MnZn铁氧体磁导率频率稳定性和温度稳定性分析
Analysis Stabilization of Permability Versus Frequency Temperature of MnZn Ferrite

摘要：本文综合分析了MnZn铁氧体材料磁导率的频率稳定性及温度稳定性。要获得有温度稳定性的软磁材料，通常采用过铁配方，当的含量控制在53.6mol％时，可以获得很好的温度稳定性；且通过适当控制和的比例，可以得到多个补偿点，在较宽温度范围内得到平坦的~T曲线。材料的起始磁
导率截止频率是互相制约的，因此在磁导率没有特殊要求的情况下，可以通过适当降低磁导率来提高材料的应用频率。若对材料磁导率要求比较高时，可以用缺铁配方以及降低烧结温度的途径来提高软磁铁氧体材料的使用频率。
关键词：MnZn铁氧体 频率稳定性 温度稳定性

前言
高精尖特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁材料不但要高，低tanδ，更重要的是高稳定性，即磁导率的温度稳定性、频率稳定性要高，减落要小，随时间的老化要尽可能小，以保证长寿命工作于太空、海底、地下及其它恶劣环境。在低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等影响因素较强的情况下，软磁材料性能的变化是其基本特性参数在物理化学过程中发生变化结果。
锰锌铁氧体是低频段应用极广的铁氧体，在500kHz频率以下较其他铁氧体具有更多的优点。如磁滞损耗低，在相同高磁导率的情况下居里温度较Ni-Zn高，起始磁导率甚大，目前最高达4×，且价廉。因此，对MnZn铁氧体进行稳定性研究具有良好的市场前景。本文将分别对MnZn铁氧体磁导率的频率稳定性和温度稳定性进行具体分析。
1 MnZn铁氧体磁导率温度稳定性分析
软磁材料的温度稳定性用温度系数α表示。定义为：由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。故磁导率的温度系数为：
（1）
式中，，分别是温度时材料的磁导率。
由于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，因此在实际应用中对有严格的要求。在某些场合下，也采用比温度系数β=/表示材料的温度特性。用比温度系数β可以方便地比较具有不同磁导率值的铁氧体材料的温度系数，国内常以“TKμ”符号代之。因此低温度系数材料常被称作低TKμ材料。
由于软磁铁氧体的起始磁导率与饱和磁化强度的平方成正比与磁晶各向异性常数、磁致伸缩系数与内应力的乘积成正比，而这些参数都是温度的函数，因此，磁导率就是温度的复杂函数。通常，磁导率随温度的变化有一个或多个峰值。和σ的变化，进而降低材料温度系数的途径作进一步讨论。
1.1配方的确定
要获得低温度系数材料，首先必须合理选择配方。对于居里温度要求一定的材料，其温度系数的大小与Ⅱ峰的位置有很大的依赖性，而Ⅱ峰位置又对应于=0的温度点。我们知道，正分MnZn铁氧体<0，而在MnZn铁氧体中对值的贡献为正，因此可以起到补偿的作用。由于的~T曲线比一般尖晶石的~T曲线变化缓慢，因此总值在补偿点以上为正，以下为负（见图1）。当（>50mol%）含量增加时，补偿点向低温方向移动，因而~T曲线的Ⅱ峰也随增加而移向低温，Ⅱ峰的位置可由经验公式初步估算出来。根据Kōnig的大量实验，若铁氧体成分为），当Mn含量z=0.522~0.55时，含量y和Ⅱ峰位置之间的经验关系为：
/≈0.88-2.9y（2）
其中，0<y<0.2，和均以“K”为单位。如果基本成分中含量由于其他阳离子取代而变化，上述关系仍然成立。一般情况下，一价和二价金属氧化物杂质加到基本物料中将引起含量的减少；而三价和四价的加入，将使增加。
因此，要获得低温度系数材料，从配方上考虑应该采用过铁配方。研究表明，当的含量控制在53.6mol%时，可以获得很好的温度稳定性，它的磁导率基本上可以在10~60℃之间保持基本不变[4]。

1.2掺杂对温度系数的改善
掺杂能明显改善MnZn铁氧体材料的温度特性。在基本配方中掺入CoO，可以生成正值很大的，从而控制Ⅱ峰位置。使材料在低温区>0，而高温区的<0，且随含量增加，补偿点向高温方向移动（图2）。由于的值很大，比的值大200倍，所以的掺杂量一般都不超过1mol%[3]。

采用和同时补偿的方法可以很宽的温度范围内获得低温度系数。从图1.1和图1.2可以发现：对补偿的材料，在补偿点以下，为负值，在补偿点以上，为正值；而补偿的材料则刚好相反。综合利用和对的补偿作用，若控制和的比例适当，值可能二多个补偿点，对应的~T曲线在较宽温度范围内较平坦，由此可获得宽温低材料。研究表明，当配方为：MnO：ZnO=53.8：32.4：13.8（mol%），CoO掺杂量为0.3mol%，MnZn铁氧体材料可以在-10~+70℃温度范围内获得很小的温度系数。
对~T关系的影响是二条件限制的。已有研究证实：一方面像Ca、Si一样存在于晶界，另一方面还将进入晶体内部。在晶体内部，呈梯度分布，必然导致在晶体内部的不均匀。同时引起的晶格尺寸的变化也将影响到值和~T曲线。所以，在一定温度范围内，因的进入及梯度分布将使各区域的~T曲线的两个极大值位置在晶体内部各处不同，叠加起来就导致了~T曲线平坦。但是若晶粒尺寸增大，将使梯度不明显，晶界也相对变薄，降低了这种不均匀分布，就会增强~T曲线两峰值的尖锐度，从而材料的温度特性劣化。
除、、能改善~T特性外，还可以用掺入或的方法来降低温度系数。
1.3工艺条件的调整
烧结温度和气氛是影响铁氧体性能的一个关键环节。严格控制烧结温度和气氛，使保持在一定范围，也是降低温度系数的有效方法之一。此外，铁氧体的微观结构与材料的温度稳定性也有密切的关系。一般情况下：晶粒均匀一致，气孔少而分散的材料，~T曲线较平坦，温度稳定性较好；而晶粒大小不均、有双重结构、巨晶内部有气孔的材料，即使其Ⅱ峰位置和高度不变，但由于畴壁移动的阻力较大，在~T曲线上出现相当大的凹谷，温度稳定性较差。
2 MnZn铁氧体磁导率频率稳定性分析
分析MnZn铁氧体磁导率频率稳定性，应先从磁谱讲起。磁谱是软磁材料在弱交变磁场中的复数磁导率μ′、μ″随频率增加而变化的曲线。在低频弱磁场时，μ′相应于稳恒磁场中所测定的起始磁导率，随着频率升高，磁导率下降，达到某一截止频率时，μ′急剧下降，而μ″急剧上升。通常定义μ′下降到1/2或μ″达到峰值时所对应的频率为截止频率。截止频率的高低主要取决于畴壁位移的驰豫与共振，以及磁畴转动所导致的自然共振。
材料的截止频率表明了磁性材料能够使用的频率范围。在f=这个频率时，材料就无法使用，做成器件更是不能用，因为f=所对应的是μ″最大值，此时损耗最大。表1列出了各种软磁材料使用的工作频率及其截止频率[5]。例如MnZn-2000材料的为2.5MHz，这就是表明当频率为2.5MHz时，测得的磁导率μ′只有1000左右了，而μ″将出现损耗最大。所以一般软磁铁氧体的工作使用频率应选择低于它的截止频率，即f<。

目前由于卫星通讯、彩色电视及铁氧体天线的发展，要求工作频率向高频和微波领域扩展。因此，尽量提高软磁铁氧体的截止频率将是一项重要任务。随着频率增加，软磁铁氧体材料有频散与吸收特性，这种频散和吸收包括涡流损耗、尺寸共振、磁力共振、磁畴共振及自然共振，因此提高软磁铁氧体材料的频率稳定性应从这些方向着手。
2.1涡流损耗与尺寸共振对频率特性的影响
涡流是磁性材料在交流磁场中普遍存在的一种现象。由于涡流产生的磁场大小从铁磁体表面向内部逐渐增加，因此铁磁体内的磁化及磁感应强度B从表面向体内逐渐减弱，此时存在一个趋肤深度。与铁磁体的电阻率ρ的平方根成正比，而与磁导率μ和频率f的平方根成反比。所以当使用频率较高时，趋肤效应的影响就特别严重。提高电阻率ρ将是较小趋肤效应的主要途径。
电磁波在铁磁体中的波长，当样品的最小尺寸为λ/2的整数倍时，便会产生尺寸共振。样品的最小尺寸及磁导率受到实际应用的限制，所以要提高铁磁体的使用频率，降低介电常数ε′才是可行的办法，也就是提高铁磁体的电阻率ρ。
过铁配方的MnZn铁氧体中，由于较多，虽然通过CaO和掺杂的方法可以增加晶粒边界层的电阻率，但材料总的电阻率都在10Ωm以下。因此采用缺铁配方才是最有效的提高铁磁体电阻率ρ的方法。研究表明，在空气中烧结得到的缺铁配方MnZn铁氧体电阻率较过铁配方的MnZn铁氧体高1000倍以上。日本学者近来研究的缺铁配方MnZnTi铁氧体具有很好的高频特性。
2.2磁畴共振及自然共振对频率特性的影响
动态磁化过程中畴壁具有有效质量，在移动时受到阻尼，移出能谷时具有弹性回复力。畴壁来回移动，相当于弹簧受迫振动过程。当交变场频率较低时，畴壁的振动可以与交变场同步，损耗不大，频散小。但当频率升高到某一数值时，畴壁就会产生共振，从外场中吸收大量能量，使μ′迅速下降，而μ″大大增加。对畴壁共振而言，其壁移磁导率与畴壁共振频率之间有如下关系：
（3）
其中，δ为畴壁厚度，D为磁畴宽度。上式表明，与畴壁和磁畴的参量在有关，而且与之间还有相互制约的关系。对应于最大损耗，是μ′变化剧烈的频率，也是材料使用频率的上限。
为了提高材料的截止频率，通常采用晶粒细化技术，使之不存在畴壁；或者设法钉扎畴壁，虽然畴壁存在，但畴壁位移很难发生，磁化以畴转磁化为主。在工艺上可以通过热压、降低烧结温度等方法实现，这样就可以避免畴壁共振引起的损耗并提高了材料的使用频率。
在无外加恒定直流磁场情况下，仅由铁磁体内部自然存在的等效各向异性作用而产生的共振，称为自然共振，它与畴壁共振一样也将导致磁导率的频散和损耗。根据Snock极限公式，对于立方晶系材料存在着下列规律：
fr(μi-1)= γMs （4）
公式表明起始磁导率与截止频率之间是相互制约的。因此，当磁性材料应用于高频时，就要相应地降低值。
3 结论
通过对软磁铁氧体材料磁导率稳定性分析，我们得出如下结论：
（1）对于有严格温度稳定性要求的软磁材料，通常采用过铁配方，且当的含量控制在53.6mol％时，可以获得很好的温度稳定性。
（2）掺杂能明显改善MnZn铁氧体材料的温度特性，适当控制和的比例，可以得到多个补偿点，在较宽温度范围内得到平坦的~T曲线。的掺入，亦能影响材料的温度稳定性。
（3）对于频率稳定性而言，材料的起始磁导率与截止频率是互相制约的，因此在磁导率没有特殊要求的情况下，可以通过适当降低磁导率来提高材料的应用频率。
（4）若对材料磁导率要求比较高时，可以用缺铁配方以及降低烧结温度的途径来提高软磁铁氧体材料的使用频率。

参考文献
[1]张有纲等，《磁性材料》，成都电讯工程学院出版社，1988
[2]都有为编著，《铁氧体》，江苏省金陵科技著作出版社，1996
[3]周志刚等，《铁氧体磁性材料》，科学出版社，1981
[4]林其壬编，《铁氧体工艺原理》，上海科学出版社，1987
[5]宛德福等，《磁性物理学》，电子科技大学出版社，1994
[6]小林 修等，TiO2添加Fe-poor组成を添加したPe-poor组成Mn-Znフエライトの周波数特性，日本应用磁气学会志，2000（24）715-718
[7]山田 修等，窒素中烧成したFe-poor组成MnZn-Tiフエライトの磁气特性，日本应用磁气学会志，2001（25）：947-950
[8]伊藤 清等，Fe-poor组成Mn-Zn-Tiフエライトの初透磁率の周波数依存性，日本应用磁气学会志，2002（26）：465-470

华中科技大学电子科学与技术系 黄爱萍 冯则坤 聂建华 何华辉
江门市粉末冶金厂有限公司软磁事业部 谭福清