MnZn鐵氧體材料應用特性及飽和性研究

趙少瓊，高萬峰，周成龍，陳曉微

(1.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089；2. 63850部隊，吉林 白城 137001)

隨著電子科學技術的飛速進步，MnZn鐵氧體作為一種重要的基礎磁性材料，已成為電力電子及通信行業磁性元器件的研究重點，被廣泛應用于各電子行業與元器件中，如：濾波器、通信、能源、音像設備、傳感器、差共模扼流線圈、變壓器和磁偏轉裝置等[1-5]。同時隨著計算機網絡、高清晰度電視、通信等電子信息產業向小型化、智能化、片式化、高智能化及高頻化方向的快速發展[6-8]，對高密度化、輕量化、低損耗、小型化的高性能電子元器件的需求量大幅度增長，從而減小其體積、重量和提升材料的性能提出了更高的要求，也使MnZn鐵氧體材料的制備工藝日益完善，發展成為種類繁多、應用廣泛的功能材料，促使其向更低的功率損耗和更高的頻率方向發展[9-10]。

此外隨著人們對電磁干擾影響的日益重視，MnZn鐵氧體等抗EMI材料在兵器、航空、航天等軍工單位和科研院所等領域也有著廣闊的市場前景。本文從MnZn鐵氧體材料特性及應用、在濾波器磁芯中的飽和研究分析以及制備工藝方面進行綜合介紹。

1 MnZn鐵氧體材料的特性及應用

MnZn鐵氧體是一種以氧化鐵為主要成分的非金屬磁性材料，大多適宜于3 MHz以下的頻率工作，具有容易磁化又容易退磁、磁導率較高、飽和磁通密度較高、損耗低等特性。根據其材料性能又可分為MnZn功率材料、MnZn高磁導率材料和MnZn高穩定性材料3類。

1.1 MnZn功率鐵氧體材料特性及應用

MnZn功率鐵氧體又稱低損耗鐵氧體，具有低功率損耗(Pcv)、較高飽和磁感應強度(Bs)、高磁導率(μi)、高電阻率(ρ)、在直流偏磁場下具有低損耗并能穩定傳輸高頻功率信號等特性[11]，被廣泛應用到各種元器件中，如開關電源及功率變壓器、扼流線圈、發射機間耦合變壓器、脈沖寬帶變壓器、跟蹤接收機高功率變壓器、磁偏轉裝置等。利用MnZn功率鐵氧體高飽和磁化強度、高電阻率和低損耗等特性制成的變壓器磁芯，已經成為計算機、通信、彩電、錄像機、辦公自動化及其他電子設備中一種不可缺少的組件。

1.2 MnZn高磁導率鐵氧體材料特性及應用

錳鋅高磁導率鐵氧體的主要特性是磁導率特別高，通常把μi≥5 000的材料稱為高磁導率材料，一般要求μi≥12 000[12]。MnZn高磁導率鐵氧體具有高初始磁導率、低損耗因數、在寬頻或寬溫下具有較高的磁導率、硬度高、低總諧波失真(THD)、磁導率減落系數及應力敏感性小等特性，在制作感力元件方面也是其他材料所不能及的。高磁導率鐵氧體主要用于EMI濾波器、測控儀器、電子電路寬帶變壓器、微型低頻變壓器、抗電磁干擾噪聲濾波器、通信網絡、脈沖變壓器等領域。

1.3 MnZn高穩定性鐵氧體材料特性及應用

MnZn高穩定性鐵氧體，在寬溫內具有溫度系數小、損耗低、可靠性高、溫度穩定性好等特性。主要用于傳遞信號的通信變壓器、LC濾波器等。

2 MnZn鐵氧體材料飽和性試驗

當磁性材料在交變磁場中被反復磁化，吸收電磁場的能量，將其轉化為熱量，這就導致了磁損耗[13]。磁損耗是磁性材料在交變磁場中產生熱量的主要原因，常見的磁損耗有渦流損耗、磁滯損耗和剩余損耗。同時磁損耗的存在會導致磁性材料的性能下降，嚴重時會發生失效的情況，從而給設備的正常工作帶來巨大影響。

針對不同MnZn鐵氧體磁性材料進行μi-F、μi-T、B-H曲線、居里溫度(Tc)等性能研究如下。

2.1 10K、12K材質性能研究試驗

1)在不同頻率下對材質為10K、12K的錳鋅鐵氧體進行單匝電感量及磁導率測試，結果見表1和表2。

表1 10K材質與頻率關系性能研究試驗結果

(續表)

表2 12K材質與頻率關系性能研究試驗結果

由表1和表2試驗結果可知：a.在低頻段隨著頻率的升高，磁導率μi和單匝電感量變化不大，當頻率升高到一定值時開始快速下降，從而導致磁性材料性能降低甚至失效；b.磁導率μi和單匝電感量在測試頻段內成正相關，磁導率變大則單匝電感量變大，磁導率變小則單匝電感量變小；c.10K材質在50～100 kHz磁性能最好，12K材質在50 kHz以下磁性能最好；d.在50 kHz以下，12K材質性能優于10K材質，在50 kHz以上，12K材質性能劣于10K材質。

2)在不同溫度下對材質為10K、12K的錳鋅鐵氧體進行單匝電感量及磁導率測試，結果見表3和表4。

表3 10K材質與溫度關系性能研究試驗結果

(續表)

表4 12K材質與溫度關系性能研究試驗結果

由表3和表4試驗結果可知：a.磁導率μi和單匝電感量隨著溫度的升高而變大，當溫度升高到居里溫度Tc(130 ℃)附近時開始急速下降，由鐵磁狀態轉變為順磁狀態，從而導致磁性材料失效；b.磁導率μi和單匝電感量在測試溫度內成正相關，磁導率變大則單匝電感量變大，磁導率變小則單匝電感量變小；c.10K材質和12K材質均在110～120 ℃磁性能最好；d.在50 ℃以下，12K材質性能優于10K材質。

3)對材質為10K、12K的錳鋅鐵氧體進行B-H磁滯回線測試，結果如圖1所示。

a) 10K

b) 12K圖1 10 K和12 K材質B-H測試曲線

由圖1試驗結果可知：10K材質飽和磁化強度Bs為409，飽和磁化場Hs為600；12K材質飽和磁化強度Bs為386，飽和磁化場Hs為800。

2.2 PC40材質性能研究試驗

1)在不同溫度下對PC40材質的功率鐵氧體進行單匝電感量及磁導率測試，結果見表5。

表5 PC40材質與溫度關系性能研究試驗結果

由表5試驗結果可知：a.磁導率μi和單匝電感量隨著溫度的升高而變大，當溫度升高到居里溫度Tc(210～220 ℃)附近時開始急速下降，由鐵磁狀態轉變為順磁狀態，從而導致磁性材料失效；b.磁導率μi和單匝電感量在測試溫度內成正相關，磁導率變大則單匝電感量變大，磁導率變小則單匝電感量變小；c.PC40材質在75～210 ℃磁性能最佳。

2)在不同磁場強度和溫度下對PC40材質的功率鐵氧體進行磁感應強度測試，結果如圖2所示。

圖2 PC40材質B-H測試曲線

由圖2試驗結果可知：a.溫度一定時，當磁場強度小于200 A/m時，隨著磁場強度的變大磁感應強度變大，當磁場強度大于200 A/m時，磁感應強度幾乎不變，達到飽和；b.當磁場強度大于100 A/m且在同一強度時，溫度越高磁感應強度越小，性能越差。

2.3 DRM95材質性能研究試驗

1)在不同頻率下對材質為DRM95的錳鋅鐵氧體進行單匝電感量及磁導率測試，結果見表6。

表6 DRM95材質與頻率關系性能研究試驗結果

由表6試驗結果可知：a.在低頻段隨著頻率的升高，磁導率μi和單匝電感量變化不大，當頻率升高到一定值時開始快速下降，從而導致磁性材料性能降低甚至失效；b.磁導率μi和單匝電感量在測試頻段內成正相關，磁導率變大則單匝電感量變大，磁導率變小則單匝電感量變小；c.DRM95材質在約為900 kHz時磁性能最好。

2)在不同溫度下對材質為DRM95的錳鋅鐵氧體進行單匝電感量及磁導率測試，結果見表7。

表7 DRM95材質與溫度關系性能研究試驗結果

由表7試驗結果可知：a.磁導率μi隨著溫度的升高而逐漸變大，當溫度升高到居里溫度Tc(220 ℃)后開始急速下降，由鐵磁狀態轉變為順磁狀態，繼續升高到約240 ℃最終導致磁性材料失效；b.DRM95材質在100～220 ℃磁性能最好。

3 MnZn鐵氧體材料制備方法及優化研究

通過上述飽和性試驗及查閱相關文獻可知，當前MnZn鐵氧體的研究重點及影響材料抗飽和性的主要因素是材料制備方法、生產設備和制備工藝[14]。

3.1 材料制備方法

MnZn鐵氧體常用的制備方法主要有干法和濕法2種。干法(氧化物法)即將氧化物(氧化鐵、氧化錳等)通過一定比例，經過球磨或砂磨、預燒、成型和高溫燒結等工藝，制備成MnZn鐵氧體材料的方法。這種方法配方準確，工藝簡單。工藝流程主要如圖3所示。

圖3 錳鋅鐵氧體干法制備工藝流程

濕法是指從各類金屬鹽的水溶液著手，通過無機溶液反應來生成鐵氧體粉料的方法，合成的MnZn鐵氧體粉體燒結活性高，成分均勻。其常見的工藝包括化學共沉淀法、水熱合成法、溶膠-沉淀法、超臨界法、自蔓延高溫合成法和微乳液法等。

3.2 制備方法優化研究

在制備過程中，溫度過高會使鋅氧化物蒸發，從而導致MnZn鐵氧體磁導率下降；燒結溫度過低，則固相反應不完全，性能達不到要求。對此國內外學者進行了多次嘗試與研究進行制備方法的優化：Kogias等[15]采用冷凍干燥取代噴霧干燥，使MnZn鐵氧體在高頻下的功率損耗降低了25%。在濕法優化上Topfer等[16]采用三元醇法也合成了同樣具有超順磁性的納米晶MnZn鐵氧體，其飽和磁感應強度為79 A·m2/kg。Kumar等[17]分別用自蔓延燃燒法和蒸發法制備了MnZn鐵氧體粉末，并對比了這2種方法制備的樣品在性能上的差異，但由于局限性這2種方法還難以應用于企業大批量生產中。

4 結語

通過上述研究分析可知，MnZn鐵氧體材料磁性能優異，生產工藝簡單，成本低廉，隨著科技的不斷進步、新產品的出現以及高新技術的發展，在產品中的比重將會越來越大，作用也將更重要。同時，市場對MnZn鐵氧體材料性能也提出了更高的要求和標準，如向高頻率、高磁導率、低損耗方向發展；必須有很高的居里溫度，以保證其能在高溫條件下性能良好。此外，其制備方法和添加劑種類的研究與完善將是其今后重點的發展方向。