軟磁

當(dāng)磁化發(fā)生在Hc不大于1000A/m，這樣的材料稱為軟磁體。典型的軟磁材料，可以用最小的外磁場實(shí)現(xiàn)最大的磁化強(qiáng)度。

軟磁材料主要特點(diǎn):軟磁材料(soft magnetic material)具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料。軟磁材料易于磁化，也易于退磁，廣泛用于電工設(shè)備和電子設(shè)備中。應(yīng)用最多的軟磁材料是鐵硅合金(硅鋼片)以及各種軟磁鐵氧體等 。

軟磁材料的發(fā)展 :

軟磁材料在工業(yè)中的應(yīng)用始于19世紀(jì)末。隨著電力工及電訊技術(shù)的興起，開始使用低碳鋼制造電機(jī)和變壓器，在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細(xì)小的鐵粉、氧化鐵、細(xì)鐵絲等。到20世紀(jì)初，研制出了硅鋼片代替低碳鋼，提高了變壓器的效率，降低了損耗。直至現(xiàn)在硅鋼片在電力工業(yè)用軟磁材料中仍居首位。到20年代，無線電技術(shù)的興起，促進(jìn)了高導(dǎo)磁材料的發(fā)展，出現(xiàn)了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代，是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，雷達(dá)、電視廣播、集成電路的發(fā)明等，對軟磁材料的要求也更高，生產(chǎn)出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進(jìn)入70年代，隨著電訊、自動控制、計(jì)算機(jī)等行業(yè)的發(fā)展，研制出了磁頭用軟磁合金，除了傳統(tǒng)的晶態(tài)軟磁合金外，又興起了另一類材料--非晶態(tài)軟磁合金。

中國軟磁材料行業(yè)存在的問題:

縱觀中國磁性材料發(fā)展這么多年，取得這樣的成績，主要還是在于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)硬件的投資。大批量產(chǎn)磁性產(chǎn)品的技術(shù)性能水平與國際先進(jìn)水平還有一定的差距。中低檔產(chǎn)品價(jià)格在無利潤邊緣競爭，無序而無規(guī)則。企業(yè)對高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的磁性產(chǎn)品開發(fā)力度不夠，不能首先占領(lǐng)新應(yīng)用領(lǐng)域。在國內(nèi)設(shè)備制造業(yè)沒有按照新磁性產(chǎn)品生產(chǎn)需要而更新創(chuàng)新，高檔材料的制造設(shè)備均靠引進(jìn)。中國磁性材料與國外差距具體表現(xiàn)在以下幾個方面:(1) 產(chǎn)品質(zhì)量水平存在差距中國軟磁材料的研究水平近幾年來取得非常顯著的進(jìn)步，與國際同行相比有較大的提高，這主要與各企業(yè)以先進(jìn)的同行為發(fā)展與競爭目標(biāo)分不開，表一是天通軟磁材料水平與國際同行相比較結(jié)果。中國軟磁性材料水平有了一定的提高，但是很多新材料研發(fā)成果并沒有真正轉(zhuǎn)化為大生產(chǎn)，導(dǎo)致批量產(chǎn)品質(zhì)量水平仍然存在一定的差距。除了材料水平外，產(chǎn)品性能一致性差、外觀差、缺少名牌、供貨不及時(shí)等因素很大程度上制約了中國磁性材料質(zhì)量的快速提升。目前中國大批量生產(chǎn)軟磁鐵氧體的技術(shù)質(zhì)量水平并不高，功率鐵氧體的性能相當(dāng)于日本TDK 公司產(chǎn)品的PC30 和PC40 牌號;高磁導(dǎo)率鐵氧體的μ 值約在7000~10000 間;只有極個別單位能穩(wěn)定小批量生產(chǎn)PC44牌號功率鐵氧體和μ 值10000 以上的高磁導(dǎo)率鐵氧體。(2) 價(jià)格差異大，中國磁性材料的平均出口價(jià)格約3.6 美元/ 公斤，而平均進(jìn)口價(jià)格則在7 美元/ 公斤左右，中國磁性材料的進(jìn)出口差價(jià)太大。而對于軟磁方面，從國際市場售價(jià)來看，我國產(chǎn)品十分低廉，家用電器等用大磁芯，每噸售價(jià)約在1.5 萬元左右，通信用小磁芯每噸售價(jià)約在3 萬元左右，僅為日本同類產(chǎn)品價(jià)格的1/2~1/3。在釹鐵錋方面，中國占世界產(chǎn)量的77% 但只擁有57% 的產(chǎn)值，產(chǎn)值與產(chǎn)量比值僅為0.74，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日本的1.81 和歐洲的3.0。這除了銷售渠道的原因外，還與我國產(chǎn)品檔次低下、性能一致性差、外觀差、缺少名牌、供貨不及時(shí)等因素有直接關(guān)系。我國大多數(shù)軟磁企業(yè)生產(chǎn)長期滯留于低檔次產(chǎn)品，一方面影響本身技術(shù)水平和管理水平的提高，另一方面由于售價(jià)低、贏利水平低下，影響了擴(kuò)大再生產(chǎn)，造成原材料及能源等資源的浪費(fèi)，難以形成良性循環(huán)。通過適度發(fā)展我國高檔次軟磁鐵氧體，對改善現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)競爭力、擴(kuò)大與變壓器、電感器等的配套以及出口創(chuàng)匯力度都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

軟磁材料的發(fā)展趨勢:

電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對高頻電感元件(如高頻變壓器、小型電感器等)也提出了各種新的要求，隨之也要求改進(jìn)和提高作為電感元件的主要組成部分--鐵氧體磁芯的性能。因此，對軟磁鐵氧體材料及磁芯元件也提出了更高的材料標(biāo)準(zhǔn)和要求，如元器件的小型化、片式化、高頻化、高性能、低損耗等。在軟磁鐵氧體中，目前需求量最大及對性能改進(jìn)要求最為迫切的材料是高頻低功率損耗鐵氧體材料和高磁導(dǎo)率鐵氧體材料。高頻低功率損耗鐵氧體材料主要用于各種高頻小型化的開關(guān)電源(如AC-DC、DC-AC 變換器)及顯示器回掃變壓器等;高磁導(dǎo)率鐵氧體材料則主要用于寬帶變壓器、脈沖變壓器用抗電磁波干擾器件等。據(jù)報(bào)導(dǎo)，這兩種材料的產(chǎn)量已經(jīng)占全部軟磁鐵氧體總產(chǎn)量的60%以上。對功率鐵氧體材料的主要要求是:較高的磁導(dǎo)率(mi?2000)、高的居里溫度(Tc)、高表觀密度(d)、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bs)和高頻下的超低磁芯損耗(Pc)。對高磁導(dǎo)率鐵氧體材料的主要要求是:高的磁導(dǎo)率(mi?12000)、高表觀密度(d)、高頻低場下低的磁芯損耗(tand/mi)和優(yōu)良的頻率擴(kuò)展特性(?f-?L)。對鐵氧體磁芯元件本身的主要要求是:最佳的電磁性能及性能的一致性、精確的機(jī)械尺寸及足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的工藝質(zhì)量(包括外觀質(zhì)量和外形缺陷等)。

縱觀近幾年各國軟磁鐵氧體生產(chǎn)量的變化可以看出，世界軟磁鐵氧體的生產(chǎn)格局已經(jīng)發(fā)生了很大變化。今后幾年，日本、美國和西歐各國的軟磁鐵氧體生產(chǎn)雖然將繼續(xù)保持負(fù)增長，但為充分利用亞太地區(qū)廉價(jià)的勞動力資源和原材料資源，這些國家的一些企業(yè)，如:Philips、Siemens、TDK、TOKIN、FDK、日立、川鐵等在該地區(qū)(主要集中在中國大陸、臺灣，印度以及東南亞各國)建立的鐵氧體工廠(主要生產(chǎn)MnZn 鐵氧體)的產(chǎn)量卻不斷增加，并且，這些企業(yè)向亞洲轉(zhuǎn)移其生產(chǎn)工廠的趨勢也正在加劇。發(fā)達(dá)國家鐵氧體工廠的大量涌入，勢必將會進(jìn)一步加劇該地區(qū)在軟磁鐵氧體生產(chǎn)上的競爭。

早在 1996 年，美國國際磁性材料咨詢公司高級顧問W.G. Hart 以及奧地利專家M. J. Ruthner 曾對全球軟磁行業(yè)作了評估[3]，認(rèn)為世界軟磁鐵氧(其中60%為MnZn 鐵氧體)需求量的平均增長速度在以后的幾年中將繼續(xù)保持在10?15%的水平，那么到2000 年全球軟磁鐵氧體總量將達(dá)到30 萬噸，事實(shí)上這個估計(jì)還是比較客觀的。可以預(yù)測，盡管在以后的幾年中，由于世界電子行業(yè)的需求，軟磁鐵氧體的產(chǎn)量仍將有較大幅度的增長，但是競爭肯定將會變得更為激烈。因此，如何降低成本、提高效率、提高產(chǎn)品檔次及市場競爭力將成為各個企業(yè)在競爭中能否成功的關(guān)鍵。這樣，對各個企業(yè)來說，加強(qiáng)科學(xué)管理與技術(shù)創(chuàng)新就顯得更為重要。

從原則上講，磁性材料的宏觀性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，要提高材料的宏觀磁性能，就必須在磁性量子理論的指導(dǎo)下從分析、改進(jìn)其微觀結(jié)構(gòu)入手，以獲得相應(yīng)的宏觀磁性能。目前對納米材料的研究及材料設(shè)計(jì)科學(xué)正是基于這樣一種思想而發(fā)展起來的，即從第一原理(量子力學(xué)原理)出發(fā)來進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。在磁性材料方面，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子理論對自旋有序材料的成功解釋及量子理論與微磁學(xué)的結(jié)合，磁性材料的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了材料設(shè)計(jì)階段，并進(jìn)入了納米時(shí)代。從材料設(shè)__計(jì)的角度來看，對高性能超低損耗功率鐵氧體材料，應(yīng)采用細(xì)密均勻晶粒方案，這就要求在制備超低功耗功率鐵氧體材料時(shí)，除合理的主配方、采用復(fù)合摻雜體系添加適量的微量元素以及良好的燒結(jié)工藝外，更重要的是還應(yīng)通過調(diào)整燒結(jié)溫度和氣氛來嚴(yán)格控制其顯微結(jié)構(gòu)，如晶粒的大小及分布、晶界結(jié)構(gòu)、燒結(jié)密度等，使晶粒的分布盡可能地窄，并通過納米結(jié)構(gòu)控制技術(shù)來形成數(shù)量眾多、總面積很大的高電阻晶界區(qū);為有效抑制高頻下迅速擴(kuò)大的渦流損耗，還應(yīng)設(shè)法提高晶粒本身的電阻率。

理論和實(shí)踐都證明，要獲得頻率特性好、磁導(dǎo)率高(mi?15000)的高磁導(dǎo)率鐵氧體材料，材料的晶粒尺寸應(yīng)大(D?40?m)而均勻，粒徑分布要窄，氣孔率要低，晶界應(yīng)直而均勻，燒結(jié)體內(nèi)部的應(yīng)力要小，同時(shí)應(yīng)努力增加疇壁數(shù)，以提高材料的起始磁導(dǎo)率mi。在MnZn 鐵氧體中，由于起始磁導(dǎo)率和損耗都是結(jié)構(gòu)敏感量，受微觀結(jié)構(gòu)的影響很大，所以對高磁導(dǎo)率鐵氧體材料還應(yīng)選用K1 和ls 都小的成份，同時(shí)，還要通過使添加的微量元素高濃度地偏析在晶界來控制內(nèi)部應(yīng)力。在燒結(jié)方面，應(yīng)通過嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)氣氛，同時(shí)采用燒結(jié)調(diào)節(jié)物來防止鋅揮發(fā)(因?yàn)殇\揮發(fā)不但容易使燒結(jié)體內(nèi)部和表面附近的成份產(chǎn)生差異，而且容易使主成份發(fā)生偏離)，以獲得密度高、晶粒大、晶粒尺寸均一的燒結(jié)體，只有這樣，才能獲得綜合性能優(yōu)異的高起始磁導(dǎo)率材料。

將軟磁合金粉末與粘結(jié)劑和絕緣劑混合均勻后壓制而成的磁粉芯材料是制作電感器件，尤其是高頻、大電流和大功率電路中電感器件的關(guān)鍵元件，像永磁材料中的粘結(jié)磁體一樣，其產(chǎn)品種類幾乎遍及金屬軟磁材料的各個領(lǐng)域，常規(guī)的Fe 系粉芯雖然價(jià)格低廉，但高頻特性不佳，F(xiàn)e-Ni 類粉芯和Fe-Ni-Mo 類磁粉芯由于其Ni 含量較高(達(dá)50~80%)，所以成本很高。另外，還有FeSiAl 系、Fe-Cr系、Fe-Co 系等等幾類磁粉芯。與它們比起來，用FeCuNbSiB 納米晶合金材料制作的磁粉芯，由于特別適合于做高頻、大電流和大功率條件下的各類開關(guān)電源、變換器及PFC 技術(shù)中的扼流圈、濾波電感及貯能電感等等，其市場前景很好。目前磁粉芯產(chǎn)品的發(fā)展勢頭很好，有望成為軟磁材料中的一個新的增長點(diǎn)。

另外，納米科技的發(fā)展在給傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)帶來跨越式發(fā)展的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)的同時(shí)，也給傳統(tǒng)軟磁鐵氧體材料性能的提高提供了另一個切實(shí)可行__的方法，因?yàn)橛眉{米技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和對現(xiàn)有材料進(jìn)行納米改性也是納米科技發(fā)展的重要方向之一。利用納米材料的優(yōu)異性能和特殊結(jié)構(gòu)來全面提高傳統(tǒng)軟磁材料的綜合性能的優(yōu)點(diǎn)是在不用對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行大的技術(shù)改造的前提下，就可以達(dá)到全面提高企業(yè)傳統(tǒng)材料的技術(shù)含量及質(zhì)量等級的目的，并具有突破一點(diǎn)帶動一片的戰(zhàn)略意義。目前在這方面國內(nèi)外已經(jīng)做了大量研究工作，也取得了較快的進(jìn)展，在有的材料領(lǐng)域已經(jīng)有商品問世，所以提高傳統(tǒng)軟磁材料性能的研究中不失時(shí)機(jī)地抓住這一機(jī)遇同樣具有重要意義，而這一點(diǎn)往往被國內(nèi)業(yè)界所忽視。如果在這方面的研究中能取得突破，將對我國傳統(tǒng)磁性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用，對我國磁性產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也將具有十分重大的意義。

總之，軟磁材料今后仍將沿著高 Bs、高m、高Tc、低Pc、低Hc 和高頻化、小型化、薄型化方向發(fā)展，以滿足磁性元件的日益薄膜化和小型化，甚至集成化的趨勢。在今后10 年內(nèi)，軟磁鐵氧體材料重點(diǎn)要發(fā)展高頻低功耗、高磁導(dǎo)率材料和片式化的表面貼裝元件;在非晶軟磁合金和磁記錄材料及高頻軟磁合金方面則重點(diǎn)發(fā)展納米材料。

結(jié)語:

在軟磁材料的發(fā)展過程中，20 世紀(jì)30 年代前為金屬軟磁的一統(tǒng)天下，五六十年代為軟磁鐵氧體的黃金時(shí)代;自從70 年代初開發(fā)成功非晶態(tài)軟磁合金，80 年代末期開發(fā)成功納米晶軟磁材料以來，相繼又發(fā)現(xiàn)了許多高起始磁導(dǎo)率和低矯頑力的納米晶軟磁材料，近年來又開發(fā)了許多高頻特性優(yōu)良的納米顆粒結(jié)構(gòu)的軟磁材料。90 年代以來，納米結(jié)構(gòu)的金屬磁性材料的崛起，已經(jīng)成為軟磁鐵氧體有力的競爭者。目前傳統(tǒng)的鐵氧體軟磁材料正朝著提高綜合性能指標(biāo)的方向發(fā)展。