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軟磁材料的分類介紹(3)——鐵氧體

2022年08月29日 13:40:05      來(lái)源:上海天端實(shí)業(yè)有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺(tái)      閱讀量:11

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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(kāi)關(guān)電源和磁頭工業(yè)等方面。

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(guò)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(kāi)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(chǎng)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(dòng)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。

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,是最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。主要應(yīng)用器件見(jiàn)表2-36。

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80左右達(dá)到點(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(kāi)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)量的軟磁鐵氧體。

70 年代初日本、歐洲廠商為適應(yīng)開(kāi)關(guān)電源市場(chǎng)的需要開(kāi)發(fā)出代功率鐵氧體,典型牌號(hào)為TDK H35、FDKH45 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(kāi)關(guān)電源。80年代初經(jīng)改進(jìn)的第二代功率鐵氧體被開(kāi)發(fā)出來(lái),其特點(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(shì)),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 PC30、FDK N49、西門子的N27。

80年代中后期為適應(yīng)高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展,國(guó)外又開(kāi)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,TDK PC40、FDK 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(kāi)關(guān)電源,現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于工業(yè)類的開(kāi)關(guān)電源中。進(jìn)入90 年代后由于信息技術(shù)對(duì)器件小型化、片式化的要求,第四代功率鐵氧體又開(kāi)發(fā)成功向著高頻、低耗方向發(fā)展代表牌號(hào)有TDK PC50、日立的SB-1M、西門子的N49、FUJI 7H10、飛利浦的3F4 ,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(guó)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 PW1 材料適用頻率為25~200kHz PW2 材料;適用頻率為100~300kHz PW3 材料;適用頻率為300~1MkHz PW4 材料;適用頻率為1~3MHz PW5 材料目前,國(guó)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。日本TDK 的功率鐵氧體材料無(wú)論是質(zhì)量還是產(chǎn)量均處于地位據(jù)說(shuō)TDK 公司目前有10 多名博士從事錳鋅鐵氧體的開(kāi)發(fā)工作,PC30 等牌號(hào)已基本不再生產(chǎn)轉(zhuǎn)向從我國(guó)及東南亞進(jìn)口,集中精力研發(fā)PC45-50 等高檔產(chǎn)品。我國(guó)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 PC30 及以下的產(chǎn)品2-37)。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(guò)了PC44、PC50 的設(shè)計(jì)定型鑒定,有的開(kāi)始規(guī)模化生產(chǎn)PC40 等高檔產(chǎn)品。2-38 中列出了部分國(guó)內(nèi)外功率鐵氧體產(chǎn)品的性能指標(biāo)。


(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 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(méi)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(cè)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(guó)SPANG 磁性分公司等是世界上高μi 軟磁鐵氧體材料研究開(kāi)發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)的。TDK 在生產(chǎn)H5C2 的基礎(chǔ)上又先后開(kāi)發(fā)出了H5C3、K5D 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(huì)的統(tǒng)計(jì),1999 年我國(guó)生產(chǎn)的稱得上高μi(8000~10000)A 檔的產(chǎn)量很少2-39)。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(lái)先后完成了μi 10000~15000 材料的研制并通過(guò)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(guó)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。

2-40 中列出了幾種主要高磁導(dǎo)率鐵氧體產(chǎn)品的性能指標(biāo)

軟磁材料

真正意義上的高μi 軟磁鐵氧體材料,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(duì)各種器件超小型化微型化的需求。近年來(lái)μi 鐵氧體的水平還在不斷提高,目前國(guó)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(hào)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(dòng)控制、電子對(duì)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(guó)家中,目前日本TDK、FDK、德國(guó)西門子、美國(guó)Stealword 等公司的產(chǎn)品技術(shù)水平被*為是高的,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(guó)內(nèi)起步較晚僅有少數(shù)廠家在開(kāi)發(fā)低噪聲濾波器和鐵氧體吸收與抑制元件,但與國(guó)外的差距較大尚未系列化、標(biāo)準(zhǔn)化2-41 中列出了TDK 公司部分鎳鋅鐵氧體的性能指標(biāo)。

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(lái)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(shì)。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(duì)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簡(jiǎn)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。抗電磁干擾產(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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