软磁铁氧体材料的发展趋势及产业化研究

软磁铁氧体材料的发展趋势及产业化研究和开发的几个误区刘亚丕1,2，何时金3，包大新3，任旭余3（1．浙江大学材料与化学工程学院材料科学与工程学系，浙江杭州 310027；2．横店集团东磁有限公司博士后科研工作站，浙江东阳 322118；3．横店集团东磁有限公司中央研究所，浙江东阳 322118）摘要：纳米结构的金属软磁材料的崛起，使高频性能优良的铁氧体软磁材料面临着巨大的挑战。

本文在对软磁材料，特别是软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势进行综合分析之后，指出了一些当前在软磁材料研究和开发中普遍容易忽视的问题。

关键词：软磁材料；铁氧体软磁材料；纳米晶软磁材料；发展趋势；产业化软磁铁氧体材料是品种最多、应用最广的一类磁性功能材料，也是铁氧体材料中发展最早的一类材料。

自从1935年荷兰Philip实验室研究开发成功至今已有将近七十年的历史，其性能也已得到了很大的改进和提高。

由于这类材料具有高的本征电阻率ρ，所以在交流条件下具有许多金属软磁材料所无法比拟的优越性且价格低廉，并可制成各种形状的磁芯，因此，在高频区一般都使用软磁铁氧体材料。

用这类材料制成的磁芯被广泛应用于通信、广播、电视、自动控制、航天技术、计算机技术、电子设备及其它IT产业中来制作各种类型的电感器、变压器、扼流圈、抑制器和滤波器等器件。

软磁铁氧体材料和软磁铁氧体磁芯统称软磁铁氧体，长期以来软磁铁氧体产量的增长是建立在其生产技术和应用技术共同发展的基础之上的。

电子技术的飞速发展，对软磁铁氧体器件，如电感器、变压器、滤波器等不断提出了各种新的要求，这种要求促进了软磁铁氧体的发展，如适应开关电源向高频化发展的高频低功耗功率铁氧体材料，适应光纤通信和数字技术发展的宽频带变压器和抗干扰扼流圈用的高磁导率与宽频带铁氧体材料，同时具有高μ与高B s的材料（双高材料），适应高清晰度和大屏幕显示器发展的偏转线圈和回扫变压器用高频低损耗功率材料，以及适应表面贴装技术发展的平面电感器和变压器用低烧结温度和低热阻的铁氧体材料等等，就是生产和应用技术共同发展的最直接结果。

在开发和研究过程中，由于软磁铁氧体材料和磁芯的研究始终结合在一起，从而形成了由各种软磁铁氧体材料制成的各种形状的磁芯，所有这些材料及磁芯的不同组合可以具有各种不同的性能、特点和用途，以满足各种需求。

目前由于软磁铁氧体具有广阔的发展前景和可预期的市场潜力，从而成为世界各国铁氧体公司开发和研究的重点。

权威机构对全球软磁行业的评估认为，世界软磁铁氧体需求量的平均增长速度在今后几年中将继续保持在10%～15%的水平。

由此可以看出，开发具有自己独立知识产权的可批量生产的综合性能好的软磁铁氧体材料并迅速占领市场已经成为各个公司的当务之急。

本文在对软磁材料，特别是软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势进行综合分析之后，指出了一些研究和开发人员在材料研究中普遍容易忽视的问题。

1 软磁铁氧体材料的发展过程及发展趋势一般地，从应用角度来分，软磁铁氧体材料主要分为功率材料和高磁导率材料两大类，为适应世界电子技术发展的需要，这两类铁氧体材料都已经得到了很大的发展，并且它们各自的分类也越来越细。

现代功率铁氧体材料也主要分为两大类：一类主要用于高频开关电源，即所谓高频低功耗材料；另一类主要用于高清晰度彩色电视机和显示器，即所谓偏转磁芯（Deflection Yoke）。

我国在1997年发布的SJ/T1766-1997《软磁铁氧体材料分类》行业标准中，按工作频率的不同把功率铁氧体材料分成了PW1～PW5五类：PW1材料的工作频率为15～100kHz；PW2的为25～200kHz；PW3的为100～300kHz；PW4的为0.3～1MHz；PW5的为1～3MHz。

目前，国内的大多数企业都已经能大批量生产出相当于PW1～PW3的材料，部分企业也已经研究开发出了相当于PW4和PW5的材料，并且这些材料在各方面的性能指标也都已经基本上达到甚至超过了国外同类产品的先进水平，但对此类产品能实现大批量生产的企业还为数不多。

自日本TDK公司在国际上最早批量生产各种软磁铁氧体磁芯以来，因其特殊的地位，即它既是铁氧体软磁磁芯材料的生产者，同时又是各种软磁铁氧体磁芯器件的开发和使用者，所以，无论从材料的开发上，还是材料的应用上，它一直主导着世界软磁铁氧体的发展趋势。

有关铁氧体方面的新材料、新工艺、新技术，以至新的应用领域大都是由TDK公司首先推出的，世界各大铁氧体生产企业也都在紧跟TDK的发展步伐，但是近年来TDK的领先地位已受到世界其它大铁氧体生产公司的挑战。

开关电源变压器中很早就开始使用软磁功率铁氧体MnZn材料，随着开关电源工作频率的不断提高，这种功率铁氧体材料的发展也已经历了四代。

最初，为适应开关电源市场的需要，TDK于70年代初开发出了第一代功率铁氧体材料如HC35。

由于这种材料的功耗较大，只能用在中心工作频率为20kHz 左右的民用开关电源中，因此，TDK于80年代初开发出了第二代功率铁氧体材料如H7C1（PC30），这种材料的特点是其功耗温度系数为负值，即随着温度的升高，功耗呈下降趋势，且中心工作频率也已提高到了100kHz左右。

日本TDK 公司于80年代最早开发了使用频率可达300kHz（中心频率为100kHz）的第三代功率铁氧体材料如H7C4（PC40），但由于当时磁芯的工作频率普遍低于50kHz，只需采用PC30或相当于PC30的材料就能满足使用要求，因此这种材料的发展比较缓慢。

到80年代后期，开关电源的工作频率已提高到了250kHz左右，由于PC40对工作频率为数百kHz的开关电源特别适用，因此在工业类开关电源中得到了广泛的应用。

进入90年代中期，电子工程的发展对磁芯变压器的工作频率范围不断提出了更高的要求，其目的是想通过减小磁路的体积和重量的方法来减小使用电感元件的系统的体积（重量），以使这类器件小型化、片式化，从而为更小体积的电子线路的发展提供保证。

TDK开发的第四代功率铁氧体材料如H7F （PC50）的中心工作频率可达500kHz以上，满足了开关电源进一步对轻、小、薄的需要，并被认为是今后功率铁氧体材料的发展方向。

随后，Philips公司推出了可用至2MHz的3F4，今年又推出了可用至4MHz的3F5材料，其4F1材料（NiZn）可用至4～10MHz。

以前人们普遍认为，PC50材料在几年以后才可能会有市场，但从目前的发展趋势来看，业界对PC50材料已经有需求，可见其市场基本已经起动。

在90年代，日本TDK还开发成功了PC44、PC45、PC46及PC47材料，其功率损耗比PC40材料降低了约1/4～1/3，在f=100kHz，B m=200mT的条件下，其功率损耗均在300kW/m3以下，甚至可到250kW/m3左右；在f=100kHz，B=200mT，T=100℃的条件下，PC40、PC44和PC47三者的功耗分别为410、300 m和250kW/m3。

学术界普遍认为，今后，开关电源用功率MnZn铁氧体材料主要有两大发展趋势：一是继续向超低功耗方向发展，目前这类材料已经系列化，其典型代表如日本TDK公司的PC40、PC44、PC45、PC46及PC47等。

世界其它各大铁氧体公司也纷纷加紧开发并相继推出了自己的PC40或相当于PC40的铁氧体材料及系列产品，如FDK的6H10和6H20、Philips公司的3C90、Tokin公司的BH2及Siemens 公司的N92等等。

当前开关电源主流产品的工作频率为100～300kHz，在TDK推出PC44后，Siemens、FDK、Philips、Tokin等公司也分别推出了N97、6H40（以及6H41和6H42）、3C91（以及3C94和3C96）和BH1等相当于PC44性能的材料牌号。

二是继续向高频化方向发展，如可用至1MHz的日本TDK公司的PC50材料和可用至4MHz的荷兰Philips公司的3F5材料等等。

另外，开关电源的工作频率也已经有向300～500kHz发展的趋势，相应的满足工作频率为0.5～1MHz的开关电源用功率铁氧体材料如PC50也已商品化，在80～100℃，500kHz，50mT下，磁芯损耗已经达到80～100kW/m3的水平，Siemens在2002年最新公布的新N49材料在此条件下的功率损耗已经达到40～60kW/m3的水平[1]。

为适应市场需要，现在，世界各主要铁氧体生产企业生产的功率铁氧体材料的性能已基本上可以覆盖从25kHz～4MHz的频率范围，如Siemens公司的N49，其工作频率为300kHz～1MHz，N92和N97为25～500kHz，N59为500～1500kHz；Philips的3F3可用到200～500kHz的频率范围，3F35可用至500kHz～1MHz，3F4及3F45可用至1～2MHz，3F5为2～4MHz；FDK的7H10和7H20可用至500kHz～1MHz，Tokin的B40也可用至500kHz～1MHz等等。

超过4MHz，则需使用NiZn材料，如Philips公司可用至10MHz的4F1材料等。

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，同时要求材料应具有更高的室温及高温B s、更好的直流叠加特性及温度特性等等。

高磁导率铁氧体材料也经历了类似的发展历程，60年代德国Siemens公司的研究人员就在实验室制得初始磁导率μi=40000的材料，尽管其T C只有40℃，实用价值不大，但是至今仍保持着最高的μi记录。

日本TDK公司早在1986年就在过去生产的H5C2（μi＞104）的基础上成功地开发出了商品化的系列高磁导率MnZn铁氧体材料如H5D（μi ＞15000）和H5E（μi＞18000）等，但这两种材料的适用频率范围分别低于50kHz和10kHz，高频特性很差，因而大大限制了其应用范围。

随着电子技术的发展，在抗电磁干扰噪声滤波器、电子电路宽带变压器、综合业务数据网（ISDN）、局域网（LAN）、宽域网（WAN）、背景照明等领域中需要大量频率特性优良的高磁导率MnZn铁氧体材料，为此，日本TDK于1994年成功开发出μi=13000，使用频率可达100kHz的MnZn铁氧体材料H5C3，1995年又在文献上公布研制成功μi=23000的材料[2]；在其2000年年度报告中称开发成功了超高磁导率材料H5C5，但未公布其具体的性能参数，直到2001年10月19日，才在其最新产品目录中公布了这种材料的具体指标，在10kHz，10mV，10匝下其μi=30000±30%。

在其它指标与H5C3相差不大的情况下，其相对损耗因子tgδ/ui＜15×10－6，比H5C3大近一倍（H5C3为＜7×10－6），这种材料目前主要用于宽带变压器，并且其规格仅限于Ø3～6mm的环形产品，可以认为是专门针对特殊用途而开发的一种新材料。