根據(jù)高頻開關(guān)電源變壓器用PC44,、PC50等功率鐵氧體材料的高起始磁導(dǎo)率(μi)、飽和磁通密度(Bs),、低功率損耗(Rc)等特性要求,，分別討論了配方、添加物和燒結(jié)工藝等關(guān)鍵技術(shù)對該類材料制備的影響,。

O 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，進(jìn)一步增加了對電子設(shè)備的多功能化和高密度化的需求，作為電子設(shè)備不可缺少的開關(guān)電源,，迫切要求實(shí)現(xiàn)小型輕量化,。而為了使開關(guān)電源小型化，首先要求開關(guān)電源變壓器小型化,。工作頻率更高的PC44及PC50功率鐵氧體材料和磁芯就是為適應(yīng)這種需求而發(fā)展起來的,。

    鐵氧體的性能并不是僅僅由其化學(xué)成分及晶體結(jié)構(gòu)決定的，還需要研究和控制它們的密度,、晶粒尺寸,、氣孔率以及它們在晶粒內(nèi)部和晶粒之間的分布等。因此,，制備高性能功率鐵氧體材料,，配方是基礎(chǔ)、燒結(jié)是關(guān)鍵,。配方和密度決定著材料的飽和磁通密度Bs(功率鐵氧體磁芯通常工作于有直流偏置場的狀態(tài)下,，高Bs是為了保證磁芯具有高直流疊加特性的需要)和居里溫度(fc)，而摻入有效的添加物并與適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝相匹配,，則對鐵氧體的性能具有決定意義,，影響著固相反應(yīng)的程度及最后的相組成,、密度和晶粒大小等,，使軟磁鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)得到更有效的控制，從而確保材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一,。

1 高性能功率鐵氧體的主配方選擇
    為提高功率轉(zhuǎn)換效率并避免飽和,，要求用在高頻開關(guān)電源變壓器中的功率鐵氧體材料具有高Bs、高起始磁導(dǎo)率(μi)和高振幅磁導(dǎo)率(μa),，同時為了避免變壓器在高頻下發(fā)熱擊穿,，材料的功率損耗(Rc)應(yīng)盡量小，希望呈負(fù)的溫度系數(shù),?？梢哉f，衡量功率鐵氧體材料優(yōu)劣的3個重要磁性能參數(shù)是μi、曰Bs和Rc以及這些參數(shù)的頻率,、溫度和時間穩(wěn)定性,，它們之間是一個矛盾的統(tǒng)一體，某些參數(shù)甚至嚴(yán)重對立,，將它們有機(jī)統(tǒng)一的總體思路是控制磁晶各向異性常數(shù)K1～t曲線及鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu),，在配方、添加物和燒結(jié)工藝上使K1有一個好的溫度特性,，將K1的最小值調(diào)節(jié)到合適的位置,，并使其趨向于零。

    μi的大小對磁芯具有高電感因數(shù)(AL)的貢獻(xiàn)最為直接,，因此,，保證鐵氧體有較高的μi值是必須的。但另一方面,，μi與材料截止頻率fr之間相互制約,，提高材料的使用頻率與提高μi是相互對立的，在實(shí)際材料中只能相互兼顧,。

    就功率鐵氧體的Bs鼠和居里溫度tc來說,，是由配方和密度決定的。對于功率鐵氧體的主配方,，國內(nèi)外軟磁科研工作者已做了較深入的系統(tǒng)研究,，并把它制成如圖1所示的相圖(無添加物)的形式使之更直觀地表現(xiàn)出來。日本TDK公司經(jīng)過多年研究,，進(jìn)一步在Mn—zn鐵氧體成分相圖中劃定了取值區(qū)域,，其中心位置配方約為：FezO3：MnO：znO=53．5：36．5：10(摩爾分?jǐn)?shù))，這與國內(nèi)許多企業(yè)PC44的主配方FezO3：MnO：ZnO=53．3：36．5：1O．2(摩爾分?jǐn)?shù))基本一致,。就PC44,、PC50而言，由于其Bs都比較高,，必須采用過Fe配方,，因?yàn)镕e2O3，含量在(51～55)mO1％范圍內(nèi),，Bs隨Fe2O3含量的增加而增大(反之,，ZnO含量過多則會造成材料高溫，或者Bs和tc的下降),。最佳的配方組合可通過正交工藝試驗(yàn),，結(jié)合加雜和燒結(jié)工藝形式優(yōu)選確定。

2 高性能功率鐵氧體的添加物選擇
    功率鐵氧體的化學(xué)成分不是決定鐵氧體性質(zhì)的唯一因素,，陽離子和晶點(diǎn)缺陷在晶位中的分布起著頭等重要的作用,。通過摻入添加物和工藝調(diào)整來改善鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)，更有助于使材料的主要特性參數(shù)達(dá)到和諧的統(tǒng)一。根據(jù)基礎(chǔ)磁學(xué)理論,，功率鐵氧體材料的截止頻率fr與鐵氧體的晶粒大小d右式(1)關(guān)系,。
   
式中：Ms為材料的飽和磁化強(qiáng)度；
    β為阻尼系數(shù),。

    由式(1)可知,，，與d(μ1一1)成反比例關(guān)系,，所以,，通過摻入添加物和燒結(jié)工藝的調(diào)整使晶粒細(xì)化，減小晶粒尺寸,，可以提高材料的截止頻率(也就提高了其工作頻率),。但晶粒尺寸的無限減小，必定增大功率損耗,。另一方面,，μ1的高低(與燒結(jié)溫度有較大關(guān)系)也關(guān)系到fr的大小。

    對通常工作在幾百kHz高頻下的PC44,、PC50材料而言,，功率損耗主要由磁滯損耗Rh和渦流損耗Pe兩部分組成。由于hocBm3(Bm為工作磁通密度),，可見為降低Ph,材料的Bs要高,，成分的均勻性要好(采用高純原材料)，同時必須改善晶粒大小的一致性并提高材料密度,，盡量減小內(nèi)應(yīng)力,。渦流損耗用式(2)表示。
    Pe=(丌2／4)·r2·lf2·Bm2／p      （2）
式中：r為平均晶粒尺寸,；
    p為電阻率,。

    可見，在高頻下降低材料功率損耗主要有兩條途徑：提高電阻率,；控制鐵氧體的晶粒在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)(晶粒過小,，Pe會變小，但Ph會增大),。

    控制晶粒大小和電阻率的最有效辦法是合理地?fù)饺颂砑游锖透纳茻Y(jié)工藝,。眾所周知，摻入一些有益的添加物如Sn02,、TiO2、Co2O3等,，可進(jìn)一步控制材料的K1值,，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)變得很小；復(fù)合添加CaO和SiO2,，可增大材料的電阻率,、降低材料的功率損耗。實(shí)際上,，對Mn—zn鐵氧體性能提高有實(shí)用價(jià)值的添加物較多,，它們的主要作用可分為3類：第一類添加物在晶界處偏析，影響晶界電阻率,；第二類影響鐵氧體燒結(jié)時的微觀結(jié)構(gòu)變化,，通過燒結(jié)溫度和氧含量的控制可改善微觀結(jié)構(gòu)，降低功率損耗,、提高材料磁導(dǎo)率的溫度和時間穩(wěn)定性,、擴(kuò)展頻率等；第三類則固溶于尖晶石結(jié)構(gòu)之中,，影響材料磁性能,。Ca、Si等元素的添加物屬第一類和第二類,；Bi,、Mo、V,、P等元素屬第二類,；_Ti、Cr,、C0,、Al、Mg,、Ni,、Cu、Sn等元素的主要作用屬第三類,。

    圖2所示為MoO,，、CuO等6種添加物對 Mn—zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響,，其中μ1和分別表示未摻添加物和摻入了少量添加物的鐵氧體的磁導(dǎo)率,；圖3示出了摻入SiO2對Mn—Zn鐵氧體磁導(dǎo)率的影響；圖4所示為TiO2添加量對Mn—Zn鐵氧體μi一t曲線的影響,；圖5(a)與圖5(b)分別示出的是復(fù)合添加SiO2,、CaO一對Mn—zn鐵氧體在100 kHz時的電阻率和比損耗系數(shù)(tanδ6／μi)的影響。

    日本東北金屬公司科研人員在開發(fā)SB—lM(相當(dāng)于PC50)材料時,，發(fā)現(xiàn)通用的復(fù)合添加物SiO2CaO有一部分會在晶粒內(nèi)溶解,，從而增大磁滯損耗,，在500 kHz～1MHz條件下，其降低功率損耗的效果并不好．．為此,，他們開展了卓有成效的研究工作,，期望找出不使磁滯損耗增大的更有效提高電阻率的添加物。表l列出了他們的研究成果,，在這8種添加物中,，Al2O3、SnO2,、TiO2都溶解于晶粒內(nèi),，幾乎看不到有提高電阻率的效果，其它添加物主要在晶界內(nèi)游離,。這些添加物中,，HfO2對提高電阻率最為顯著[2]，其降低渦流損耗效果最佳,。

    在開發(fā)高性能功率鐵氧體材料時,，要充分利用前人的成果，不要花過多精力浪費(fèi)在配方和添加物的摸索上,?？偟呐浞胶蛽诫s原則是盡可能地使磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮常數(shù)λs趨近于零。選擇添加物要注意以下原則：
    1)摻入添加物總量(wt％)應(yīng)控制在O．2％以下,；
    2)CaO(或CaCO3)和SiO2通常是不可或缺的添加物,；

    3)V2O5、Nb205,、_Ti02,、Ta2O5、HfO2,、CO2O3等高價(jià)離子組合添加,，組分不宜過多，最好不超過4種,，每種添加物的重量一般應(yīng)控制在1000ppm,，以下；
    4)在上述各添加物中,，除了Co3+子外,，其它離子的K1值都是負(fù)值，如飛利浦公司開發(fā)的3F3材料(介于PC40和PC50之間的一種材料),，基本技術(shù)要點(diǎn)就是同時添加了Ti4+和C03+以控制材料的溫度特性,，減少磁滯損耗，如圖6所示,。

3 高性能功率鐵氧體的燒結(jié)工藝
    燒結(jié)是制備高性能功率鐵氧體材料的關(guān)鍵工序,。在燒結(jié)過程中,，升降溫速度,、最高燒結(jié)溫度和爐內(nèi)氣氛是該工序中必須嚴(yán)格控制的3個關(guān)鍵因素,，它們對鐵氧體材料的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及電磁性能等參數(shù)都有很大影響,。合適的燒結(jié)工藝應(yīng)根據(jù)原材料配方及添加物情況,、預(yù)燒溫度、窯爐結(jié)構(gòu)及長度,、降溫方式,、功率鐵氧體的性能取舍等綜合確定，并通過材料的最終性能來進(jìn)行工藝驗(yàn)證和判定,。

    升溫速度對鐵氧體產(chǎn)品的密度,、晶粒大小及均勻性有直接關(guān)系，升溫速度過快將使晶粒尺寸不均勻,，內(nèi)部存在較多的氣孔,；升溫速度太慢，則燒成的鐵氧體密度低,，氣孔明顯增大,。為了得到晶粒小而均勻(PC40材料，晶粒約為10～14μm,，PC50材料,，晶粒約為3～6μm)、氣孔少,、密度高,、無開裂缺陷的鐵氧體，600℃以下升溫不宦過快,，600～900℃可快一些,，900～l100℃為晶粒初生階段，宜平穩(wěn)升溫,，同時采取致密化措施處理,，1100℃以上可稍快一些，最高燒結(jié)溫度不大于1 350℃(為限制晶粒尺寸),，保溫時間3～4h即可,，然后在氮?dú)?N2)保護(hù)下選擇合適的氧分壓降溫。

    在900～1100℃左右采取致密化措施是十分必要的,，其目的是降低鐵氧體中的氣孔率,。日本TDK公司特別在意900～1100℃之間的升溫速率和周圍氣氛的控制，他認(rèn)為這個階段是保證鐵氧體獲得好的微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,，對PC44,、PC50等高性能功率鐵氧體的制備,，該階段的控制尤為重要。通常采取的致密化措施是從900 ℃平穩(wěn)升溫至l100℃,，再保溫1h,，同時充入適量的N2以控制氧分壓。這可使鐵氧體的表觀密度迅速達(dá)到真實(shí)密度的99％,，而且大多數(shù)氣孔是停留在晶界上,。當(dāng)然，在1000℃以下的升溫段,，保證窯爐內(nèi)有足夠的氧含量及廢氣排氣管道的暢通也是非常重要的,。

    在降溫階段會引起鐵氧體的氧化或還原，通過加入適量的N2保護(hù)氣氛以控制窯爐內(nèi)的氧分壓,，是為了防止鐵氧體在冷卻過程中Mn,、Fe、CoCu等離子變價(jià),、產(chǎn)生脫溶物,、引起晶格變化等。過度的氧化與還原,，就有另相如a-Fez03,、Fe0、Fe3O4,、Mn203析出,，從而導(dǎo)致磁性能的急劇惡化。圖7是配方為Fe2O3：MnO：ZnO=51．9：26．8：18. 3(mol％)的功率鐵氧體平衡氣氛相圖,，從圖7中可看出氣氛對尖晶石相和Fe2O3相界內(nèi)氧化狀態(tài)的重要性,。要特別注意，先沿等成分線冷卻,，接著在最低的溫度下通過相界迅速冷卻,，這時生長動力學(xué)不敏感，使a-Fe203的脫溶最少,，氧化和生成另相的程度最輕,。圖8列出了功率鐵氧體的典型燒結(jié)工藝曲線。

4 結(jié)語
    1)制備PC44,、PC50等高性能功率鐵氧體材料,，配方是基礎(chǔ)、燒結(jié)是關(guān)鍵,。
    2)總的配方和摻雜原則是盡可能使磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮常數(shù)λ s趨近于零,。
    3)摻入適量的添加物如Ca0、SiO2,、V2OS,、Ti02,、Co203等，并與合適的燒結(jié)工藝相匹配,，可改吾高性能功率鐵氧體材料的微觀結(jié)構(gòu),，對提高材料綜合性能的作用更為突出。