软磁铁氧体基本概念和制备工艺

1、软磁铁氧体材料的基本概念和制备工艺软磁铁氧体材料的基本概念和制备工艺文献报告文献报告报告人：报告人：xxx时间：时间：2013.08.27主要内容主要内容1.1. 软磁铁氧体的基本概念软磁铁氧体的基本概念2.2. 软磁铁氧体的常见参数软磁铁氧体的常见参数3.3. 软磁铁氧体的制备工艺软磁铁氧体的制备工艺Contents1 2013.08.271. 软磁铁氧体的概念和分类软磁铁氧体的概念和分类（1）软磁铁氧体：）软磁铁氧体：指指以以Fe2O3为主要成分，与为主要成分，与其它金其它金属氧化物混合在一起属氧化物混合在一起通过粉末冶金通过粉末冶金的的方法制备而成的矫方法制备而成的矫顽力小，容易磁化的顽

2、力小，容易磁化的功能材料。功能材料。（2）从应用角度来分，可分为三类）从应用角度来分，可分为三类: a.功率铁氧体功率铁氧体 b.高磁导率铁氧体高磁导率铁氧体 c.抗电磁干扰铁氧体抗电磁干扰铁氧体22013.08.271.1 功率铁氧体功率铁氧体(1) 主要特征主要特征是在高频高磁感应强度下，仍保持很低的功率是在高频高磁感应强度下，仍保持很低的功率损耗，而且其功率损耗随磁芯的温度升高而下降，在损耗，而且其功率损耗随磁芯的温度升高而下降，在100 左右达到最低点，从而使磁芯处于一种良性循环状态。左右达到最低点，从而使磁芯处于一种良性循环状态。(2)功率铁氧体是现在产量最大的软磁材料，功率铁氧体是

3、现在产量最大的软磁材料，现代功率铁氧体现代功率铁氧体材料主要分为两大类：一类材料主要分为两大类：一类为为高频低功耗材料高频低功耗材料，主要用于主要用于高频开关电源；另一类高频开关电源；另一类为为偏转磁芯偏转磁芯，主要用于高清晰度彩主要用于高清晰度彩色电视机和显示器色电视机和显示器。32013.08.271.1.1 功率铁氧体的发展历史功率铁氧体的发展历史第二代功率铁氧体（第二代功率铁氧体（1984）第一代功率铁氧体（第一代功率铁氧体（1975）第三代功率铁氧体（第三代功率铁氧体（1990）第四代功率铁氧体（第四代功率铁氧体（1995） 代表：代表：TDK H3S FDK H45 Philips

4、 3C8代表：代表：TDK PC30 （H7C1） 代表：代表：TDK PC40 PC44 损耗高，且工作频率损耗高，且工作频率仅仅20KHz20世纪世纪90年代到年代到21世纪初世纪初代表：代表：TDK PC50 Philips 3F3 3F4 3F5 代表：代表：TDK PC44 PC45 PC46 PC47 PC90 PC95 TOKIN BH1具有宽温低损耗特性和高温直流叠加特性，功耗低至具有宽温低损耗特性和高温直流叠加特性，功耗低至250KW/m3特点是功耗温度系数为负值，工作频率提高到特点是功耗温度系数为负值，工作频率提高到25-200KHz高频损耗大幅下降，工作频率提高到高频损耗

5、大幅下降，工作频率提高到100-500KHz工作频率从工作频率从300KHz甚至提高到甚至提高到4MHz开关电源工作频率不断提高开关电源工作频率不断提高1.1.2 功率铁氧体的发展趋势功率铁氧体的发展趋势1发发展展趋势趋势 继续向超低功继续向超低功耗方向发展耗方向发展继续向高频化继续向高频化方向发展方向发展向多元化方向发展，其向多元化方向发展，其一：宽温低损耗材料；一：宽温低损耗材料；其二：高其二：高Bs低损耗材料低损耗材料 可以看出，今后功率铁氧体材料研究开发的重点仍然是向小型化、高频可以看出，今后功率铁氧体材料研究开发的重点仍然是向小型化、高频化、低损耗化方向发展，同时要求材料具有更高的室

6、温及高温化、低损耗化方向发展，同时要求材料具有更高的室温及高温Bs、更好的、更好的直流叠加特性及温度特性等。直流叠加特性及温度特性等。5 2013.08.271.1.3 功率铁氧体的部分产品性能指标功率铁氧体的部分产品性能指标62013.08.271.2 高起始磁导率铁氧体高起始磁导率铁氧体（1）概念：磁导率是衡量软磁铁氧体材料性能的主要基本）概念：磁导率是衡量软磁铁氧体材料性能的主要基本参数，通常将初始磁导率在参数，通常将初始磁导率在5000材料称为高磁导率铁氧体。材料称为高磁导率铁氧体。（2）主要特征：是磁导率特别高）主要特征：是磁导率特别高, 一般要求达到一般要求达到10000以上以上,

7、 且损耗较小，从而可积缩小磁芯体适应元器件向小型化、轻且损耗较小，从而可积缩小磁芯体适应元器件向小型化、轻量化发展的需要。量化发展的需要。（3）应用：）应用：高磁导率铁氧体材料主要用于高磁导率铁氧体材料主要用于宽带变压器、漏宽带变压器、漏电保护器、电保护器、宽频带电感器、变压器和电子镇流器中。宽频带电感器、变压器和电子镇流器中。72013.08.271.2.1 高磁导率铁氧体发展历程高磁导率铁氧体发展历程德国德国siemens i=40000，Tc=40oC，无实用价值无实用价值1966年年1971年年80年代年代21世纪世纪高磁导率高磁导率TDK H5C3 i=13K H5C5 i=30K

8、H5C5的损耗更小的损耗更小日本住友日本住友 i=20000并能在较宽的温度范并能在较宽的温度范围内保持磁导率围内保持磁导率Tc从从40oC提高到提高到130oC低的总谐波失真低的总谐波失真TDK DN40 DN70EPCOS T38 T66T66的温度稳定性更好的温度稳定性更好8 2013.08.271.2.2 高磁导率铁氧体的发展趋势高磁导率铁氧体的发展趋势 三大发展趋势三大发展趋势高磁导率铁氧体有更好的直流叠加性能高磁导率铁氧体有更好的直流叠加性能高磁导率铁氧体磁芯有低的总谐波失真高磁导率铁氧体磁芯有低的总谐波失真更高的磁导率，高居里温度更高的磁导率，高居里温度Tc，低损，低损耗和低温度

9、系数，高截止频率，即宽耗和低温度系数，高截止频率，即宽频高磁导率频高磁导率92013.08.271.2.3 高磁导率铁氧体部分产品的性能指标高磁导率铁氧体部分产品的性能指标10 2013.08.271.3 抗电磁干扰铁氧体抗电磁干扰铁氧体（1）利用铁氧体材料的电磁损耗机理，对电磁干扰信号进利用铁氧体材料的电磁损耗机理，对电磁干扰信号进行大量吸收，达到抗电磁干扰的目的，主要用于固定电感行大量吸收，达到抗电磁干扰的目的，主要用于固定电感器、抗电磁干扰滤波器、抑制器和片式电感器。器、抗电磁干扰滤波器、抑制器和片式电感器。（2）抗电磁干扰材料通常为）抗电磁干扰材料通常为NiZn铁氧体材料，这类材料电铁

10、氧体材料，这类材料电阻率高，可用于高频。但阻率高，可用于高频。但NiZn 铁氧体材料磁导率相对较铁氧体材料磁导率相对较低，低频阻抗小，在低频抗电磁干扰能力较弱，所以低频低，低频阻抗小，在低频抗电磁干扰能力较弱，所以低频抗抗EMI材料通常用材料通常用MnZn铁氧体材料。铁氧体材料。（3）抗电磁干扰）抗电磁干扰MnZn铁氧体材料的发展趋势：更高阻抗，铁氧体材料的发展趋势：更高阻抗，更宽频率范围内有高的阻抗。更宽频率范围内有高的阻抗。112013.08.272. 软磁铁氧体的常见参数软磁铁氧体的常见参数2.1.1 起始磁导率概念起始磁导率概念起始磁导率起始磁导率i是材料在弱磁场磁化过程中的一个宏观特

11、性表是材料在弱磁场磁化过程中的一个宏观特性表示量，示量，是磁性材料的磁导率（是磁性材料的磁导率（B/H）在磁性曲线始端的极限）在磁性曲线始端的极限值，值，其微观机制是可逆磁畴矢量转动和可逆畴壁位移，起始其微观机制是可逆磁畴矢量转动和可逆畴壁位移，起始磁导率是这两个磁化过程的叠加。磁导率是这两个磁化过程的叠加。公式：公式：00-01lim:H/mHABTiHBH7真空磁导率（410）；：磁场强度（ /m）； ：磁通密度（ ）122013.08.272.1.2 高高i的优势与不足的优势与不足优势优势1：优势3：优势优势2不足不足相同电感量要求下，器件体积可相同电感量要求下，器件体积可以越小，这对小

12、型化十分必要以越小，这对小型化十分必要由于线圈匝数少，导线电阻造由于线圈匝数少，导线电阻造成的钢损相应下降成的钢损相应下降i高的材料，出现畴壁共振、自然共高的材料，出现畴壁共振、自然共振的频率必然低，在高频应用时，将振的频率必然低，在高频应用时，将出现很大的共振损耗，使出现很大的共振损耗，使Rx增大增大高i在磁路中漏磁一类的杂散磁场的在磁路中漏磁一类的杂散磁场的影响也可减小影响也可减小因此，选择材料的因此，选择材料的值，应根据工作频率与所要求的值，应根据工作频率与所要求的Q值来决定。值来决定。132013.08.272.1.3 提高软磁铁氧体提高软磁铁氧体i的条件的条件（1）原材料：纯度高、活

13、性好、杂质少，特别应注意半径原材料：纯度高、活性好、杂质少，特别应注意半径较大的杂质离子。较大的杂质离子。（2）配方基本成分不仅要满足高配方基本成分不仅要满足高Ms，更要满足，更要满足K10，s0的条件的条件, 加入必要的添加剂起改善磁性能的作用。加入必要的添加剂起改善磁性能的作用。（3）保证获得高密度及优良显微结构的工艺条件，二次还）保证获得高密度及优良显微结构的工艺条件，二次还原烧结法和平衡气氛烧结法是获得隐定优良性能必不可少原烧结法和平衡气氛烧结法是获得隐定优良性能必不可少的条件。的条件。（4）采用适当的热处理工艺改善显微结构性能，促使均匀）采用适当的热处理工艺改善显微结构性能，促使均匀

14、化，消除内应力，调节离子化，消除内应力，调节离子、空位的稳定分布状态。空位的稳定分布状态。142013.08.272.2 磁损耗磁损耗（1）软磁材料在弱交变磁场中一方面会受磁化而储能，另软磁材料在弱交变磁场中一方面会受磁化而储能，另一方面由于各种原因造成一方面由于各种原因造成B落后于落后于H而产生损耗，即材料从而产生损耗，即材料从交变场中吸收能并以热的形式耗散的功率。交变场中吸收能并以热的形式耗散的功率。（2）一般）一般用用tan/i来衡量材料的损耗特性来衡量材料的损耗特性，通常要求通常要求tan/i越小或越小或Q乘积越高越好。乘积越高越好。（3）磁损耗分类磁损耗分类: 粗略考虑，铁氧体材料的

15、单位体积的总磁粗略考虑，铁氧体材料的单位体积的总磁损耗损耗W是由涡流损耗是由涡流损耗W、磁滞损耗、磁滞损耗Wh和剩余损耗和剩余损耗We三部分三部分所组成，即：所组成，即：WW+Wh+We152013.08.272.2.2 降低磁损耗的方法降低磁损耗的方法涡流损耗：涡流损耗：比比涡流涡流损耗与样品的厚损耗与样品的厚度度d2和频率和频率f成正比，而成正比，而与电阻率与电阻率成反比。降低涡流损耗的关键是减小样品的厚成反比。降低涡流损耗的关键是减小样品的厚度度d或或(半径半径R）和提高材料的电阻率）和提高材料的电阻率。磁滞损耗磁滞损耗：对于低频软磁材料，特别是工作磁场较高时，磁对于低频软磁材料，特别是

16、工作磁场较高时，磁滞损耗在总损耗中占有较大的比例。粒较小、均匀、形状滞损耗在总损耗中占有较大的比例。粒较小、均匀、形状完整，晶界较厚、气孔少、各向异性完整，晶界较厚、气孔少、各向异性K1较小较小。剩余损耗剩余损耗：软磁铁氧体的剩余损耗在低温主要由软磁铁氧体的剩余损耗在低温主要由Fe2+ Fe3+e之间的电子扩散引起，损耗也延续到高温。防止扩之间的电子扩散引起，损耗也延续到高温。防止扩散考虑，必须控制散考虑，必须控制Fe2+含量。含量。162013.08.272.3 稳定性稳定性2.3.1 时间稳定性时间稳定性 （1）减落：）减落：磁导率随时间的减落是一种可逆的变化，它是磁导率随时间的减落是一种

17、可逆的变化，它是 材料的不稳定性之一，这种现象较为严重时会造成电路工材料的不稳定性之一，这种现象较为严重时会造成电路工作不稳定作不稳定。 通过控制通过控制控制控制Fe2+数量数量和优化烧结工艺的方法降低减落。和优化烧结工艺的方法降低减落。（2）材料的磁特性随时间增长而不断下降，材料的磁特性随时间增长而不断下降，且且这种变这种变 化化 是是 不可逆变化，则称为磁老化。不可逆变化，则称为磁老化。 采用人工老化办法可达到在应用时的稳定性。采用人工老化办法可达到在应用时的稳定性。172013.08.272.3.2 温度稳定性温度稳定性 铁铁氧体氧体的的居里温度居里温度f比金属磁低，稳定性比金属磁差，组

18、比金属磁低，稳定性比金属磁差，组成和价态易受外界影响而发生变化，给材料制造和使用造成和价态易受外界影响而发生变化，给材料制造和使用造成困难。成困难。i随温度的变化将引起电感量的改变从而影响电随温度的变化将引起电感量的改变从而影响电感器件工作的稳定性。作为使用材料的要求，希望温度稳感器件工作的稳定性。作为使用材料的要求，希望温度稳定性越高即比温度系数定性越高即比温度系数a/i值越小越好值越小越好。 软磁铁氧体的起始磁导率软磁铁氧体的起始磁导率i随温度的变化有一个或两个峰随温度的变化有一个或两个峰值，峰值的出现是由于磁导率值，峰值的出现是由于磁导率i与饱和磁化强度与饱和磁化强度Ms2成正成正比，与磁晶各向异性常数比，与磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数、磁致伸缩系数s与内应力与内应力i的乘积成反比，而这些参量都是温度的函数，因此，磁导的乘积成反比，而这些参量都是温度的函数，因此，磁导率率i就是温度的复杂函数。就是温度的复杂函数。182013.08.272.4 截止频率截止频率 由由于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的于软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的值降为起始值的一半且值降为起始值的一半且”达到峰值时的频率，称为截止达到峰值时的频率，称为