宽温软磁材料的现状与开发 Current status and development of wide temperature soft magnetic materials 近年来，横店集团东磁股份有限公司科学技术部门的学术研究非常活跃。除紧跟国际磁性材料发展的步伐，适时推出了多种高新材料外，还发表了不少有影响的学术论文。这对活跃学术空气、实现资源共享，达到优势互补，促进整体素质提高绝对是大有好处的，我们注意到国内期刊上少数有关磁性材料发展方向的文章，虽然题目响亮，但却存在疏漏，甚至有些偏颇，因为随着应用领域的拓展和材料开发的深化，原来分别用于低磁通密度(弱电)和高磁通密度(强电)的高μQ材料和高Bs材料已经相互交叠、融合，出现了包括高μ材料在内综合所有特性的新型材料，既适用于IT电子又适用于电力电子。其特点为两高、两低、两宽。即：高Bs、高直流叠加；低损耗、低谐波失真；宽频、宽温。这种集天下之大成的求新、求全理念，已逐渐主导着软磁材料的开发方向，受到了广大用户欢迎。本文将对论及软磁材料发展趋势文章的一些忽略之处，即开发商和用户越来越重视且急需的宽温材料的优异特性作一粗浅介绍，以供同行参考。 1引言 在电子信息材料领域，磁性材料作为一种发展十分迅速的基础功能材料，已被广泛应用于IT产业、汽车工业、航空航天设备、交通运输部门、舰船和国防武器装备系统等几乎遍及国计民生的所有部门。因此，对其磁电特性随温度的变化必须全面认识、有效控制并加以合理应用，才能保证上述设备系统的稳定、可靠、高效，确保万无一失。 通常，谈起磁性材料的温度特性，业内人士首先想到的必是居里温度。在这个温度以上，任何优秀磁材都会神奇的消除磁性而变为顺磁物质。这是磁性材料的物理属性，因此，要保证高温使用性能，首先就必须设法提高居里温度。另一方面，人们在超低温物理实验中，发现一些没有磁性的物质包括一些非金属材料，在接近绝对零度时，又强烈地表现出磁性。须知，在这种极限条件下，一般金属材料的强度已大大丧失，以致变脆变软，唯有这种特殊的磁性材料倒还能一枝独秀的展现风采。 在居里点与超低温之间更宽的温度范围，使用于不同领域的磁性材料，以其优良的性能发挥着不可替代的作用。为了达到有效控制温度特性的目的，人们往往通过改变材料配方与掺杂、精细调整工艺过程，以得到预期的结晶各向异性常数k1和磁致伸缩系数λs，从而改善与此密切相关的电磁参数及其各项稳定性指标。这话说起来很轻松，但如何真正达到研究透彻、有效控制，都需要倾注一代又一代磁性材料从业者的毕生精力，他们卓有成效的贡献，才铸就了今天这个行业的辉煌。 2铁氧体软磁材料 一般来说，现有软磁材料的工作温度比永磁材料要高得多，能够满足较高温度环境的应用。但是现代通信设备的户外设施，如中继器、增音机、微波接力站、海底电缆、光缆水下设备等，不仅要求耐高温，还要承受严寒，如美国通信电感变压器厂家Pulse给我们的订单就提出了严格的宽温要求，即在干旱炎热的内华达沙漠试验场和北极圈内阿拉斯加冰原，通信设备都应可靠稳定工作。我们最近开发并迅速投产供应外商的几种宽温高直流叠加性能小磁环就是要求在－40℃~+70℃的宽温范围，在高频100kHz，高交变场100mV到200mV幅度下，工作于较高直流偏置场中（26匝线圈，8mA直流），电感量满足相应要求，其性能曲线如图一所示。东磁牌号为DMR4KDC的这种材料适应高速局域网（HLAN）脉冲变压器的需要，在高频范围具有低的插入损耗，在低频范围又有高的电感，在宽频段漏感很小，－40℃~+70℃宽温范围直流叠加性能优于以前所有的材料。 今年6月6日中国电子报报导了日本TDK公司3月公布的DN45材料，性能与我们开发的这种宽温高直流偏置材料完全相同。因而更增强了我们在强手如林的国际磁性材料技术领域占据一席之地的信心与决心。 过去的模拟通信时代，最时新最畅销的就是高稳定、低损耗、高μQ材料，作为LC滤波器的电感磁心，他要求在宽温范围具有正而且小的磁导率温度系数，以补偿具有负温度系数的聚苯乙烯电容器。从而使整个LC滤波器的频率漂移极小，使通信稳定可靠。当时日本东北金属公司（TOKIN）用共同沉淀法发明了优质铁氧体2001F，令世界同行刮目相看。在电源铁氧体畅销的今天，世界各大公司都竞相开发了各种宽温、低功耗、高Bs材料，如日本TDK公司继PC40材料后陆续推出了PC44~PC47直至最新的PC95材料，其功耗随温度的变化曲线如图二。 综合上述特性，德国EPCOS和荷兰Philips公司先后推出了N45和3B46材料，他们把低损耗高μQ材料和高Bs低功耗材料以及高μ材料三种性能附于一体，应用于低磁通密度（通信电子）和高磁通密度（电力电子）两大版块。即在通信领域，低磁通密度下，制作低损耗、高保真滤波器件，同时还具备优良的直流偏置特性，在ADSL技术（非对称数字用户线）中，用于ISDN（综合业务数字网）分频器和低通滤波器；在电力电子领域高磁通密度下，用于汽车电器的高温抗干扰元件以及制冷、纺织、印刷设备功率传动和频率转换控制电路的高Bs器件。 这种材料磁导率为3800，μQ乘积在100kHz为62.5万；常温25℃时Bs为545mT，高温100℃时Bs为435mT，比磁滞损耗系数ηB小于0.12×10-6（以保证低谐波失真）其温度特性曲线如图三。目前我公司正在加速开发这种技术难度很大但市场前景极佳的双重特性材料。 综上所述，改善开关电源材料高频低功耗高μ高Bs的全面性能，是当前世界各大公司竞相研发的重点，但以往应用时，设计人员偏向使磁心在高磁通密度下工作，试图降低铜线绕组功耗，这种思维对100kHz以下，使用Bs较高的磁粉心是合理的，但实际上Mn-Zn铁氧体磁心在高磁通密度下功耗会急剧增大，绕组功耗的降低远不能抵偿磁心功耗的增加。因此，新的设计理念是以低的交流励磁电平而不再以高的励磁电平激励元件，这种方案就比用低功耗材料以高磁通密度工作来减小绕组损耗和缩小元件尺寸优越。即让磁心工作在"可用磁通密度"，而不是硬饱和状态，避免励磁使磁通密度处于磁滞回线非线性区域时导致磁导率陡直下降，磁心绕组恶性发热以致烧毁。我们在开发DMR4KDC宽温高直流叠加材料时，就没有按常理去过份追求提高饱和磁通密度，而是降低Br，特别是高温Br，因而取得了突破。但是，不遗余力地提高低功耗Mn-Zn材料的高温Bs仍是当今铁氧体厂家的首选目标，世界各大公司改进的这类材料主要性能列于表一，供参考。 面对强手如林的国际市场，为满足外商订单要求，2001年东磁公司开发了一种广谱宽频低功耗DMR1.2K材料，其频率一直扩展到5MHz以上，同时为提高振幅磁导率和追求更高的高温Bs，又开发了DMR1.2KB材料，后者高温Bs值最高可达470mT(1194A/m，100℃)。其性能列于表二、表三，这是讫今为止，Mn-Zn功率铁氧体材料达到的最高频率界限。去年，国内同行类似的新产品的鉴定和近期国外大公司的高频低功耗材料产品介绍，都只是1MHz和3MHz，远未到5MHz以上。 宽温、宽频、低损耗，低谐波失真是高磁导率铁氧体材料的开发方向，从频率特性来讲，我国主要厂家高μMn-Zn铁氧体R10K材料已赶上和超过国外大公司五年前水平。但综合性能还有待提高。2001年东磁公司开发的R20K材料，其比损耗低、居里点高，到现在也还是国内首屈一指的成果，见表四。最近我们提供给用户的DMR10k材料，频率特性优良，μi200kHz≥μi10kHz；比磁滞损耗低，ηB小于0.05×10-6，也就是总谐波失真（THD）大大优于普通R10K材料。但是现在用户的要求越来越高，如宽温特性要求低温－40℃，μi大于5000，宽频特性要求500kHzμi也得大于5000。这是目前改进高μ材料特性的重点方向。 我们认真查阅了国外各大公司近年来在高μ材料领域，拓宽频率范围、提高低温性能方面的有关资料，尽管在高频特性方面进展缓慢，但材料宽温特性及改善方法很值得借鉴，特提供如下供参考。见图四。 3软磁合金 在高频高温高直流叠加苛刻条件下使用铁粉心（磁粉心）材料有利于器件小型化，因为金属粉心饱和磁通密度Bs大大高于铁氧体材料，因而直流叠加特性优良。目前市售的压粉磁心主要有金属铁粉心、铁镍钼磁粉心、铁镍磁粉心和铁硅铝磁粉心等。压粉磁心在很宽的频率范围具有恒定的磁导率和极高的饱和磁通密度，所以在电力电子技术中有着广阔的应用前景。在长距离直流输电系统，利用晶闸管实现交流－直流－交流间的变换，而阳极电抗器又是晶闸管变流装置的重要构件，作为阳极电抗器的磁心，要求高频、恒导、低损耗、高Bs、低噪音，压粉磁心即可担此重任，很容易制成100公斤以上磁心，在直至150℃高温仍可长时间稳定工作。除类似于长江三峡长距离输变电系统大量使用外，压粉磁心在电机、大电流滤波器、抗电磁干扰系统都有广泛的应用空间。表五列出了通用软磁材料的性能比较。 金属软磁材料FeSiAl.Fe基非晶合金和卷带Ni钢等，在-40℃~+150工作温度范围，其磁心损耗和饱和特性可保持不变，当然，改善高温特性必须寻找适合在高温下持久工作的绝缘材料，用这种聚合物均匀包覆粉碎成要求粒度形状的磁粉粒子，经压制、热处理、涂覆后使用，可大大降低因涡流引起的功耗，因此特别适用于高频和高电平场合，以Nanocom材料为例，它是由10μm的铁硅铝合金粒子（成份接近Fe84Si10Al6wt%）和Al2O3绝缘层组成，到10MHz有相对磁导率168，填充因子达99%。 由日立金属实验室YoShiZaWa等发明的纳米晶Finemet 材料，电阻率和碾磨稳定性优于Nanocom，这种脆性合金，很容易碾磨成20μm以下的粉体，纳米晶化可使非晶相相当稳定，因此，纳米结构无明显变化。用树脂和焊接玻璃使片状粒子加压成型，磁性能与气隙分布通过粒子尺寸和成型压力加以控制。加5%焊接玻璃热压大粒子（1mm）后，可获得最高磁导率（6000），但截止频率很低（10kHz）。反之，加50%树脂冷压20μm片状粒子后得到最低的磁导率（7-10），而截止频率高达100MHz，其性能可与Ni-Zn铁氧体比美，在高磁感应和极化强度下，它又可以与Mn-Zn铁氧体开气隙磁心竞争，其损耗又比包括坡莫合金和羰基铁磁粉心在内的这些材料低得多。 近年来，非晶和纳米晶材料的研究开发十分活跃，典型的纳米晶合金除上述Finemet外，还有NANOPERM（Fe88Zr7B4Cu1），其纳米晶组织对优越的软磁性能起着重要作用，都可适用于高温环境，新近开发的纳米晶软磁合金HITPERM（Fe44Co44Zr7B4Cu1）大大改善了高温磁性能，这是因为人们发现在Fe基非晶合金中Nb可以提高材料稳定性并降低晶粒长大速率，因而获得了更好的软磁性能。它是由美国卡内基大学和海军研究所（NRL）联合研制成功，1999年公诸于世的。这种纳米晶材料以及高MsFe-Co合金和热稳定性好且有较高Bs的结晶材料是目前探索高温软磁材料的方向，新材料要求（1）500℃时Bs≥2T；(2)600℃时保持热稳定5000小时；（3）5kHz，500℃，2T场中Pc≤480W/kg，这是第二代航天飞机集成电源工作系统的要求，因而，新型的高温软磁材料系列的开发，是实现高档应用的关键，也是实现民富国强的途径。 4结语 高性能软磁材料日新月异的进步为从业者提供了广阔的发展空间，特别是高温软磁材料已成为开发各种新式武器装备成功的关键，如高能量集成电源、航空航天器主推发动机和非接触磁力轴承、替代传统军火的高能武器系统，都急需高温下具有优异磁性与机械性能的新型软磁材料；此外，国家优先发展的高技术产业化重点领域，如新一代高速宽带信息网的网络产品，光电传输系统和数字移动通信产品、数字音频、视频和计算机产品、新型片式元器件及直流输电技术与电力自动化设备等都急需高性能软磁铁氧体材料和合金压粉磁心。无限的市场空间激励着我们，高新技术的要求鞭策着我们，东磁公司将一如既往、不遗余力的开拓进取，与国内外同行共享磁性科技发展进步带来的繁荣、辉煌。 参考文献略