1前言
MnZn高温高Bs材料是一种新兴的高性能软磁铁氧体材料，主要应用在汽车电子、集成电源模块的输出滤波器以及其它高温大电流的场合中。能在普通功率铁氧体难以胜任的苛刻条件下正常使用，材料必须有其优异的电磁特性。其一，必须有很高的居里温度，以保证其能在高温条件下，仍然保持材料的亚铁磁性。普通功率铁氧体的居里温度一般在200~230℃之间，而MnZn高温高Bs材料的居里温度一般要求大于280℃。如德国EPCOS的N92、荷兰PHILIPS的3C92，其居里温度都在280℃以上。其二，必须有极好的抗饱和抗直流叠加能力，尤其是高温情况下，以保证磁件仍然拥有必需的电感量。高温磁性器件的正常工作后，一般会很快升至100℃以上，普通功率铁氧体在高温时，其饱和Bs会下降到一个较低的数值，此时磁心很容易被大电流或直流叠加偏磁场所饱和而导致磁件电感量大幅下降。德国EPCOS的N92、在100℃时，10kHz，1200A/m测试条件下，其Bs典型值都在440mT。日本FDK的4H45、4H47则分别达到了450、470mT，另外最新消息其最新推出的4H50更是高达500mT，应为目前全球最高。其三，材料的功率损耗不宜过高，功耗谷点应在100℃或以上。磁心本身的功耗高，会使磁件本身发热增加，能量传输效率降低。另外磁心功耗谷点偏向低温，一旦工作温度高于功耗谷点，会导致温度越高，磁心的功耗越大，而功耗越大，又导致磁件温度更高的恶性循环。德国EPCOS的N92在100℃，100kHz、200mT测试条件下典型值为410kW/m3，荷兰PHILIPS的3C92在同样条件下典型值为350kW/m3，日本FDK的4H45、4H47则分别为450、650 kW/m3。
2材料研制与讨论
2.1实验过程
本实验采用氧化物法。将Fe2O3 、Mn3O4、 ZnO三种原材料按一定的配比配制PG182A材料，用球磨机混合均匀，900℃预烧后在二次配料中加入所需改性的杂质小料，在球磨机中进行二次球磨粉碎，干燥后加入PVA胶水造粒，用TPA压机成型T25*15*7.5规格磁环生坯，在钟罩式气氛烧结炉中采用合适的温度气氛曲线烧结，最后用SY-8232 B-H分析仪、HP4284电桥测试Bs、μi等电磁性能参数。其中，一次球磨粒度取1.2±0.3μm，二次球磨粒度取1.6±0.3μm，造粒加10%的PVA胶水(胶水浓度为8%)。
2.2配方的研发
对高温高Bs材料，首先应该保证其具有高的居里温度。MnZn软磁铁氧体的居里温度主要由配方的Fe2O3及ZnO的摩尔含量比决定，经验公式为θf=a(X-2Z/3)-b。式中的X和Z分别表示Fe2O3和ZnO的摩尔百分比，a=12.8℃/%，b=354℃[1]。根据经验公式可大致上确定Fe2O3和ZnO之间的摩尔比。另外，要注意材料的功耗谷点要在100℃附近，这在一定程度上决定于Fe2O3与MnO之间的摩尔比，由于MnO化学性质不稳定，故在现实生产中，一般用Mn3O4作为原材料。经过正交实验的验证，确定基方范围为Fe2O3:MnO:ZnO=50~55: 38~47:3~7mol%。
为了得到理想的电磁性能，必须往其中加入改性小料。笔者根据各种小料的熔点、离子半径等参数，从CaCO3、TiO2、MoO3、Co2O3、SiO2、ZrO2、V2O5、Bi2O3、CuO、Nb2O5、SnO2等小料中，优选出了一种小料组合，对提高材料的电磁性能发挥了画龙点睛的功效。其一，加入CaCO3与原材料中的杂质如SiO2化合形成高电阻的晶界，减少材料的高频涡流损耗，增大材料的体电阻率。值得注意的是加入的SiO2与原材料中含有的SiO2是两个完全的不同的事件，笔者曾验证过，往高纯的原材料中加入300ppm SiO2的，在气氛保护烧结成磁心后，并不产生边续生长的“大晶粒”，而采用含杂质280ppm SiO2的铁红制成的样环在同等条件下，烧结而成的磁心却出现了大量的异常长大的“大晶粒”，电磁性能严重恶化。我司的一位高工曾用一个形象的比喻描述了这个问题：作为小料加入的SiO2好比放在院子外的老虎，可以为人看家护院，而原材料中SiO2的则是闯入家中的老虎，会危害主人。其二，加入助熔剂以降低烧结温度，提高磁心烧结密度。因为低熔点的助熔剂在高温时为液态，不但提高了传热效率，也为固相反应的离子迁移提供了通道，有利于尖晶石相的生成。其三，为了获得细小而均匀的微观晶相结构，还必须加入抑制晶粒过度生长的改性剂，这种改性剂的金属离子一般半径较大，不能进入晶格而富集在晶界，形成高阻晶界层，这样可大大增加磁心的体电阻而降低高频涡流损耗。
2.3保护气氛烧结与控制
烧结工艺对保证软磁铁氧体的优良电磁性能至关重要，尤其是降温气氛曲线。不同配方的材料适用不同的烧结曲线，例如高磁导率材料要求晶粒尺寸大，而低功耗材料要求晶粒细小而均匀，在笔者的实践中，将μ10K的材料制成环状样品用低功耗的烧结曲线进行烧结，μ值只能达到5.5K；而将100℃谷点损耗为300kW/m3(100kHz，200mT)低功耗的环形磁心用高磁导率铁氧体的曲线烧结，经测试，功耗升至了650以上，几乎为原来的两倍。对低功耗材料，磁心的微观结构对电磁性能影响尤为重要。笔者从两个方面进行了研究，一是晶体中气孔的数量及分布，另一个是晶粒大小对总体功耗的影响。
磁心在烧结过程中，不但在坯体内要进行物质的传递，还要与周围气氛进行相互作用，如坯体内的有机添加剂等的向周围气氛挥发排出，另一个便是与周围气氛的氧交换。温度烧结曲线设置不当，大量气体将不能及时排出坯体，而在磁心内形成大量的气孔，图1中放大照片显示，磁心内气孔不但密集，而且直径也大，这大大恶化了材料的电磁性能。
一般来说，磁心晶粒粒径大，对提高磁导率是有益的，但这将大大增加磁心的高频涡流损耗。图2所示，在设置烧结曲线时，注意了对晶体中气孔的控制，气孔不但少，而且个头小，磁心整体密度也高，但是对晶粒大小的控制却不理想，平均粒径在20μm左右，导致了材料的高频损耗高，高温Bs降低的不良后果。故笔者认为，对高温高Bs材料而言，烧结温度不宜过高，最多不超过1350℃；保温时间不宜过长，最多不超过5.5小时。同时，烧结曲线的设计除了要兼顾磁心的功率损耗降低外，还要从提高磁心烧结密度去考虑，这将有利于提高材料的高温Bs。
经摸索，按图3所示曲线进行烧结，得到了理想的微观结构，晶粒粒径在10~12μm，大小均匀、排列整齐，气孔少且小，大都位于晶界处， 如图4所示，经测试，电磁性能相当理想。
2.4 样环的电磁性能测试
将最终制得的样环测试，主要电磁性能参数如表1：
从表中数据看出，我公司PG182A样品性能完全达到了PHILIPS 3C92、EPCOS N92的材料水平。
3 结论
高温高Bs材料是一种新兴的市场应用前景广阔的MnZn高性能材料，笔者认为其制造关键是以下几个方面：①良好的基方与小料组合相搭配；②合适的烧结气氛曲线；③严格的工艺控制与管理。

参考文献
[1] 黄永杰主编.磁性材料.电子工业出版社 P23-24