2的基础上，相继开发了H5C3、K5D、H5E等系列高磁导率铁氧体材料；TOKIN推出了和材料；西门子推出了T42、T46高磁导率材料。据磁业协会统计，1999年，我国高μi(8000~10000)或A级材料产量很少，2000年以后，情况有所好转，近年来，山东、浙江、江苏、四川、北京等地的一些企事业单位相继完成了μi为10000~15000的材料研发，并通过了设计定型鉴定。一些厂家已实现μi=10000及以上的高导锰锌铁氧体材料的量产，四川等地部分企业研发的R15K高导锰锌铁氧体项目得到国家中小企业科技创新基金的大力支持，在规模化生产技术上取得突破和创新。
软磁材料
真正高μi软磁铁氧体材料的μi值应在10000以上，以满足通讯、计算机等IT产业和电子设备对各类器件超小型化、微型化的需求。近年来，高μi铁氧体水平不断提高。当前国内外技术创新的目标是批量生产高μi=15000～18000的锰锌铁氧体和更实用的宽带、宽温特性高磁导率铁氧体材料。
2.2 镍锌软磁铁氧体材料
镍锌软磁铁氧体材料是另一类产量较大、应用较广的高频软磁材料。当应用频率在1MHz以下时，其性能不如锰锌铁氧体，但在1MHz以上，由于其孔隙率大，电阻率高，其性能比锰锌铁氧体好得多，非常适合在高频下使用。
用镍锌软磁铁氧体材料制成的铁氧体宽带器件，可使用在很宽的频率范围内，下限频率可达几千赫兹，上限频率可达几千兆赫兹，大大拓展了软磁材料的频率范围。其主要作用是在很宽的频带内实现射频信号的能量传输和阻抗变换。由于其频带宽、体积小、重量轻，广泛应用于雷达、电视、通讯、仪器仪表、自动控制、电子对抗等领域。
在世界上已实现镍锌铁氧体工业化生产的国家中，日本TDK、FDK、德国西门子、美国等公司的产品技术水平目前被认为是世界上最高的。射频宽带镍锌（磁芯）工作频率可达0.1MHz~1.5GHz，有上千个品种规格。而我国起步较晚，目前仅有少数厂家在开发低噪声滤波器和铁氧体吸收抑制元件，但与国外存在较大差距，尚未形成系列化、标准化。目前，随着信息网络技术的快速发展，在有线电视系统、闭路电视系统基础上迅速发展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）系列正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软磁铁氧体材料除了在HFC宽带网络中得到广泛应用外，在抗电磁干扰方面也有着广泛的应用。用镍锌软磁铁氧体材料制成的滤波器和铁氧体抑制器是最有效、最简便、最经济的方法之一。因此，各种特性、形状的EMI软磁铁氧体磁芯大量应用于各类电子、电子线路中，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的发展方向是各类磁芯向着高磁导率、高频、高速、小型化和片式高组装密度方向发展。如今，用Ni-Zn等软磁材料制成的铁氧体浆料和导体浆料，通过交替叠层厚膜印刷烧结，实现小型化表面贴装的器件已投入实用，前景十分光明。