软磁铁氧体材料的相关研究

软磁铁氧体材料的相关研究

摘要：叙述了软磁铁氧体材料的分类、磁特性及使用概况，综述了软磁铁氧体

材料的制备工艺，并较详细介绍了各种制备方法的特点和软磁铁氧体材料的应用及发展趋势。

关键词：软磁铁氧体 制备工艺 发展趋势

前言

软磁材料是既容易被磁化又易退磁，矫顽力很低的磁性材料。它的主要特征是：高的磁导率μ，表示材料对磁场的灵敏度高；低的内禀矫顽力Hcj，表示材料既容易受外磁场磁化，又易受外磁场或其他因素而退磁，降低了磁化功率和磁损耗；高的饱和磁通密度Bs；低的功率损耗ρ；高的稳定性。从化学成分来讲，软磁材料的发展经历了纯铁、硅钢(Fe-Si系)、坡莫合金(Fe-Ni系)和锰锌、镍锌铁氧体系以及非晶系等。

软磁铁氧体系是软磁材料应用和研究最广泛的一类。同金属系软磁材料相比，软磁铁氧体的突出优点是电阻率高，在高频下具有磁导率高、电阻率高、涡流损耗低等优点。主要作为各种电感器、变压器、电磁干扰抑制器、滤波器、电波吸收材料、调制器的磁芯材料，已广泛应用于电子仪器仪表、通讯设备、计算机及工业自动化设备等方面。

1、软磁铁氧体材料的种类及性能特点

从材料上分类主要有MnZn、NiZn、MgZn、LiZn等尖晶石型铁氧体以及Co2Y、Co2Z等平面六角型铁氧体[1]。 1.1 MnZn铁氧体

MnZn铁氧体是指具有尖晶石结构MnFe2O4、ZnFe2O4以及少量Fe3O4组成的单相固熔体。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。MnZn铁氧体在软磁铁氧体生产和使用中占主导地

位，按其特性和用途可以分为高μi材料、高Bs低功耗铁氧体材料和低损耗高稳定性材料。

1.1.1 高μiMnZn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≥5000以上的材料称为高μi材料，这类铁氧体必须用高纯氧化物和盐酸为原料，要求原料杂质含量少，活性好；工艺上必须严格控制杂质的混入和力争材料晶粒均匀、完整、无应力、无气孔、晶界薄而整齐。高磁导率铁氧体的主要特性是磁导率特别高，这样可使磁芯体积缩小很多，适应元器件向小型化、轻量化方向发展的需要。但其真正意义上的高μi软磁铁氧体材料，其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越小型化、微型化的需求；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。 1.1.2 功率铁氧体

用作功率变压器、行输出变压器、开关电源变压器的MnZn功率铁氧体材料是在大电流情况下通过磁化来传递功率的，要求材料磁通密度高。振幅磁导率高，功耗低。这类铁氧体除了选择高Bs配方外，在制备工艺上选择CaO、SiO2等微量杂质，在晶界处形成高电阻层以降低涡流损耗；采用严格生产工艺，以获得均匀、完整、无气隙、无缺陷的晶粒尺寸[2]。

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，在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。

1.1.3 低损耗高稳定性MnZn铁氧体

这类材料在低场下工作，要求材料损耗小，在高频工作时稳定性好。铁氧体生长时。采用加入Ca、Ti等杂质，以形成较厚晶粒边界层，晶粒小而均匀，磁化由磁畴转动来完成，使磁滞损耗大幅度降低。低损耗高稳定性MnZn铁氧体材料在有线通信设备中通道滤波器的电感器中得到应用[2]。随着载波传输设备通话话路容量增大，就要求缩小LC滤波器体积，更重要的是要求磁芯材料具有低损耗和高稳定性。近年来由于光纤通信发展，这类材料用量减少，性能提高方面进展不大。

1.2 NiZn铁氧体

NiZn铁氧体是另一类生产量大，应用广泛的高频材料。在1MHz以下其性能不如MnZn铁氧体；在1MHz以上，由于它具有多孔性及高电阻率，其性能大大优于MnZn铁氧体，适宜在高频中应用，是性能最好的一类软磁铁氧体材料。 1.2.1 高频低损耗NiZn铁氧体材料

在NiZn铁氧体生产过程中，高温时NiO是最稳定的氧化物，故适宜在空气或氧气中烧结，因此工艺比MnZn铁氧体简单。另外，NiZn铁氧体在结构上易形成小品粒，呈多孔结构，且不易形成Fe2+，电阻率很高，高频损耗很小。故有利于高频应用。

1.2.2 宽频带NiCuZn铁氧体材料

随着射频铁氧体宽频带器件的发展，材料磁谱曲线截止频率以上特性也获得了广泛应用，为了适应器件宽频带特性的要求，提出了宽频带铁氧体材料；对这类材料不仅要求μi高，而且在f>fT时还要求(μf)或(μQf)高，fr低。研究结果表明，适合上述要求的材料是加Cu的NiZn系材料，这类材料具有弛豫形磁谱，它被广泛用于从几十千赫兹至几千兆赫兹各种宽频带铁氧体器件中。 1.2.3 抗EMI铁氧体抑制材料

在NiCuZn铁氧体中加入一定杂质，可获得特定的‘损耗—频率’响应曲线。在需要传输讯号的频段，材料损耗要小。信号易于通过；在需要衰减EMI讯号的频段，材料损耗要大．足以把高频干扰讯号降低到最低电平。对材料要求是Bs高、Θf高、ρ高，以便在高温下或直流偏场下能正常工作。 1.3 MgZn铁氧体

MgZn铁氧体的Bs和Θf均较低，其低频特性不如MnZn铁氧体，高频特性不如NiZn铁氧体，但由于不含贵重金属，且电阻率ρ高。在30MHz以下仍可代替部分NiZn铁氧体。由于价格便宜，在电视机偏转磁芯和中短波天线磁芯中获得了大量应用。为了获得高的Q值，通常选择加Co2O3、V2O5、MnCO3以及BaCO3的过铁配方，采用高预烧温度低烧结温度办法，并利用低温热处理使其充分吸氧。 1.4 LiZn铁氧体

LiZn铁氧体与NiZn铁氧体相比，具有Bs高、Θf高、ρ高、烧结温度低等特点，在20MHZ～100MHz频段范围内仍具有良好磁性能。但由于LiZn铁氧体在高温烧结时Li易于挥发，而在低温烧结时反应不易完全，在实际应用中未被

广泛采用。国内外研究发现，一种具有高电阻率(p≥108Ω.cm)锂钛锌铁氧体有希望用作高电阻率偏转磁芯材料。 1.5 特高频软磁铁氧体

在平面六角晶系材料中，作为软磁应用的主要是CO2Z、Co2W系列；平面型六角晶系铁氧体的晶粒是扁平的片状结构，短轴为六角晶轴，片状面即为从优平面。由于它存在两种磁晶各向异性场HΦ和HΘ，其截止频率比尖晶石软磁材料提高了一个数量级，作为特高频软磁铁氧体材料使用，其应用频率提高到2000MHz，与超高频段直接相连。

2、软磁铁氧体的制备工艺

软磁铁氧体材料的制备主要分为两类：一类是干法，所谓干法就是将氧化物原料直接球磨混合．再经成型和高温烧结制成铁氧体。这种方法工艺简单、配方准确，应用比较广泛。但原料的烧结活性和混合的均匀性受到，使产品性能的提高也受到一定的。另一类是湿法，如化学共沉淀法、水热法、溶胶—凝胶法、超临界法、微乳液法等。

超临界法[3]是指以有机溶剂等代替水作溶剂，在水热反应器中，在超临界条件下制备纳米陶瓷的一种方法。反应过程中，液相消失，使体系晶粒的均匀成长和晶化比水热法更优越，是一种应用前景良好的方法。

姚志强[4]等采用超临界法制备出MnZn铁氧体超细粉末，其晶形、粒子大小及分布、磁性能明显高于由水热法和共沉淀法制得的粉末。

微乳液法[3,5]是近几年发展的制备超微粒子的一种有效方法，是指热力学上稳定分散的二种互不相溶的液体组成宏观均匀而微观不均匀的混合物，通常加入表面活性剂、助表面活性剂等形成水包油或油包水的微乳液，液滴被表面活性剂所包围，构成一个个反应器，反应物在液滴相互碰撞中在其内部反应生成产物。微乳液的结构了粒子尺寸，使产物的尺寸在几个到几十个纳米，尺寸小且彼此不团聚。故此法得到的产物纯度高、粒径小且分布均匀。

尖晶石型软磁铁氧体纳米材料熔点低、比热高、膨胀系数大，并具有低的饱和磁矩和高的磁化率，以及宽的光吸收频率，电阻率极高，磁谱特性好，极适宜在高频和超高频下应用，因此广泛用作磁头材料、巨磁材料、微波磁性材料等。随着电子产品向小型化方向发展，制备出高密度、均匀、细小晶粒的软磁铁氧体尤为重要。因此，软磁铁氧体纳米材料的制备、性质和结构的研究成为国内外研究的热点和发展趋势之一[6]。

3、软磁铁氧体材料的实际应用

3.1 软磁铁氧体在开关电源中的应用

开关电源是电子技术中应用最为活跃的领域，用开关电源取代传统的电源被称作当今世界电源技术的，它的大量普及与应用大大推动了软磁材料的发展，特别是电源铁氧体的发展。它所使用的磁性器件主要有：开关电源变压器、平滑滤波器、尖峰信号抑制器、噪声滤波器、磁放大器等。

开关电源变压器是开关电源的关键件之一，为了使开关电源小型化，首先要求开关电源变压器小型化。因器件的体积与工作频率成反比。即：

Vm=KfBmAN[7]

其中Vm：电压，K：波形系数。所以由上式可以看出，为了得到同样电压Vm，提高工作频率f，可降低工作磁通密度Bm及减少线圈匝数和磁芯横截面积A。为了适应高频化开关电源的要求，近二十年来材料工作者已先后开发出第—代、第二代、第三代、高Bs低损耗的MnZn铁氧体，其使用频率从16KHz、100KHz、500KHz到1MHz以上，磁芯结构也从EE、EI型过渡到EC、PQ、RM型。

随着开关电源使用频率越来越高，相应的电磁干扰也越来越严重，为达到开关电源综合技术指标，必须采用各种抗干扰措施。例如应用高μiMnZn铁氧体材料作成的共模噪声扼流圈可以抑制共模噪声，应用高Bs的AlSiFe粉芯作成常模扼流圈可以抑制常模噪声，应用Co基非晶带和Fe基非晶带合金可分别制成尖峰信号抑制器、磁放大器和平滑滤波器等。 3.2 软磁材料在电感器件中的应用

电感器是在通讯设备和其它无线电装置中使用最为广泛的器件，它既要求高的品质因数和稳定性，又要求体积小。在使用频率1MHz以下，普遍应用μi≥5000的MnZn铁氧体材料，特别是低频宽带变压器、小型脉冲变压器、电源滤波器、高密度磁记录材料，尤为需要μi ≥10000的MnZn铁氧体材料。目前国外已能生产μi为10000～15000的高μiMnZn材料。在使用频率为1MHz以上广泛采用具有优良高频性能的NiZn材料。通常μi为6～1500，使用频率为1MHz～250MHz。如要求温度范围宽，温度系数小，则使用过剩铁加钴NiZn铁氧体；如使用频率高，要求高频性能好，且又能承受大功率，则采用欠铁加钴NiZn铁氧体。对于片式电感宜采用低烧结温度NiCuZn系列材料。对于羰基铁粉芯，在高频、大功率、低温度系数方面仍具有独特优点，被广泛用于军用电台、无线调谐回路、仪器仪表等。

3.3 软磁铁氧体在宽频带铁氧体器件中的应用

铁氧体宽频带器件是七十年代以来国际上发展起来的一类新型器件，这类器

件不同于以铁氧体张量磁导率为基础的微波器件，也不同于通常的软磁集中参数器件，它是以传输线理论和软磁铁氧体标量磁导率为基础的传输线型集中参数器件。由于传输变压器的特定结构，其漏电感可以忽略不计，分布电容又是均匀分布的，而且有可能在确定传输线特定阻抗和变换电路中加以利用，因而器件的使用频率将不再受材料截止频率的，材料复数磁导率对器件宽频带特性有重要影响，因此铁氧体宽频带器件的使用频率可以作得很宽，其下限频率可作到几千赫兹，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。 3.4 软磁铁氧体在抗EMI中的应用

随着电子技术的飞速发展，武器装备及电子设备面临的电磁环境将变得越来越恶劣，电磁干扰也越来越严重，使用的武器系统和电子设备的电磁兼容已成为一个十分突出的问题。对此。许多国家均制定了强制实施的电磁兼容标准。要抑制电磁干扰有许多行之有效的解决办法，使用软磁材料制作的滤波器，铁氧体抑制器是其中最为有效、简单、经济的办法之一。例如铁氧体抑制器最主要的参数是阻抗，它可以视为一个阻抗随频率变化的电阻器，当高频讯号通过时其阻抗为：

Z=R+jX[7]

式中 R=wL0μ(2)，X=wL0μ(1)

由此可见，材料的复数磁导率μ(1),μ(2)均对铁氧体抑制器的阻抗有贡献。

当μ(1)>>μ(2)时。其阻抗相当于一个纯电抗，电能转变成磁能储存于器件中，磁芯并不消耗能量，它对干扰讯号的抑制主要通过旁路电容将干扰讯号释放掉。当μ(1)<<μ(2)旷时，其阻抗相当于一个纯电阻，由电阻吸收干扰讯号变成热量。μ(2)的作用不仅能增大阻抗。抑制干扰信号，而且还能吸收干扰信号变成热能。μ(1)相同时，μ(2)大的磁芯更有利于抑制和吸收干扰信号，因此抗EMI铁氧体抑制材料被广泛运用。它不仅能作成单孔、六孔、管形、环形、矩形、半圆环形、半矩形、多孔板状铁氧体抑制磁芯，十分方便地套在低阻抗电路导线上或电缆线上，或使用卡箍卡在导线或电缆线上，而且它也可以与电容组成各种规格的噪声滤波器抑制高阻抗电子线路中各种电磁干扰。使用场合不同。性能指标也不同，这类器件主要包括电源滤波器、信号线滤波器、损耗线滤波器、表面安装滤波器、噪声滤波器等等。它们被广泛用于开关电源、计算机、数字设备和军用电子设备等方面。由于电磁兼容(EMC)和抗电磁干扰(EMI)技术涉及到各类电子行业，所以铁氧体抑制器和各种滤波器应用十分广泛，在世界上已形成了一个新兴的产业，从而大大推动了抗EMI铁氧体材料的应用和发展。 3.5 软磁铁氧体在其它方面的应用

软磁铁氧体材料除了上述主要应用外，它还广泛用于荧光灯电子整流器、汽

车和船舶电子打火器、电磁传感器、温度传感器、磁性天线、高频焊接、高频热处理、超声探测器、磁记录及电磁波吸收等方面。

4、软磁铁氧体材料的发展方向

软磁材料作为一个传统产业被广泛应用，近年来随着非晶态合金和纳米晶系软磁材料的飞速发展。对传统的软磁材料提出了新的挑战。

为了适应电子装置小型，薄形化的发展趋势，开关电源不断向高频化方向发展。国内开关电源应用从16KHz发展到100KHz。国外先进技术国家已将开关电源频率提高到了500KHz或1MHz以上。

随着光纤通讯和数字技术的发展，对宽频带变压器和脉冲变压器的需求大大增加，高μi铁氧体材料始终是材料工作所关注的目标。为了满足宽频带变压器的要求，近年来国外进行了提高材料截止频率的研究，结果表明，新的高μi材料随着频率的增加，μ′下降缓慢。

随着电子应用技术特别是数字技术的高速发展，各国对电子机器抗电磁干扰的标准提出了越来越严格的要求，因此，各种各样的EMI抑制器、电源滤波器、噪声滤波器等抗电磁干扰元件被大量用于电源线路和信号电路，以保证整机准确无误地工作。

因此，要满足这些要求，就必须在原材料选择、生产工艺、控制手段等上下苦功夫，才能满足对高性能软磁铁氧体材料的各种需要。

5、结束语

铁氧体磁性材料广泛应用于国民经济和国防的各个方面，高速发展的信息社会以及各学科之间的相互交叉和渗透，使铁氧体磁性材料的发展也十分迅速。新型永磁及软磁铁氧体材料的不断出现，对现代工业进步起了巨大推动作用，科技的发展将会使铁氧体磁性材料的应用越来越广。

参考文献：

[1] 都有为.《铁氧体》

[2] 张有纲，黄永杰，罗迪民．《磁性材料》

[3] 王长振等．锰锌铁氧备技术综述. 磁性材料及器件[J].2002, Vol.20, No.3 [4] 姚志强等．超临界流体干燥法制备MnZn铁氧体超细粉末.磁性材料及器件

[J].1998, V0l.29, NO.1

[5] 段红珍．铁氧体纳米粉体的制备与表征.华北工学院硕士学位论文.2004 [6] 李东风，贾振斌等.尖晶石型软磁铁氧体纳米材料的制备研究进展 电子元件

与材料Vol.22 No.6, Jun.2003

[7] V.w.卡姆普曲克,E.勒斯．《铁氧体磁芯》