1前言
随着电子设备仪器体积小型化的发展，对轻薄小型化、高性能化和高密度化的电子元器件的需求日益增长，高磁导率(μ)Mn-Zn铁氧体材料于是应运而生并不断取得新的进展，它在抗电子干扰(EMI)滤波器、电子线路宽带变压器以及综合业务数据网(ISDN)、局域网(LAN)、宽域网(WAN)等网络领域的脉冲变压器中得到了非常广泛的应用。
近十多年来，国内外一大批知名软磁企业如日本的TDK、FDK、TOKIN、荷兰的Philips、德国的EPCOS(原Siemens)、中国大陆的东磁、天通、金宁三环、中国台湾的越峰电子等公司，对高磁导率Mn-Zn铁氧体材料的研究从来就没有中断过，而且伴随不同领域的专业性和特殊性要求，他们对高μ材料的研究也已从原来单纯追求材料有高的起始磁导率(μi)和一定的居里温度，拓展到宽频、宽温和低损耗等综合性能方面，如EPCOS公司的T66材料[1]就是其中的典型代表，它集高磁导率、低损耗、宽频和宽温等综合特性于一身，其μi在100kHz时高达13000，比损耗系数tgδ/μ为1×10-6、工作温度为-40～+85℃。可以说，全面提高综合性能是当前和今后一段时期内高磁导率Mn-Zn铁氧体材料的主要发展方向，研发和生产综合性能优良的高μ材料不仅是市场的迫切需要，同时也是有效控制大生产工艺和成本的迫切需要。
2高μMn-Zn铁氧体材料的主要特点及分类
抗电磁干扰、通讯等领域用各种变压器通常要工作于高频率、低磁通密度状态，从生产成本和装配等角度考虑，用铁氧体作变压器材料无疑比用坡莫合金材料更具有优越性。在抗电磁干扰、通讯等领域用各种变压器中，铁氧体材料的磁导率特性起主要作用，当磁导率较高时，用较少的线圈匝数就可以达到需要的电感量，因而能有效地减小线圈的直流电阻及其引入的损耗，同时还能明显地减小器件体积，有利于器件的小型化和轻量化。一般认为，变压器的体积与材料的μ3/2成反比，当磁导率增加一倍时，器件的体积仅为原来的35%。此外，变压器工作频带的宽度与漏感系数成反比，而漏感系数又与铁氧体材料的磁导率成反比，这就是说高的磁导率材料可以工作在宽的频带内，所以，制备综合性能较好的高μ材料一直是国内外软磁材料企业科研工作者努力追求的目标。
日本和西方工业国家早在二十世纪70年代中后期就开始研究高μ材料的相关工艺技术，并不断取得可喜的进步。在实验室，μi值分别达20000、30000和40000以上的材料不断被攻克，有专家断言，在工艺上进一步采取有针对性措施，μi值还可以提高。但是，实际工业生产与实验室研究之间存在较大差距，如迄今为止，笔者尚未见有μi值在20000以上的铁氧体材料投入批量生产和应用的报道，也未见有综合性能比EPCOS公司T66材料更优秀的高μ材料报道。这有待于通过进一步提高原材料性能、改进生产工艺装备和完善工艺控制等措施来缩小这种差距。
按照专业化和特殊应用领域的不同，高磁导率Mn-Zn铁氧体材料可简单分成以下6大类：①我们过去所说的传统意义的高μ材料，主要用于脉冲变压器中，典型代表有TDK的H5C3（μi=15000±30%）、EPCOS的T56（μi=20000±30%）等；②EMI滤波器用高μ材料，要求具有良好的频率特性和阻抗特性，典型代表有TDK的HS52（μi=5500±25%）、HS72（μi=7500±25%）和HS10（μi=10000±25%）材料，可用于500kHz的高频率下工作；③xDSL调制解调变压器用低THD（总谐波失真）高μ材料，典型牌号有EPCOS的T38i（μi=10000±30%）、TDK的DN40（μi=4000±25%）、DN70（μi=7000±25%）材料，这类材料的比损耗系数约在2.5×10-6 以下，磁滞常数ηB约在0.8×10-6/mT(10kHz，B=1.5～3mT，25℃)以下；④LAN用宽温高直流叠加高μ材料，典型代表有TDK的DN45（μi=4500±25%）和DNW45 （μi=4200±25%），前者与传统的HP5材料（μi=5000±25%，TDK的材料牌号）相比，其直流叠加特性提高30%，使用温度范围在0～70℃之间，后者是DN45的改进型材料牌号，它与DN45相比，直流叠加特性进一步提高，温度使用范围也更宽（-40～85℃）；⑤低温高μ材料，主要用于ISDN中作脉冲变压器，用在室外环境温度在0℃以下的地区，典型代表有TDK的H5C4（μi=12000±30%）和2H15B（μi=10000±20%），前者在-20℃时，μi值仍在9000以上，而后者可在-30～85℃范围内保持较高的稳定性；⑥高Bs高μ材料，俗称“双高”材料，以TDK的DN50为典型代表，其μi=5200±20%，BS=550mT(25℃)、380mT(100℃)，Tc≥210℃。
3高μMn-Zn铁氧体材料的工艺研究
国内外绝大多数企业是采用通常的氧化物法生产高μ铁氧体材料，个别单位采用共沉法生产。由于高μ Mn-Zn铁氧体材料要求晶粒间没有气孔或气孔很少，晶粒尺寸均匀，在一定范围内材料磁导率与晶粒尺寸成正比，这就决定了高μ材料的工艺有自己的特点，试图通过氮气隧道保护窑实现与功率铁氧体材料的混烧来制备高μ材料（尤其是综合性能更好的高μ材料）或大生产高μ磁心，其结果肯定是不乐观的。影响高μ铁氧体材料综合性能的工艺因素主要有以下几方面：
3.1原材料
原材料的纯度、活性和低杂质要求对铁氧体材料的性能影响很大，用于高μ铁氧体的制备和生产尤其如此。特别对Fe2O3来说，一方面它在配方中占70%（wt）以上的份额，是最为关键的主结构原料，另一方面，我们通常用Fe2O3大多是Ruthner工艺的产物，其生产过程中不可避免会引入Al、Cr、Na、P、Si、S、Cl等的化合物或氧化物杂质。因此，Fe2O3的纯度和杂质种类是影响高μi材料的主要因素，尤其是其中的Si2+、Cl-、SO42-，对铁氧体的影响很大，主要表现为影响晶粒的非正常生长，造成晶格缺陷，从而影响铁氧体的微观结构和内禀特性[2]。通常认为制备综合性能优良的高μi铁氧体材料需要Fe2O3原材料的纯度在99.5%以上，且Si2+、Cl-、 SO42-等主要杂质的含量分别在50ppm、600ppm和300ppm以下，而这一点又是国内铁红普遍难以达到的。
3.2配方
配方是决定铁氧体性能的基础。日本TDK公司高μi材料的配方大致为：Fe2O3：51.5～52.5mol%、ZnO：21.5～23mol% 、余量为MnO。这一配方范围已取得了国内外许多磁性材料企业的一致认同。笔者建议可在以下更窄的范围内选择配方：Fe2O3： ZnO=52～52.5:21.5～22(mol%)。当然，最佳的配方组合可通过工艺试验，结合掺杂和烧结工艺优选确定。
3.3掺杂
掺杂是改善铁氧体材料性能的有效措施，对综合性能要求更高的高μ材料来说，掺杂显得尤为重要。如日本TDK公司在基本配方Fe2O3：MnO：ZnO=52:25:23(mol%)的高μ材料制备中掺入Bi2O3和CaO（质量分数均为0.02%），明显改善了材料的宽频特性，材料在20～100kHz范围内其μi值基本趋于平稳。日本富士公司在高μ材料的配方中掺入0.15%质量分数的MoO3，起助晶（在升温固相反应过程中以金属离子形式进入铁氧体晶粒，适当温度下形成结晶中心助长晶粒长大）和抑晶（在高温下又以杂质离子氧化物的形式存在而抑制晶粒生长）作用，得到了密度高、气孔少、晶粒大而尺寸均匀的高μ材料，其μi在12000左右，材料的宽频特性也得到明显改善。国内也有东磁、天通等公司采用MoO3掺杂制备高μ材料取得较好效果的研究成果报道。
日本东北金属公司在制备高μ材料时，以SO3为掺杂物，使基本配方Fe2O3:MnO:ZnO=52:25:23(mol%)以及副成份SiO2和CaO（质量分数0.005%和0.01%）组成的高μ材料，磁导率有明显提高，当SO3为含量为0.15%(质量分数)时，μi达11200，而比损耗系数tgδ/μ也得到显著改善。表1为SO3含量与高μ材料磁性能的关系[3]。
3.4备料
即制备颗粒料的过程。在备料过程中，应重点保证称量准确、混料均匀和造粒尺寸的一致性。预烧温度以1020～1100℃（比功率铁氧体预烧温度要高）为宜[4]。二次球（砂）磨的工艺选择十分重要，最终应达到粒料细小、均匀之目的；经喷雾干燥等方法造粒后的颗粒料要求含水量在0.2～0.4%、粒度在100～350μm为宜，而且最好呈正态分布（150～300μm占80%以上），同时要求松装密度在1.3g/cm3左右（比功率铁氧体的略小），这对改善颗粒料的成型性、生坯的强度和密度均匀性均十分有利。
3.5成型
成型是把颗粒料压制成磁心毛坯的工序。对高μ磁心来说，得到低的气孔率毛坯是获得高性能的先决条件之一，所以国内外很多企业都将这道工序明确为关键工序严加控制。在成型过程中，成型的压力直接关系到坯件质量的好坏。一般来说，适当增加成型压力，可有效地减少毛坯的气孔率，但过大的成型压力对提高磁心密度的效果不明显，有时反而使毛坯内部应力增大，同时导致坯件内部微裂纹等质量缺陷出现，使产品密度不升反降，磁性能恶化。成型压力的调节需要结合颗粒料的特性（如流动性、粒度分布）以及压制不同的坯件来进行，另外，通过造粒工艺的粒度选择和硬脂酸锌适量的加入，也可以影响成型压力，达到改善坯件密度之目的。表2所列是国外专家通过实验得到的成型压力与磁心毛坯气孔率之间的关系[5]。
3.6烧结
烧结过程对铁氧体的性能具有决定意义，影响到固相反应的程度及最后的相组成、密度、晶粒大小等。尤其对高μi材料来说，由于烧结温度相对更高，主配方中ZnO的含量也比功率铁氧体高得多，因此，烧结过程中如果工艺不当，更容易产生Zn的挥发和Mn、Fe离子的变价，从而导致另相（因Mn、Fe离子变价所致）和应力的产生（因材料表面与内部Zn含量的不同所致），使材料的磁导率等特性急剧恶化。
为确保铁氧体晶粒细化均匀和不同烧结部位铁氧体电磁特性的一致性，避免Zn挥发和防止Mn、Fe离子的变价，烧结时必须严格控制烧结温度、氧分压和烧结时间。笔者同时坚持采用钟罩炉替代氮气隧道保护窑烧结的必要性。
在高μ磁心的制造过程中，提高磁心烧结的一致性是各生产企业努力的目标。要解决不同烧结位置坯件、上下坯件之间的性能差异问题，可以从以下三方面入手进行研究，一是拓宽思路，寻求适合高μ磁心的烧结介质以防止Zn挥发；二是进一步改善现有烧结工艺技术，以降低磁心内部应力为目的；三是降低烧结温度，以降低磁心性能的离散性。
4结语
在制备综合性能优良的高μ材料过程中，各物料间要发生许多的物理、化学反应，而且这些反应与原材料的特性、配比、铁氧体的制造工艺条件及相关环境都有着密切关联。为了保证材料性能的优良性、一致性进而实现大规模的“无批次生产”，必须继续深入研究和开展技术攻关、进一步改善原材料和工艺的稳定性差、积极探索采用更加先进的工艺技术和装备，方能取得事半功倍的效果。

参考文献
[1]EPCOS公司产品目录，http://www.epcos.com/.2004
[2]黄刚，宽频低THD高μi铁氧体材料的制备，国际电子变压器，2005.10
[3]JP平1—112707(1989)，东北金属
[4]胡春平，宽温高频高μi Mn-Zn铁氧体的研究，第三届永磁及软磁铁氧体技术交流会论文集[C]，2004；
[5]Alam M.I. Digests of ICF—6，1992