摘要：  介绍了锰锌铁氧体材料综合性能开发方向，使用优化配方湿法量产的基料试验了各种掺杂组合，确立了批量生产宽温宽频节能环保照明材料的核心技术及工艺对策。

关键字：  宽温，宽频，低功耗，电磁感应，无极灯

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（见图1、图2）。
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
“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80％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，采用固态汞齐和无铅玻璃，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GBl7743-1999标准；无频闪、光衰小，光线稳定；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，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98％以上，节能降耗效果显著。
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。[#page#]
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200-300kHz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。
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。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。
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。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。[#page#]
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
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。
致谢：
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，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．中国西部磁性材料论坛会议资料．2002．
[2] He Xiuqiao．ICF-l0(2008)．Chengdu.JSF-FDK UNITED TO SPEED UP RESEARCH ANDMASS PRODUCTION OF SOFT FERRITE MATERIAL．
[3] 邵顺中．刘九皋．广谱宽频低功耗DMRl.2K材料[J]磁性材料及器件．2002．(04)．