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软磁材料概况

摘要：介绍了纳米晶合金、非晶合金、坡莫合金、硅钢、金属磁粉及铁氧体等软磁材料的特性。
关键词：硅钢；坡莫合金；金属磁粉；铁氧体；非晶合金；纳米晶合金
1引言
软磁材料是矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。因为它们容易磁化和退磁，而且具有很高的导磁率，可以起到很好的聚集磁力线的作用，所以软磁材料被广泛用来作为磁力线的通路，即用作导磁材料，例如变压器、传感器的铁芯，磁屏蔽罩等。 软磁材料按其成分可分为：硅钢；坡莫合金；金属磁粉；铁氧体；非晶合金软磁材料，纳米晶合金软磁材料。
纳米晶合金软磁材料和非晶合金软磁材料都是在1990年前后开发的，常被称为新型软磁材料，而硅钢、坡莫合金、金属磁粉芯、铁氧体称为常规软磁材料。新型材料与常规材料各有自己的特点和各自的优势领域，不可能相互完全替代。一般说来，新型材料具有高饱和磁感Bs、高磁导率、高居里温度Tc及低损耗等优点。但它们的弱点也不可忽视，如它们只能用在低频MHz范围，而金属磁粉芯及软磁铁氧体的应用频率为GHz范围。另外，新型软磁材料一般都是以带材卷绕方式制成磁芯，因而大多为环形，难以制造出形状较复杂的磁芯，而金属磁粉芯及软磁铁氧体则能制造出形状复杂的磁 ，特别是铁氧体由于其有多种成型方法，可以制造出结构相当复杂的磁芯，其尺寸可小到l毫米以下，大到l米。因此，应全面了解各种软磁材料的特性，来适应不同生产的需求。
2各种磁性材料
2.1 硅钢合金软磁材料
硅钢合金是含硅量在3％左右的硅铁合金。这种合金具有高饱和磁感Bs、高磁导率、高居里温度Tc的特点，而且价格低廉。但硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。硅钢片是工频变压器的主要材料，现在广泛采用冷轧取向工艺，性能有所提高，其损耗明显降低。硅钢合金主要应用于工频、中频变压器、扼流圈、电感器等。
2.2 坡莫合金软磁材料
坡莫合金指铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35％－90％之间。这种铁镍合金同样具有高饱和磁感Bs、高磁导率、高居里温度Tc的特点、高可靠的特点。但坡莫合金的电阻率低，力学性能不好，所以实际应用并不很多。目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钼、铜等。添加这些元素的目的是增加材料的电阻率，以减小做成铁芯后的涡流损失。同时，添加元素也可以提高材料的硬度，这尤其有利于作为磁头等有磨损的应用。坡莫合金常常用在中高频变压器的铁芯或者对灵敏度有严格要求的器件中，例如高频开关电源变压器、精密互感器、漏电开关互感器、磁屏蔽、磁轭等。
2.3 金属磁粉芯软磁材料
将软磁金属颗粒与绝缘粘合剂复合后压制成磁芯，称之为磁粉芯，也称为软磁合金磁介质。采用该方法最早生产出来的是羰基铁粉芯，近年来逐渐被新型磁粉芯所替代。新型磁粉芯主要有铁镍钼磁粉芯、铁镍50磁粉芯及近年来迅速发展的铁硅铝粉芯。金属磁粉芯软磁材料的最佳适用频率范围为几十kHz，有时可用到几百kHz。新型磁粉芯的优点在于饱和磁感高、直流偏置特性好、功耗低、温度稳定性好．可以减小元器件体积和重量，适合于开关电源、共模扼流圈、EMI滤波器、通信接口变压器和滤波器、功率因子校正器PFC、DC，DC转换器扼流圈等。
2.4 铁氧体软磁材料
铁氧体是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料。铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低，但导磁率比较高，而且电阻率很高，因此非常有利于降低涡流损耗。所以铁氧体能够在很高的频率下使用，但它的饱和磁感应强度低，因此不适合在低频下使用。铁氧体是品种最多、应用最广的软磁材料。
2.4.1 MnZn铁氧体软磁材料
（1）高磁导率MnZn铁氧体
目前我国可大量生产磁导率为10000～15000的MnZn铁氧体。日本TDK的H5C4的为1200025％ ，Bs为380mT，Tc>110℃；而H5C5的为3000030％，Bs为380mT，Tc>l l0℃ 。这种软磁材料主要用于制造ISDN、PHS等系统中使用的宽带脉冲变压器。
（2）功率MnZn铁氧体
在低磁通密度下，特别是在高Q谐振回路中，十分适合采用高和Q的MnZn铁氧体，典型的例子是模拟载波通信，近代更多的是用在高磁通密度的情况，如用于各种电源的变压器。此时必须采用高磁通密度下损耗仍然很低的功率MnZn铁氧体。它的损耗不同于瑞利损耗．而是所有各种损耗的总和，称之为功耗P。功耗P与温度有关，其最理想的情况是器件负荷时的平衡温度恰好是功率MnZn铁氧体的功耗P的谷点温度。TDK的产品有PC44、PC45、PC46、PC47系列。其功耗P的谷点温度分别是100℃、75℃ 、45℃、100℃。国内近十年在功率MnZn铁氧体方面发展迅速，产品水平已与PC44、45、46、47相当。功率MnZn铁氧体的使用频率一般在200 kHz以下，有的型号也可用到500 kHz乃至MHz范围。
（3）高温高Bs高MnZn铁氧体
氧体在高温环境下仍能保持高Bs和高 的MnZn铁氧体是当前的发展方向之一。国内外公司皆有这种产品问世，311FDK公司的4H45型号产品的磁导率为2000、100℃时的Bs不低于450mT、功耗P<450kW／、Tc高于200℃。这种材料适合于制造工作在高温环境下的感性元器件，如汽车和LCD用的转换变压器等。
（4）高直流偏置MnZn铁氧体
随着高速局域网的快速扩充．一种宽带脉冲变压器成为热门元件。制造这种变压器需要一种能够在高直流偏置状态下仍能保持优良性能的MnZn铁氧体。TDK最新推出的DNW45牌号材料的主要性能为：初始磁导率 为420025％ ，Bs>450mT． 在-40～+85℃范围内． 当其叠加30A／m的直流磁场时，其增量磁导率>3000。
（5）总谐波失真系数低的MnZn铁氧体
xDSL的调制解调器所使用的变压器必须具有很低的THD特性。为了满足这一要求。国外一些公司开发了总谐波失真系数（THD）低的MnZn铁氧体材料。其中TDK的型号是DN40和DN45。它们的初始磁导率分别为500025％及750025％;在0～85℃范围内．其THD分别低于-82 dB及-84dB，频宽为5 kHz。
2.4.2 NiZn铁氧体软磁材料
（1）常规NiZn铁氧体软磁材料系列
NiZn铁氧体的主要特征是细晶粒及多孔性，因而其适用频率范围比MnZn铁氧体高，一般可达300MHz。该材料系列品种规格很多，其初始磁导率范嗣可从10～2000。而且近年来一直没有什么突破性进展，多在改进工艺、降低成本方面做些工作。该材料可应用于各种不同领域
（2）射频宽带用NiCuZn铁氧体软磁材料
由于电磁兼容的需求，抑制电磁干扰的磁珠、扼流圈、EMI滤波器等迅速发展起来。制造这类感性元件所用的铁氧体与普通的感性元件不同，后者都是工作在铁氧体的临界频率之下．而抑制电磁干扰的感性元件却延伸到临界频率之上的很宽的频率范围。此时，不仅复数磁导率的实部起作用，而且其虚部也起着很重要的作用。不再是消极因素，而是对阻抗做出贡献的积极因素。因此，制造这类感性元件所用的铁氧体的频谱曲线应当具有在临界频率之上的很宽的频带中及保持高数值的特征。试验表明，NiCuZn铁氧体软磁材料能够具备这样的特征．特别是其，在1GHz时仍能保持相当的数值。
（3）低温铁结NiCuZn铁氧体磁粉
制造叠层型片式电感器／磁珠的关键是低温结铁氧体磁粉。它在900℃下能与银导体共烧。共烧后，其微观结构致密，磁性能良好，同时不影响银导体的导电性。我国现已自主开发了这种磁粉。它是以NiCuZn铁氧体为基础，采用助熔剂或其它手段将烧结温度降到900℃以下。这种磁粉一般有四种，其磁导率分别为l5、50、125、250，对应的临界频率分别为150、30、10、3 MHz。
2.5 非晶合金软磁材料的特性
非晶合金是将熔融的一定组分的金属液体以每秒钟超过100万摄氏度的速度急速冷却，使金属原子来不及排列成品格，而以杂乱无序或短程有序的状态堆积在一起，形成非晶合金凝聚态， 因此，该材料也称之为金属玻璃。这种软磁材料具有优异的磁性能，而且耐腐蚀、耐磨、韧性好、不容易破碎。这类材料的最佳使用频率为kHz级，其缺点主要是只能以带材卷绕方式制成磁芯．因而大多为环形，难以制造形状较复杂的磁芯。此类材料主要有以下三类：
（1）铁基非晶合金软磁材料
该材料的主要成份为铁硅硼。其典型的饱和磁感Bs>1.50T，矫顽力Hc<2.0A/m，相对磁导率>5000(1kHz)，最大磁导率>200000，功耗P<4.0W/Kg， 电阻率>l30，居里温度Tc>410℃，密度D接近于7.2g/。其最佳适用频率范围为工频至10 kHz。主要用于制造配电变压器、中频变压器、大功率电抗器和功率因素校正器等。
（2）铁镍基非晶合金软磁材料
其主要成份为铁镍硅硼。其典型的饱和磁感Bs>0.5T．矫顽力Hc<4.0A/m， 相对磁导率>7000(1kHz)，最大磁导率>200000。功耗P<30W/Kg，电阻率>125 l30，届里温度Tc>360℃，密受D约为7.5g/ 。其最佳适用频率范围为工频至30 kHz。主要用于制造中频变压器、大功率电抗器及功率因素校正器等。
（3）钴基非晶合金软磁材料
主要成份为钴铁硅硼。其典型的饱和磁感Bs>0.7T．矫顽力Hc<2.0A/m， 相对磁导率>10000(1kHz)，最大磁导率>1000000。功耗P<4W/Kg，电阻率>125 l30，届里温度Tc>500℃，密受D约为8.0g/ 。该材料的最佳适用频率范围可达100 kHz。其磁导率随频率增高而下降的很快，因而不适于制作宽频带感性器件。另外，由于成份中有钴，因而成本较高。主要用于制造高频变压器、脉冲变压器、磁放大器、功率因素校正器等。
2.6 纳米晶合金软磁材料
纳米晶软磁合金具有较高饱和磁感应强度、高磁导率、低高频损耗等特点。随着现代电子仪器、电子设备小型化、轻量化的发展，纳米晶软磁合金表现出越来越大的优势。目前主要有三种铁基纳米晶软磁合金，分别是：牌号为Finemet的Fe-M-Si-Cu-B(M=Nb、Cr、V、W、Mo等)合金，牌号为Nanoperm的Fe-M-B(M=Zr、Hf、Nb、Ta等)合金和牌号为Hitperm的(Fe，Co)-M-B (M=Zr、Hf、Nb等)合金。三者都是采用对非晶前驱体进行纳米晶化的方法制备的，均具有非晶和纳米晶的双相结构，而且纳米晶的晶粒尺寸在10nm 左右。由于纳米晶相与残余非晶相之间存在着交换耦合作用，晶粒尺寸小于畴壁厚度，从而能平衡部分磁晶各向异性，降低合金平均磁晶各向异性，表现出高饱和磁感应强度、低矫顽力、高磁导率以及低高频损耗等优异性能，综合软磁性能显著提高。
这些纳米晶合金软磁材料适合于制作各种感性元器件，如高磁导率纳米晶合金适用于小型电感器、共模扼流圈、EMI滤波器、磁传感器及电磁波吸收等；矩形迥线纳米晶合金适用于磁放大器、浪涌吸收器、高压脉冲变压器等；而低磁致伸缩纳米晶合金则适用于高频功率变压器、平滑扼流圈、高能RF加速腔加载磁环等。纳米磁性薄膜的性能非常优异，其在1000MHz时的磁导率可保持在700以上，这是其它磁性材料所达不到的。但其只能在个别情况下应用．难以广泛应用。在高温环境中使用纳米晶合金软磁材料时，其晶粒长大可能会超过纳米级而导致磁性变坏，这是使用者普遍关心的问题。
3 结论
从上述内容可知，软磁材料五花八门，种类繁多，性能各异。因此，当设计一个感性元件时，恰当地选择软磁材料是十分重要的。一般情况下，所设计的感性元件与所选择的软磁材料应在频率范围及磁导率、磁通密度、损耗水平、温度稳定性、直流偏置、线性度／谐波失真、形状／尺寸、应力、机械强度、价格等多方面相适应，才能取得最佳的效果。