宽温宽频高居里点绿色照明铁氧体材料
2010-04-30 11:40:14
来源：《磁性元件与电源》2010年5月刊
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1 高性能软磁铁氧体材料的发展
近年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。在IT产业、电力电子，特别是网络通信等用户的苛求下，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，一种求新、求全的理念，已逐渐主导着铁氧体软磁材料的研发方向。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密度Bs，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数tgδ/μi（包括高磁通密度下的功耗Pc）和总谐波失真系数(THD)以及更宽的使用频率和更广的使用温度范围。即所谓两宽（宽频、宽温）、两高（高Bs、高DC-Bias性能）、两低（低的比损耗系数tgδ/μi或Pc、低谐波失真THD）兼具的特点。因此，锰锌铁氧体材料的研究已经进军到了低温、高温和更宽与更高频段领域。对此，作者曾于2002年发表相关文章<1>，2005年到2007年日本TDK公司和FDK公司<2>还分别公布了系统的开发思路（如下图）。
深入分析各公司材料性能指标及各种特征曲线后，可以看出，当使用频率：
f<250kHz时 类同于日本TDK公司的 PC40、PC44材料功耗明显低于PC50，特别是当B<100mT，f<100kHz时，PC40占有价格和性能优势，没必要选用PC50；
250kHz<f<300kHz时，PC44功耗最低，PC50其次，PC40功耗最大，这是PC44独占的市场范围；
300kHz<f<1MHz时，PC50功耗最低；
1MHz<f<10MHz时，选用类同于菲利浦公司的3F4、3F45型材料；
f>10MHz时，目前只有Ni-Zn铁氧体材料才能当此重任，故选用4F1。
基于以上思维，各材料制造厂家早就在积极寻求一种宽温宽频高居里点低剩磁材料，以期取代名目众多的高频低功耗铁氧体材料，且喜俱各有所获<3><4>。
绿色环保电磁感应无极灯的广泛应用与性能提高，促进了这种材料的开发与量产。
2 无极灯特点及所用磁心性能
爱迪生发明的电灯给人类带来了光明，荧光灯、汞灯、碘钨灯、卤素灯、霓虹灯、氙灯、镝灯、钠灯、金属卤化物灯等各项灯具的发明，又将人类带进了一个光和电的文明时代。这些发明将普通电灯的每W10~12Lm的发光指数，提高到了高压钠灯、金属卤灯的每W70~100Lm的发光指数。其寿命也从爱迪生发明的1000~1500小时的普通钨丝灯泡，跃迁到了8000~2万小时的金属卤化物灯具。
这些创造发明给人类的夜生活带来了无穷的乐趣与方便。在美化社会文明进步的同时，也塑造出了新时代的光电文化。
随着科学技术的进步，从事照明研究的科技工作者发现，自爱迪生发明电灯至40年代的荧光灯，到50年代的汞灯，及至后来发明的碘钨灯、霓虹灯、钠灯、金属卤化物灯等，都是以灯丝、电极通电发射电子来激活发光物质，其寿命、光衰、亮度都受到电极、灯丝制约，无法达到一个更高、更理想的境界。于是他们在70年代末80年代初发明创造了不用灯丝、电极的“电磁感应灯”即“无极灯”。无极灯的发明给人类照明工程推出了一个新的理念，使灯具的寿命达到了一个新的高度。如果不计电子电路及元器件与磁性材料的影响，其寿命可以达到10万小时以上，实现了电光源寿命革命性的技术飞跃。
“电磁感应灯”——无极灯，使用的是电磁振荡激活发光原理。无极灯由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成，其工作原理是：将高频电磁场能量以感应方式耦合到灯泡内，使灯泡内的气体被击穿形成等离子体，等离子体受激原子返回基态时，辐射出254nm紫外线，使灯泡壁上的荧光粉受激而发出可见光。由于采用高频电磁感应耦合方式工作，取消了传统的灯丝和电极，故寿命长达10万小时以上，是白炽灯的100倍，节能灯的12倍，高压钠灯的4倍；发光效率高，且比白炽灯节能70%以上，比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上，具有极低的运行成本和维护成本；绿色环保，采用固态汞剂和无铅玻璃，使用的材料98%以上都可以循环利用，特别符合世界环保要求；电磁兼容和电磁干扰符合GB17743-1999标准；无频闪、光衰小 ，光线稳定，利于消除人眼疲劳，有益视力健康，是真正的“绿色照明”；采用汞合金技术，无灯丝预热， 在-50℃—+280℃范围内，正常启动工作和再启动时间均小于0.5秒，完全消除了灯丝启动的弊端，即开即亮，适合各种环境和场所照明，开关达3万次以上，安全无故障；适应温度范围宽，功率因数高达95%以上，节能降耗效果显著。
由于突破了传统的白炽灯、气体放电灯的发光机理，无极灯已成为国际公认的第四代节能环保新光源。高光效、长寿命、高显色、光线稳定等特点，更使其迅速风靡世界。因而其电磁能量转换的核心部件高性能磁心也随之热销市场。
高频无极灯用磁心大都使用镍锌铁氧体材料，因为设计在发光体中间位置的所谓内置式电磁发生器，距被激活的荧光粉有相当大的距离，所以必需产生足够大的电磁能量，才能使之激活发光。这就是使用频率高达2.65MHz的主要原因。但2.65MHz高频振荡产生的电磁幅射、射频干扰问题需要进行技术处理。为了屏蔽掉对人体和其它设备有害的电磁污染，对电磁发生装置的灯腔体，采用了真空涂敷氧化锡、铝薄膜的技术处理工艺，这样既阻碍了灯的透光效率，过高的灯体温度又影响了这种无极灯的光衰和使用寿命，还极大地增加了制造成本，造成了 “菲利浦”“欧斯朗”“松下”等国内外照明公司的这项发明专利实施发展的主要掣肘瓶颈!
而低频无极灯工作在中低频率状态下，制造成本较低，通常使用锰锌铁氧体磁心，其外置式结构利于实现向大功率、超大功率(200W-1000W)灯具发展，所以适用于高大宽广照明区域。它的电磁感应磁环线圈紧紧贴包在发光体玻壳的外端，与要激活的发光物质非常贴近，这样就不需要很大的能量，也就是不需要太高的工作振荡频率，一般200kHz~300kHz都可以十分轻松的产生足以激活发光体内荧光粉的电磁感应能力，效率很高。相对于200kHz左右的振荡频率，在EMC、EMI技术处理手段上就很容易达标，制造工艺相对难度也小了很多。仁者见仁，智者见智，内置和外置这两种结构各有所长，目前并存于无极灯行业各显神通，如何生产二者皆可兼用的高性能磁心，则成了磁材厂家的困难课题。
这两种工作状态对软磁铁氧体材料性能的要求都特别苛刻，既要极低温度[-40℃以下]具有足够的磁导率，启动高频振荡，又要相当高的居里温度[+280℃以上]以维持不停振，还要在如此宽温范围保持较高磁通密度和较低功耗，这是非常大的一个矛盾。镍锌材料有高频、高居里点特征，但超低温磁导率低，使线圈感量不足难以启动，且材料功耗较大，灯具发热过高；锰锌材料虽有高磁密低功耗优势，但居里点和频率却难上去，高温易停振，灯具体积较大。新材料必须像TDK公司Pc95那样具备低频宽温低功耗高Bs特征，又必须像FERROXCUBE公司3F4那样具有高频低功耗高Bs性能，还得超出二者特性，具有+280℃以上高居里点。
立项开发这种材料的思路必须标新立异，它既能兼顾200kHz左右低频、又能在500kHz直至3MHz频率上综合PC50及3F4的性能，因而能替代μi 1500左右的各种高频低功耗材料。同时借助已成功制作PC44材料的工艺技术，还可扩展μi到2000以上，兼顾低频端功耗要求，部份替代PC40、PC44等材料。以创新的理念开发出来的这种新材料系列，不仅能满足无极灯市场需求，还必将为高频功率铁氧体各类磁芯在通信和强电领域的新应用，开拓出一片广阔的天地。南京精研公司新材料典型性能要求见表1，世界各大公司类同材料水平见表2。
3 关键技术分析
如前所述，新材料的特点是既要拓宽适用频率，又要降低在相应频率下的功率损耗。一般铁氧体材料随着使用频率的提高，由于涡流和自然谐振的影响，功耗越来越大。必须寻找一种或几种添加物，掺入铁氧体晶界，增加其高频阻抗，同时钉扎畴壁，以减少其共振能量衰耗<5>。为达到此目的，还必须精细调整烧结冷却气氛，严格控制固相反应过程。
众所周知，软磁铁氧体损耗与频率一般呈线性关系，在低于200kHz时，磁滞部分(Phv)大于涡流部分(Pev)，而高于200kHz时，则相反。Zenger<6>指出200kHz是一转变点，在此频率下，Phv=Pev，当 f > 200kHz，涡流损耗上升为主要影响，故必须设法提高电阻率。剩余损耗一般为不依赖于频率的常数，但在高频场中则与频率呈复杂的函数关系，即使是高电阻率材料也占主导地位。其机理为畴壁共振而产生，如果细化晶粒，减少畴壁而使之共振困难，则可有效降低剩余损耗；当然频率越高，与其平方成正比的涡流损耗也越大，这就必须设法增加晶界电阻以遏制涡流。通常加入SiO2、CaCO3、Ta2O5、SnO2和TiO2会有很好的效果。钙离子在Mn-Zn铁氧体晶界处偏析，与硅形成硅酸钙阻挡层，能提高晶界电阻率显著降低涡流损耗。添加TiO2，也可在晶界形成钙钛型高阻层，为了保持电中性，Ti4+离子增加，Fe3+离子会减小，而Fe2+的含量增加。高价钛离子由于钉在Fe2+位置处，可以成为一个静电阱，提高颗粒的反应活性。控制Fe2+含量还能调节二峰(SMP)温度，加上Co2+离子介入，铁氧体的宽温特性就可获得。
但深入的研究发现<7><8>，Pcv-T曲线上谷点的最低功耗与主配方Fe2O3含量密切相关。特别是当使用频率在1MHz以上时，欲降低磁芯功耗Pcv，改善性能因子Bmf，则一般采用降低初始磁导率μi的办法，以获得更好的高频性能和更高的磁密Bs及居里点Tc，这时主配方中ZnO含量已降至6mol%以下直至3mol%左右，而Fe2O3含量则增至56mol%以上。随着Fe2O3含量的增加，矫顽力Hc减小，与磁滞回线面积成正比的磁滞损耗也随之减小；而且Fe2O3含量增加，功耗谷点温度降低，但此温度下的电阻率增大，因而也使得涡流损耗下降；另一方面，随着Fe2O3/ZnO比的增加，磁导率μi降低，居里温度Tc上升，最大的收获在于高温Bs提高，使得材料直流叠加特性改善，同时畴壁共振频率移向高端，又导致剩余损耗降低。
值得指出的是，大幅度调整Fe2O3/ZnO比后，必然会造成谷点下移、Pcv-T曲线“落差”加剧的弊病。除添加传统杂质外，我们加大Co、Ti、Sn的投入，以遏制晶格中B-A离子交换，减小阳离子空位，阻止电子转移，有效降低损耗；同时“中和”K1-T曲线，使复合材料μ-T曲线平缓，从而阻挡了Pcv-T曲线谷点往低温漂移，并使之呈现宽温特征，加之配以严格的气氛烧结工艺，宽温宽频低功耗材料的优良性能就可全面获得。
提高材料电阻率还可从另一角度考虑，在500kHz或更高的使用频率下，涡流损耗占主要地位，从Fe3+到Mn2+的电子跳跃活化能比从Fe3+到Fe2+的稍高，因此可以通过提高锰含量来提高电阻率。想要显著提高Mn-Zn铁氧体材料的电阻率而且不损害其磁性能是很困难的，然而，我们可以通过前述提高晶界电阻率的途径，再辅以减小平均晶粒尺寸的方法来提高多晶Mn-Zn铁氧体材料的电阻率，因为缺陷的存在和杂质在晶界的富集，能够显著提高晶界的电阻率，所以通过增加晶界数量也能够显著提高整块材料的电阻率，细小的晶粒结构和绝缘层的存在则更能降低涡流损耗。
4 试验与讨论
依据前述原则优选了高铁低锌适量锰含量的基本配方，按量产规模配粉、砂磨、喷雾造粒、进推板窑950℃预烧，然后取等量预烧料粉四份，分别加入不同份量的CaCO3、TiO2及其它微杂。试样D含有0.1mol%的CaO和0.2mol%的TiO2，试样A含有0.15mol%的CaO 0.1mol%TiO2，试样B含有0.2mol%的CaO，试样C含有0.2mol%的TiO2。用卧式行星磨混合，球磨后铁氧体粉末的平均粒度达1.2μm，手工造粒压环，外径为25mm，内径为15mm，高为7mm，在进口钟罩炉中以1250-1290℃间的温度试烧，严格控制烧结冷却气氛曲线和升降温速度。样环性能用精密控制高低温烘箱、HP4284A LCR阻抗分析仪、SY8232B-H测试仪等测试。高频低功耗材料测试时，仪表性能影响很大，特别是500kHz以上，使用CH258和SY 8232BH测试仪之间就有较大误差，其它牌号功耗仪则更是力所不及。制造厂家和用户对此必须予以重视。
对比试验各项性能曲线结果如图。
在上述对比试验数据和性能曲线基础上，选择D组杂质组合，再进一步优选其它微量元素试验，最后确立了稳定可靠的量产配方。
Mn-Zn铁氧体的烧结工艺过程至关重要，这个阶段中铁氧体形成了正确的化学组成，获得了优良微观结构，最终性能得以确定。烧结过程最重要的工艺参数就是气氛控制和烧结曲线，氧分压PO2决定了Fe2+/Fe3+比率。平衡冷却曲线中PO2与温度的关系由Blank方程试验决定，烧结温度、加热速率及保温时间是得到优良微观结构的重要保证。在实现进口钟罩炉量产的基础上，成功过渡到使用总价不及引进设备十分之一的钢包式钟罩炉，优选烧结冷却曲线和与之配伍的气氛，批量生产的Mn-Zn铁氧体宽温宽频高居里点FBT 材料和各类磁心，完全满足了用户要求，近两年来取得了良好经济效益和社会效益。
鸣谢：无极灯业界对磁路独具匠心的姚文生高工、研制高频低功耗磁芯卓有成效的浙大胡军博士、钢包炉式钟罩炉开拓者导航研究所陈全周高工及南京太平洋窑业赵景然董事长，对本项目试验、应用和量产，给予了强有力的支持。在此，深表谢意！
参考文献
[1] 刘九皋. 锰锌铁氧体材料技术性能的拓展[A].中国西部磁性材料论坛会议资料[C]，2002
[2] He X Q. JSF-FDK united to speed up research and mass-production of soft ferrite material[A]. Proceedings of ICF-10[C]. Chengdu， 2008
[3] 邵顺中， 刘九皋. 广谱宽频低功耗DMR1.2K材料 [J]. 磁性材料及器件，2002，(04)
[4] Liu J G Broadband low loss dmr1.2k soft ferrite materials series[A]. Proceedings of ICF-9[C] San francisco， 2004
[5] T. Sano等. 高频开关电源用的新型铁氧体材料，第五届国际铁氧体会议译文集，1991
[6] M.Zenger， New developments in the field of soft magnetic ferrites，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，112(1992)
近年来，世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应日益拓展的应用领域，使这种基础功能材料的发展出现了勃勃生机。在IT产业、电力电子，特别是网络通信等用户的苛求下，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，一种求新、求全的理念，已逐渐主导着铁氧体软磁材料的研发方向。这就是要求材料具有更高的饱和磁通密度Bs，更好的直流叠加特性，更低的比损耗系数tgδ/μi（包括高磁通密度下的功耗Pc）和总谐波失真系数(THD)以及更宽的使用频率和更广的使用温度范围。即所谓两宽（宽频、宽温）、两高（高Bs、高DC-Bias性能）、两低（低的比损耗系数tgδ/μi或Pc、低谐波失真THD）兼具的特点。因此，锰锌铁氧体材料的研究已经进军到了低温、高温和更宽与更高频段领域。对此，作者曾于2002年发表相关文章<1>，2005年到2007年日本TDK公司和FDK公司<2>还分别公布了系统的开发思路（如下图）。
深入分析各公司材料性能指标及各种特征曲线后，可以看出，当使用频率：
f<250kHz时 类同于日本TDK公司的 PC40、PC44材料功耗明显低于PC50，特别是当B<100mT，f<100kHz时，PC40占有价格和性能优势，没必要选用PC50；
250kHz<f<300kHz时，PC44功耗最低，PC50其次，PC40功耗最大，这是PC44独占的市场范围；
300kHz<f<1MHz时，PC50功耗最低；
1MHz<f<10MHz时，选用类同于菲利浦公司的3F4、3F45型材料；
f>10MHz时，目前只有Ni-Zn铁氧体材料才能当此重任，故选用4F1。
基于以上思维，各材料制造厂家早就在积极寻求一种宽温宽频高居里点低剩磁材料，以期取代名目众多的高频低功耗铁氧体材料，且喜俱各有所获<3><4>。
绿色环保电磁感应无极灯的广泛应用与性能提高，促进了这种材料的开发与量产。
2 无极灯特点及所用磁心性能
爱迪生发明的电灯给人类带来了光明，荧光灯、汞灯、碘钨灯、卤素灯、霓虹灯、氙灯、镝灯、钠灯、金属卤化物灯等各项灯具的发明，又将人类带进了一个光和电的文明时代。这些发明将普通电灯的每W10~12Lm的发光指数，提高到了高压钠灯、金属卤灯的每W70~100Lm的发光指数。其寿命也从爱迪生发明的1000~1500小时的普通钨丝灯泡，跃迁到了8000~2万小时的金属卤化物灯具。
这些创造发明给人类的夜生活带来了无穷的乐趣与方便。在美化社会文明进步的同时，也塑造出了新时代的光电文化。
随着科学技术的进步，从事照明研究的科技工作者发现，自爱迪生发明电灯至40年代的荧光灯，到50年代的汞灯，及至后来发明的碘钨灯、霓虹灯、钠灯、金属卤化物灯等，都是以灯丝、电极通电发射电子来激活发光物质，其寿命、光衰、亮度都受到电极、灯丝制约，无法达到一个更高、更理想的境界。于是他们在70年代末80年代初发明创造了不用灯丝、电极的“电磁感应灯”即“无极灯”。无极灯的发明给人类照明工程推出了一个新的理念，使灯具的寿命达到了一个新的高度。如果不计电子电路及元器件与磁性材料的影响，其寿命可以达到10万小时以上，实现了电光源寿命革命性的技术飞跃。
“电磁感应灯”——无极灯，使用的是电磁振荡激活发光原理。无极灯由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成，其工作原理是：将高频电磁场能量以感应方式耦合到灯泡内，使灯泡内的气体被击穿形成等离子体，等离子体受激原子返回基态时，辐射出254nm紫外线，使灯泡壁上的荧光粉受激而发出可见光。由于采用高频电磁感应耦合方式工作，取消了传统的灯丝和电极，故寿命长达10万小时以上，是白炽灯的100倍，节能灯的12倍，高压钠灯的4倍；发光效率高，且比白炽灯节能70%以上，比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上，具有极低的运行成本和维护成本；绿色环保，采用固态汞剂和无铅玻璃，使用的材料98%以上都可以循环利用，特别符合世界环保要求；电磁兼容和电磁干扰符合GB17743-1999标准；无频闪、光衰小 ，光线稳定，利于消除人眼疲劳，有益视力健康，是真正的“绿色照明”；采用汞合金技术，无灯丝预热， 在-50℃—+280℃范围内，正常启动工作和再启动时间均小于0.5秒，完全消除了灯丝启动的弊端，即开即亮，适合各种环境和场所照明，开关达3万次以上，安全无故障；适应温度范围宽，功率因数高达95%以上，节能降耗效果显著。
由于突破了传统的白炽灯、气体放电灯的发光机理，无极灯已成为国际公认的第四代节能环保新光源。高光效、长寿命、高显色、光线稳定等特点，更使其迅速风靡世界。因而其电磁能量转换的核心部件高性能磁心也随之热销市场。
高频无极灯用磁心大都使用镍锌铁氧体材料，因为设计在发光体中间位置的所谓内置式电磁发生器，距被激活的荧光粉有相当大的距离，所以必需产生足够大的电磁能量，才能使之激活发光。这就是使用频率高达2.65MHz的主要原因。但2.65MHz高频振荡产生的电磁幅射、射频干扰问题需要进行技术处理。为了屏蔽掉对人体和其它设备有害的电磁污染，对电磁发生装置的灯腔体，采用了真空涂敷氧化锡、铝薄膜的技术处理工艺，这样既阻碍了灯的透光效率，过高的灯体温度又影响了这种无极灯的光衰和使用寿命，还极大地增加了制造成本，造成了 “菲利浦”“欧斯朗”“松下”等国内外照明公司的这项发明专利实施发展的主要掣肘瓶颈!
而低频无极灯工作在中低频率状态下，制造成本较低，通常使用锰锌铁氧体磁心，其外置式结构利于实现向大功率、超大功率(200W-1000W)灯具发展，所以适用于高大宽广照明区域。它的电磁感应磁环线圈紧紧贴包在发光体玻壳的外端，与要激活的发光物质非常贴近，这样就不需要很大的能量，也就是不需要太高的工作振荡频率，一般200kHz~300kHz都可以十分轻松的产生足以激活发光体内荧光粉的电磁感应能力，效率很高。相对于200kHz左右的振荡频率，在EMC、EMI技术处理手段上就很容易达标，制造工艺相对难度也小了很多。仁者见仁，智者见智，内置和外置这两种结构各有所长，目前并存于无极灯行业各显神通，如何生产二者皆可兼用的高性能磁心，则成了磁材厂家的困难课题。
这两种工作状态对软磁铁氧体材料性能的要求都特别苛刻，既要极低温度[-40℃以下]具有足够的磁导率，启动高频振荡，又要相当高的居里温度[+280℃以上]以维持不停振，还要在如此宽温范围保持较高磁通密度和较低功耗，这是非常大的一个矛盾。镍锌材料有高频、高居里点特征，但超低温磁导率低，使线圈感量不足难以启动，且材料功耗较大，灯具发热过高；锰锌材料虽有高磁密低功耗优势，但居里点和频率却难上去，高温易停振，灯具体积较大。新材料必须像TDK公司Pc95那样具备低频宽温低功耗高Bs特征，又必须像FERROXCUBE公司3F4那样具有高频低功耗高Bs性能，还得超出二者特性，具有+280℃以上高居里点。
立项开发这种材料的思路必须标新立异，它既能兼顾200kHz左右低频、又能在500kHz直至3MHz频率上综合PC50及3F4的性能，因而能替代μi 1500左右的各种高频低功耗材料。同时借助已成功制作PC44材料的工艺技术，还可扩展μi到2000以上，兼顾低频端功耗要求，部份替代PC40、PC44等材料。以创新的理念开发出来的这种新材料系列，不仅能满足无极灯市场需求，还必将为高频功率铁氧体各类磁芯在通信和强电领域的新应用，开拓出一片广阔的天地。南京精研公司新材料典型性能要求见表1，世界各大公司类同材料水平见表2。
3 关键技术分析
如前所述，新材料的特点是既要拓宽适用频率，又要降低在相应频率下的功率损耗。一般铁氧体材料随着使用频率的提高，由于涡流和自然谐振的影响，功耗越来越大。必须寻找一种或几种添加物，掺入铁氧体晶界，增加其高频阻抗，同时钉扎畴壁，以减少其共振能量衰耗<5>。为达到此目的，还必须精细调整烧结冷却气氛，严格控制固相反应过程。
众所周知，软磁铁氧体损耗与频率一般呈线性关系，在低于200kHz时，磁滞部分(Phv)大于涡流部分(Pev)，而高于200kHz时，则相反。Zenger<6>指出200kHz是一转变点，在此频率下，Phv=Pev，当 f > 200kHz，涡流损耗上升为主要影响，故必须设法提高电阻率。剩余损耗一般为不依赖于频率的常数，但在高频场中则与频率呈复杂的函数关系，即使是高电阻率材料也占主导地位。其机理为畴壁共振而产生，如果细化晶粒，减少畴壁而使之共振困难，则可有效降低剩余损耗；当然频率越高，与其平方成正比的涡流损耗也越大，这就必须设法增加晶界电阻以遏制涡流。通常加入SiO2、CaCO3、Ta2O5、SnO2和TiO2会有很好的效果。钙离子在Mn-Zn铁氧体晶界处偏析，与硅形成硅酸钙阻挡层，能提高晶界电阻率显著降低涡流损耗。添加TiO2，也可在晶界形成钙钛型高阻层，为了保持电中性，Ti4+离子增加，Fe3+离子会减小，而Fe2+的含量增加。高价钛离子由于钉在Fe2+位置处，可以成为一个静电阱，提高颗粒的反应活性。控制Fe2+含量还能调节二峰(SMP)温度，加上Co2+离子介入，铁氧体的宽温特性就可获得。
但深入的研究发现<7><8>，Pcv-T曲线上谷点的最低功耗与主配方Fe2O3含量密切相关。特别是当使用频率在1MHz以上时，欲降低磁芯功耗Pcv，改善性能因子Bmf，则一般采用降低初始磁导率μi的办法，以获得更好的高频性能和更高的磁密Bs及居里点Tc，这时主配方中ZnO含量已降至6mol%以下直至3mol%左右，而Fe2O3含量则增至56mol%以上。随着Fe2O3含量的增加，矫顽力Hc减小，与磁滞回线面积成正比的磁滞损耗也随之减小；而且Fe2O3含量增加，功耗谷点温度降低，但此温度下的电阻率增大，因而也使得涡流损耗下降；另一方面，随着Fe2O3/ZnO比的增加，磁导率μi降低，居里温度Tc上升，最大的收获在于高温Bs提高，使得材料直流叠加特性改善，同时畴壁共振频率移向高端，又导致剩余损耗降低。
值得指出的是，大幅度调整Fe2O3/ZnO比后，必然会造成谷点下移、Pcv-T曲线“落差”加剧的弊病。除添加传统杂质外，我们加大Co、Ti、Sn的投入，以遏制晶格中B-A离子交换，减小阳离子空位，阻止电子转移，有效降低损耗；同时“中和”K1-T曲线，使复合材料μ-T曲线平缓，从而阻挡了Pcv-T曲线谷点往低温漂移，并使之呈现宽温特征，加之配以严格的气氛烧结工艺，宽温宽频低功耗材料的优良性能就可全面获得。
提高材料电阻率还可从另一角度考虑，在500kHz或更高的使用频率下，涡流损耗占主要地位，从Fe3+到Mn2+的电子跳跃活化能比从Fe3+到Fe2+的稍高，因此可以通过提高锰含量来提高电阻率。想要显著提高Mn-Zn铁氧体材料的电阻率而且不损害其磁性能是很困难的，然而，我们可以通过前述提高晶界电阻率的途径，再辅以减小平均晶粒尺寸的方法来提高多晶Mn-Zn铁氧体材料的电阻率，因为缺陷的存在和杂质在晶界的富集，能够显著提高晶界的电阻率，所以通过增加晶界数量也能够显著提高整块材料的电阻率，细小的晶粒结构和绝缘层的存在则更能降低涡流损耗。
4 试验与讨论
依据前述原则优选了高铁低锌适量锰含量的基本配方，按量产规模配粉、砂磨、喷雾造粒、进推板窑950℃预烧，然后取等量预烧料粉四份，分别加入不同份量的CaCO3、TiO2及其它微杂。试样D含有0.1mol%的CaO和0.2mol%的TiO2，试样A含有0.15mol%的CaO 0.1mol%TiO2，试样B含有0.2mol%的CaO，试样C含有0.2mol%的TiO2。用卧式行星磨混合，球磨后铁氧体粉末的平均粒度达1.2μm，手工造粒压环，外径为25mm，内径为15mm，高为7mm，在进口钟罩炉中以1250-1290℃间的温度试烧，严格控制烧结冷却气氛曲线和升降温速度。样环性能用精密控制高低温烘箱、HP4284A LCR阻抗分析仪、SY8232B-H测试仪等测试。高频低功耗材料测试时，仪表性能影响很大，特别是500kHz以上，使用CH258和SY 8232BH测试仪之间就有较大误差，其它牌号功耗仪则更是力所不及。制造厂家和用户对此必须予以重视。
对比试验各项性能曲线结果如图。
在上述对比试验数据和性能曲线基础上，选择D组杂质组合，再进一步优选其它微量元素试验，最后确立了稳定可靠的量产配方。
Mn-Zn铁氧体的烧结工艺过程至关重要，这个阶段中铁氧体形成了正确的化学组成，获得了优良微观结构，最终性能得以确定。烧结过程最重要的工艺参数就是气氛控制和烧结曲线，氧分压PO2决定了Fe2+/Fe3+比率。平衡冷却曲线中PO2与温度的关系由Blank方程试验决定，烧结温度、加热速率及保温时间是得到优良微观结构的重要保证。在实现进口钟罩炉量产的基础上，成功过渡到使用总价不及引进设备十分之一的钢包式钟罩炉，优选烧结冷却曲线和与之配伍的气氛，批量生产的Mn-Zn铁氧体宽温宽频高居里点FBT 材料和各类磁心，完全满足了用户要求，近两年来取得了良好经济效益和社会效益。
鸣谢：无极灯业界对磁路独具匠心的姚文生高工、研制高频低功耗磁芯卓有成效的浙大胡军博士、钢包炉式钟罩炉开拓者导航研究所陈全周高工及南京太平洋窑业赵景然董事长，对本项目试验、应用和量产，给予了强有力的支持。在此，深表谢意！
参考文献
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