1高频铁氧体总结

铁氧体材料由于同时具有较高的磁性能和介电性能以及高的电阻率而成为当前磁介多功能材料研究的热点，尤其是随着电子器件和系统不断向着高频发展，对铁氧体高频磁介性能的研究变得尤为重要。由于MnZn铁氧体材料本身低Bs及低电阻率的缺陷，使得MnZn铁氧体材料只能用在3MHz以下的频带，频率再高，则需使用NiZn材料，因为NiZn系铁氧体比MnZn铁氧体电阻率更高，饱和磁通密度Bs为0.3~0.5T，居里温度高于MnZn铁氧体。其性能大大优于MnZn铁氧体，非常适宜在高频中应用。另外，高温时NiO是最稳定的氧化物，故适宜在空气中或氧气中烧结，工艺比MnZn铁氧体简单。铁氧体磁介材料高频应用的瓶颈主要有三个：一是高频的损耗问题，尤其是高频的磁损耗往往比较高，要满足微波器件的使用要求，一般磁损耗正切值至少应控制在0.15以内。二是高频高磁导率问题，如何在提高铁氧体应用频率的同时还能保持较高的磁导率值是一个需要考虑的问题。三是磁介参数的系列化，缺乏磁介参数系列化的铁氧体材料体系，只有形成了材料体系才能更好地满足不同器件的实际需求和用于批量产品的生产。铁氧体磁介性能调制的主要目标是实现高频、低损（包括磁损耗和介电损耗）、特定值（如等磁介）。调控铁氧体磁性能、介电性能和损耗特性的手段比较单一。主要通过以下三种方法来进行调控：(1)改进工艺合成铁氧体磁介材料(2)掺杂/复合铁氧体磁介材料(3)离子取代改性的铁氧体磁介材料高频（5MHz）铁氧体磁介材料的研究现状：HongshuaiJia等为了使宽波段天线小型化，通过传统的固相沉淀法获得单畴Mg0.78Cu0.2Zn0.02Fe1.96O3.94铁氧体，实验结果表明在10MHz到100MHz的频率范围内，单畴MnCuZnFe铁氧体具有良好的磁介电性能，很低的磁损耗因子。详见附1YapiLiu等通过改善MnZn铁氧体的微观组织均匀获得了DMR50B铁氧体，铁氧体的截止频率达到4MHz，使材料可以在超过3MHz的情况下使用。详见附2YunqiWang等通过改变Ni0.4Zn0.6Fe2O4铁氧体粉末和Fe微粒的比例来改善材料在高频率下的磁性能。研究结果表明15vol%NiZn铁氧体和38vol%Fe混合物的频率宽度要比单相高一个数量级，并且它的磁损耗因子和磁导率并没有发生太大的变化当频率增加到150MHz时。详见附3Y.Yan,Member等通过等离子喷涂的方法获得直径约200nm高1umdeMnZ铁氧体厚膜.magneticpropertiesoftheseferritefilmsimproved.Thehigh-frequencyresponseoftheannealedplasma-sprayedMnZnferritesshowsapermeabilityof700stabilizedtoabove10MHz.Themaximumfactoratabout10MHzincreasesfrom5to20asaresultoftheincreaseofthedcresistivity.详见附4Co–Zr–Ogranularfilmswerepreparedbyreactivesputtering.Thefilmsshowstronguniaxialin-planeanisotropyaswellasgoodsoftmagneticpropertiesandhighdcresistivity.Inordertoconfirmtheirelectricalcharacteristicsathighfrequency,thefrequencyandcurrentdensitydependencesofresistivitywereinvestigated.Resistivitywasfoundtobeconstantovertherangemeasured(upto18MHzand100MAm2).Furthermore,thefilmsexhibitvirtuallynohysteresisalongthehard-axisdirectionandhaveverylittleanisotropydispersion.Thefrequencydependenceoftheinitialpermeabilitywasmeasuredandusedtopredictthepowerlossexpectedwhengranularfilmsareusedashigh-frequencycorematerialsforfilminductors.ThepowerlossispredictedtobelowerthanthatofcommercialNiZnferriteforhigh-frequencyapplications.详见附5Fundamentalprinciplestodevelopsoftmagneticmaterialswithhighpermeabiliy,frequency,andpowerarediscussed.Withtheseguidelines,advancedsoftmagneticmaterialsforhighfrequency(1MHz)andhighpowerapplicationshavebeendevelop-edbasedonthreematerialsplatforms:softmagneticnanocomposite(SMNC),modifi-edNiZnferrites(SMNZ3M),andferroxplanarferrites(SMMDFZ).SMNZ3Mcanbeoptimizedforapplicationsinthefrequencyrangeof1-30MHz,andSMNCandSMMDFZcanbeusedabove10-500MHz.OurresultsshowSMNZ3Mhashighfrequencypropertiesthataresuitableforpowerelectronicsapplications.详见附6电子科技大学张等采用固相反应法制备了一系列的NiZn尖晶石/BaCo-Z六角复合铁氧体，Ni0.4Zn0.6Fe2O4+xBa3Co2Fe24O41(x=0,5,10,20and30wt%，两相铁氧体的复合对材料的微结构和烧结性能有着显著影响，从而表现出宏观磁性能和介电性能在大范围内的可调性,高频磁损耗和介电损耗比单相的NiZn和BaCo-Z铁氧体都要低。通过调节两相的复合比例，可以大幅度地改变复相材料的微观结构、烧结密度等，而微观结构、烧结密度等是影响铁氧体宏观磁性能和介电性能的重要因素，因此，通过改变复合比例可以十分方便的在大范围内调控复合材料的磁性能和介电性能，效果明显。详见附8电子科技大学张怀武、张云燕等在材料LT50方面，首先，在掺入1wt%Bi2O3的前提下，用Nb取代主配方Ni0.38Cu0.28Zn0.34Fe2O4中的Fe。使得材料在900℃烧结下实现致密化；然后，微量调整助熔剂Bi2O3的含量，系统研究了Bi2O3对材料性能的影响；为了实现材料的高品质因素，进一步掺入Co2O3，研究表明，当掺入1.2wt%Co2O3时，样品的Q值在5MHz时可以达到171。2008年，新加坡国立大学的L.B.Kong和M.Teo等人采用Co取代Li1+和Fe3+开发了一种Li0.5-0.5xCoxFe2.5-0.5xO4铁氧体磁介材料，发现Co取代可以大幅地调节材料的磁导率和磁损耗，介电常数和介电损耗也随Co取代量在一定范围内变动，并最终获得了在3-30MHz频段内具有较好磁介性能的Li铁氧体材料。2001年，韩国InhaUniversity陶瓷工程系的K.S.Park,J.H.Nam等研究了WO3添加剂对NiCuZn铁氧体材料磁性能的影响，WO3可提高铁氧体的电阻率，在10MH下铁氧体磁导率无明显变化，且仍有较高的品质因素，适量WO3的添加可提高材料的截止频率。桐乡特丽优电子科技有限公司公开了一种镍锌铁氧体材料及制备方法，其主相为尖晶石结构，主要组成包括FeZ03、zno、MnO、NIO和CoO，其组成含量以氧化物计算为Fe203为46mol%一49mol%;ZnO为2mol%一5mol%;MnO为0.1mol%一1.0mol%;NiO为41.7mol%一48mol%;在较大工作电流下具有宽频低电磁损耗和良好宽温稳定性，能用于制作工作频率在30MHz以内的各种高频无极灯功率祸合器的镍锌铁氧体材料。该材料在5MHz一30MHz高频范围内具有极低的电磁损耗，在2.5MHz一3MHz频率时其品质因素Q在200以上，在30MHz频率时其品质因素Q在80以上，在这么宽的频率范围内都具有良好的电磁损耗特性，这能够保证该材料能很好地应用于工作频率在30MHz以内的任何无极灯中。专利号为200810069637.0的高频大功率镍锌基软磁铁氧体材料其主成分为:Fe203、ZnO，余为NiO;离子替代成分为:Co304、MnCO3、CuO中含有Co3O、的一种或多种;化合物组合掺杂为:V205、Bi203、Ta205、ZrO2、CuO、Nb205、Co304中的2~3种配方优化组合设计，以及采用高频大功率镍锌基软磁铁氧体材料制造方法，获得高电磁性能、高强度和高频低损耗的NiZn基铁氧体材料。用于1~30MHz的大功率设备，如变压器、感应器、滤波器和调谐器等磁芯。张强原等开发了一种高频低损耗高饱和磁通密度软磁铁氧体材料及其制备方法，铁氧体材料由主成分和副成分组成，所述主成分以各自氧化物计算分别为Fe2O3:54.5一55.5mol%，ZnO:3.5一6mol%，Co2O3:0.10一0.25mol%，其余为MnO;所述副成分包括Nb2O5、CaCO3、V2O5、ZrO2和Ta2O5中的一种或几种。通过控制主成分、副成分的组成及含量，优化烧结工艺，所制备的高频铁氧体磁心在IMHz50mT下100℃功耗小于100kw/m3，5MHz10mT下100℃的功耗小于100kw/m3，100℃下的饱和磁通密度达到450mT，使软磁铁氧体材料同时具备高频低损耗、高磁通密度的性能。浙江大学专利号201710453159.2开发了一种具有高频低温度系数低损耗MnZn软磁铁氧体材料及其制备方法，该材料以Fe2O3、ZnO、MnO为主成分，本发明的创新性在于通过合适的成分配比，离子复合掺杂与替代和材料制备技术，形成了无畴壁结构，抑制了畴壁共振，得到的MnZn功率铁氧体最高可以在5MHz的频率下工作，且该材料具有较高温度稳定性和较低功率损耗。兰州大学饶汝聪通过调整配方、工艺条件和添加剂比例，不断优化NiCuZn铁氧体磁粉的性能得到了工作频率为13.56MHz的NiZnCu铁氧体磁粉，且能够实现NFC在手机上应用的NiZnCu铁氧体柔性烧结片。国内外已经开发出来的高频铁氧体磁介材料日本TDK公司开发出的GT系列的铁氧体的参数如下所示。材质使用频率（MHz）初始磁导率损失系数tan/i10–6温度系数10-6/℃居里温度Tc℃饱和磁通密度Bs/mT剩余磁通密度Br/mT矫磁力HcA/m电阻率ΩˑmGT30.4to10120±25%≤100(10MHz)8to18≥250400240350≥105GT40.5to2070±25%350[20MHz]–1to5300360260700≥105GT610to8012±25%350[20MHz]–1to53001902301602700≥105GT100.5to3045±25%–5to5300320250350≥105东磁有限公司生产的DN10H~DN5H系列铁氧体，其性能参数如下。天通公司开发的TN2D、TN6D系列铁氧体材料，其性能如下所示。TN2D材料的性能：TN6D材料的性能