关于软磁铁氧体(ppt)

软磁铁氧体材料基本知识特性参数和定义准确，有一定深度
一、什么是软磁铁氧体？
软磁铁氧体（Soft Magnetic Ferrite)是一种特殊材料，属于磁性材料的一种。

它具有以下四个特点：一是具有较强的电磁吸收能力；二是具有较高的磁阻率；三是具有较强的电磁传导能力；四是具有较低的损耗。

二、软磁铁氧体的特性参数
1、磁导率（Magnetic Conductivity）
磁导率是一种物理量，它表示一个物质对于一定的电磁场有多大的磁导能力，被定义为电磁场导致的电流强度单位时间的变化比例。

电磁场通过材料时，磁导率决定了材料的磁导能力，磁导率越小，材料的磁导能力就越弱。

2、磁滞回线（Hysteresis Loop）
磁滞回线是指磁体在外加的相应磁场的作用下，由抗磁性材料的逆磁化向磁化的过程，然后由磁化向逆磁化的过程，构成的曲线。

它可以完全反映其中一种磁性材料在多次循环变化中的全部特性，因此，磁滞回线也被称为磁体的“心脏”。

3、电感（Inductance）。

软磁铁氧体材料吕迪格尔·德赖尔（Ｒｕｄｉｇｅｒ　Ｄｒｅｙｅｒ）　＜卡施克（Ｋａｓｃｈｋｅ）合资有限公司，格廷根，德国＞　 本文对软磁铁氧体的结构—特性关系进行研究．介绍高磁导率的锰锌铁氧体，功率传导直至２ＭＨｚ的锰锌铁氧体和电磁兼容应用的镍锌铁氧体．讨论工艺的影响，特别是对锰锌铁氧体在还原气氛下的烧结控制以及最佳的还原气氛状态的调节．此外，重点介绍铁氧体在功率传导，照明技术，抗干扰和通信技术领域中的应用．　１．　物理的基本原理　一般惯用的说法是对一种显示铁磁性特性的材料称之为”磁性材料”.在这种情况下,电子自旋的所有的磁距通过交换作用在同一个方向上进行排列(图1a),并被保持到不超过该材料特定的极限温度(居里温度Фc).其可达到的磁性参数,如磁导率,磁通密度等是最大.在一定的条件下,邻近的自旋可以处于反平行的,人们称之为反铁磁性(图1b).最好直观的是,当我们将晶体晶格划分成两个亚晶格时,在此际,每个亚晶格又重新是铁磁性的,但是显示出相反的排列.如果每个亚晶格经不同强度的磁化时,那么通过外界作用的磁化保留是不完全的,存在着一种磁性起作用的材料.人们对这种状态称之为亚铁磁性.(图1c).a) 铁磁性 b) 反铁磁性 c)亚铁磁性图1 磁性的状态带有奇数原子的电子具有不平衡的自旋,以致产生一个外部的磁距.在过渡金属(3d-原子)中,这个数还要大些,因为3d-轨道首先将占据单个的(Hund’sche 规则).表1: 3d-金属或挑选的3d-离子的磁距μBS cTiV CrMnFeCoNiCuZnμB1 2 3 4 5 4 3 2 1 0S c3+Ti4+V5+Cr3+Mn2+Fe2+Co2+Ni2+Cu2+Zn2+μB0 0 0 3 5 4 3 2 1 0(还有其他的价态,在这里没有列举的,但是在铁氧体中具有重要作用的有:例如Fe3+ 的磁距为5个玻尔磁子和Mn3+ 为4个玻尔磁子)所有亚铁磁性的物质(材料)都概括在”铁氧体”之中.最简单的铁氧体的成分是用化学式MeOFe2O3 (或MeFe2O4)来表示.这里Me是一个两价的金属离子,如Mn,Fe2+,Co,Ni,Zn或Mg,或者是这些金属的混合物.一般来说,铁氧体就有一个尖晶石结构(称之为矿物尖晶石的晶格:MgAl2O4).在一个单位晶胞中,可能有64个四面体座和32个八面体座,其中仅有8个四面体座和16个八面体座被占据.在软磁铁氧体种类中,特别是具有应用技术意义的有两组:Ni-Zn铁氧体和Mn-Zn 铁氧体.为此,将说明除了Fe2O3和ZnO外,或者是NiO,或MnO所组成的结晶晶格的结构.为了改善对此获得的性能,可以添加各种不同的掺杂,如CoO,TiO2,V2O5,SnO2,CaO或SiO2.技术上可使用的铁氧体的成分局限于一个相对小的范围内,在这方面,FeO3是位于化学计量的范围或有点超化学计量范围(见图3).图2 尖晶石晶格 图3 Mn-Zn 铁氧体混合物在这个范围内,我们可以用各种不同的成分来确定其需要的性能,例如磁导率,饱和磁通密度或居里温度.铁氧体与一种铁磁性磁体(例如与纯铁)来作比较,那么其区别主要是下列的参数: 纯铁的初始磁导率为100000~200000,约高于最高磁导的铁氧体(μI ≈25000)8倍纯铁的饱和磁感应强度为2.3T,约高于铁氧体(约550mT)值的4倍.铁氧体由于它的氧化物基,具有与半导体(Mn-Zn 铁氧体)或电介质(Ni-Zn 铁氧体)可比较的电导率,对此比金属低约106~1012.由此其后果是诱发的涡流在显著较高的频率时才起作用,所以薄片叠成的纯铁在最大频率到10KHz 时使用,而铁氧体直到GHz-范围还能保持磁性有效的.为了能够说明一种磁性材料的性能,材料特定的磁滞曲线的确定提供一个重要的帮助. 由此可以推导出如初始磁导率和增量磁导率,饱和磁通密度,剩余磁通密度和矫顽磁场强度等参数.虽然目前已经能购买到可以很容易用来确定频率直至10MHz 时的磁滞曲线的仪器(价格约250000ＤＭ),在一般情况分别对单个参数进行测量或计算.1.1初始磁导率μi作为表示一种软磁材料的基本特性,在一般情况下是考虑材料的磁导率.一般的定义是:HBu u ∆∆=01---------------------(1)由于磁滞曲线的非线性,我们立即看到,不可能给出唯一的磁导率.那么确定各种不同的有区别的磁导率要根据当时应用的需要.人们对铁氧体应用初始磁导率μi 作为材料参数,其是用很小的最大磁化磁场(B ≤0.25mT)来定义的:HB u u H i ∆∆=→00lim 1-------------------(2) 试图对μi 进行计算,考虑到材料的内在参数,其相互关系将通过下列公式给出1) :...2+•+=σλK Si E M u --------------------------(3)式中:Ms—饱和磁化强度 Ek—各向异性能 λ—磁致伸缩常数 σ--势能然而,对一个实体的铁氧体的初始磁导率要进行精确分析的计算是不可能的.但是这些公式指出,高磁导率的和最高磁导率的铁氧体的初始磁导率是以高的饱和磁化强度,微小的各向异性和一个理想的晶体结构为先决条件的.然而,当这些先决条件也被满足时,μi 值还很大程度上取决于外界的压力;即材料处于压力下(例如在涂复时或在一个紧绕的绕组中),其磁导率可能下降直至60%.唯一能够精确测定μi 的磁芯形状是环形磁芯.由于他的形状和绕缠线圈的方式,实际上磁力线的走向完全在磁芯内部,磁导率不会由于气隙产生露磁而降低.对于通过绕组产生的磁场H 适用于下面的近似方式:el I N H •=--------------------------------------(4)式中:N—绕组匝数I--测试电流和 L e —平均磁路长度.因此,我们通过少的绕组匝数,小的测试电流和长的磁路长度来获得一个小的磁场.用于测定材料特性数据大多数选择一个外径约为30mm 的环形磁芯,在上面绕上10匝或20匝的线圈.测试电流是通过(仪器侧预先确定)测试电压和仪器的内阻来确定的.如果仪器有较多个测试电压时,那么原则上是选择最低的.按照IEC 规定,作为测试频率值应该选择远低于旋磁性的谐振,所以对所有的材料统一的规定,F ≤１０ＫＨｚ；与此同时，测试温度与室温，即约２５℃．　１．２增量磁导率μａ　如果我们将磁场从接近零开始加上较大的值时，那么将改变磁滞曲线的斜率．如果我们将这个斜率作为磁通密度Ｂ的函数时，那么曲线在Ｂ＝０开始与初始磁导率一起增大，为了超过一个最大值接近１．　HBu u a 01=　－－－－－－－－－－－－－－－（５） 人们对这样获得的磁导率称为增量磁导率μａ，其在功率感抗的设计参数中是一个比μｉ更重要的参数，在较弱的磁场下μａ能够明显的区别与μｉ．超过最大值后，Ｌ值降低并在末端效应中接近１（＝达到饱和磁通密度）．曲线的走向是与温度有依赖关系，图４是表示对２５℃和１００℃的相关性．　图４　增量磁导率μａ作为温度Ｔ的函数　 １．３饱和磁通密度Ｂｓ，剩余磁通密度Ｂｒ，矫顽磁场强度Ｈｃ　由于磁场的增强，首先是外斯畴壁的布咯赫壁位移，在一个非弹性的反转过程之前,同磁化强度的转动导向H 的方向.当所有的磁距被排列时,达到最大的磁通密度(=饱和磁通密度Bs)当磁场H 减小时,由于不可逆的巴克好生一阶跃,曲线不再按磁场增强时的走向.在H=0时,滞留一部分(在外部起作用的)磁感应强度,剩余磁通密度Bs.这与工艺过程,磁芯形状和其他可影响的参数有相互依赖关系.为了使这个剩余的磁通密度为零,必须要接上一个相反极性的外界磁场.这个磁场的强度是一个材料特定的参数,矫顽力Hc.1.4损耗一种磁性介质的每次交流磁化都带有损耗,在很弱的磁化磁场下首先是涡流损耗和后效损耗,在稍强些的磁化磁场( B ≈１０ｍＴ）下还附带有磁滞损耗，在这些范围上，在磁芯中发生的损耗功率直接用Ｗ／ｇ或Ｗ／ｃｍ３来说明． １．４．１　相关损耗因数　ｔａｎδ／μｉ　在一个交变场磁化时,在磁芯中产生的磁通密度B 不是在与施加的磁场的相位中(模拟交变电流和交流电压).在产生的磁化强度与磁通密度之间的角δ被称作为损耗角.损耗角越小,材料的Q 值越高.由于这些原因,品质因数Q 被如下来定义:'''tan 1uu u a ==δ --------------(6)对Q 的精确测量一般的使用一种Q 表,其是按照可调谐的振荡回路的原理来工作的.为了将振荡回路调准到谐振上,对此,测试频率调整到固定置位和电容量无极可变的.因为品质因数的测量只有在绕缠的组件上才有可能,真正的材料品质只能够通过对微小的欧姆分量的外推法来确定.然而由于小的相位角,那么我们获得的Q 值非常的离散,因此要更好的证明是可靠的,质量因数是在规定的绕组的情况下来说明并放弃外推法.可是直至今天还没有标准化的测试方法,因此对不同的生产厂的不同材料依据产品目录值来进行对比是不适宜的.1.4.2 磁滞损耗,涡流损耗和后效损耗一种软磁材料的损耗是有较多的部分形成的,按照JORDAN 2) 可以将其分别成3个单独的相加的参数.即磁滞损耗,涡流损耗喝后效损耗:L f n L f e L H f h R R R R eff n e h v ••+••+•••=++=2 -------------------(7)式中: Rh—磁滞损耗电阻 Re—涡流损耗电阻 Rn--后效损耗电阻h,e,n—相对应的损耗系数为了能够将损耗进行分离,将商 R v /f*L 作为在不同Heff 值时频率f 的函数并且图解的对磁场强度与频率零进行外推. 磁滞损耗时由于材料的反复磁化而产生的.因为磁距进行排列不是完全”无摩擦的”和可逆的,所施加的磁场能的一部分转变为热量.在这种情况下,磁滞曲线的面积是所产生的损耗的量值. 涡流是发生在电导的介质中,当经过时间上的变化时,磁通密度产生诱导的环电压.由此出现的涡流在这方面产生的一个磁感应强度,其方向始终是与外界磁场相反的(楞次定律).由此为了保持由此产生的损耗尽可能的小,人们需要具有高电阻率的或宽磁滞曲线的材料(参见第1.5节). 后效损耗由于驰豫过程而形成的.例如当布咯赫壁由于各向异性的晶体场能使电位阱”深化”,不仅因为阳离子扩散,而且因为支撑内部由热能来源的起伏场.然而如果布咯赫壁在一般情况下承受强大的结合力或完全缺乏时,那么将附加低的后效损耗,磁滞损耗也小(叵明伐型—铁氧体). 1.4.3 功率损耗Pv 在较强的磁化磁场中,将直接测量重量单位的或体积单位的磁芯损耗.按照定义,涡流损耗不应该计算在功率损耗,可是测量技术不可能轻而易举的将其分开.对此,人们认识到其影响,在一个双对数的描绘中,损耗作为频率的函数时,开始的线性上升自一个较低的频率开始,超正比的升高.在这些频率下适用:q P v B f r P ••= -------------------------(8)式中:r,p 和q 是材料常数,通常是烧绕过程能对其有影响,所以必须根据实践经验来确定.(参见图5)图5功率损耗作为频率的函数标准测量位置建立在直至1MHz 的基础上,以一个电压信号与一个电流等值的信号的倍增为底数:φcos ••=I U P -------------------------(9)在这时,电流与电压之间的相位差关系到在磁芯中消耗的能量.为了对测量对象记忆正弦形的电压,功率放大器必须提供高的视在功率和低的内阻.电流将通过一个纯粹的直流电阻来进行测定,由此进行电压测量.紧接着进行电流和电压的倍增. 通常,损耗在室温和100℃下，在磁化磁场为　５０ｍＴ　，１００ｍＴ　和２００ｍＴ时进行测量．频率范围是从１６ＫＨｚ（在黑白电视机中行扫描变压器的频率）在这同时扩展到超过１ＭＨｚ，在此之际对于高频只把低的磁化磁场（≤５０ｍＴ）考虑在内． 由于经过引线和触点的能量反射，在≥１ＭＨｚ范围中进行测量是非常昂贵的和不精确的．所以对于计量目的和试验目的，为了尽可能进行精确的测量，人们应用一种量热的方法． 在这个场合，首先是将样品放到所希望的测试频率中施加规定的磁化磁场，并测量其放出的热量．然后在一个纯粹的直流电阻下用直流电流和直流电压来调整相同的温升，由此可以通过简单的倍增来计算功率损耗． １．５　电阻率ρ 　如在第１．４．３节中提及的，电阻率确定涡流损耗的效应．如果我们对曲线走向用电阻率ρ作为频率的函数时，那么首先时保持恒定并且在较高的频率时才渐近地下降到一个恒定的，较低的值．对此的原因是微晶不同的电导率和其围绕的（绝缘的）晶界．如果取决于价电子和传导带的状态时，按频率情况而定，两个部分的一个占主要部分．结果是在用于高频（ｆ＝０．５－１ＭＨｚ）的功率铁氧体中要求小的晶粒尺寸． 对于功率铁氧体来说，电阻率的一个其他的不判影响是它的温度相关性，并通过玻兹曼—函数给出：　()TK E A eT •−•=0ρρ　－－－－－－－－－－－－－－－（１０）　 在一个激活能ＥＡ为０．１－０．５ｅＶ３）　时可以通过对磁芯进行加热从２０℃到１００℃时，电阻率出现二等分，这将导致在较低的频率时涡流损耗已经开始插入．在测量电阻率ρ时的困难是由于接上了测量导线．由于他的类似半导体的特性，容易有累接阻抗通过绝缘层，使精确的测量失真． 一种常用的可能性是接触铆焊，用银－钯糊剂经丝网印刷．紧接着用可焊的材料进行电镀的覆层． １．６　频率特性 如果我们对曲线的走向用初始磁导率μｉ作为频率的函数时，那么，曲线首先有一段恒定，然后当超过最大值（谐振回路的放大系数）后，陡度较大或较小的下降．初始磁导率越高，这个最大值向较低的频率移动越多．作为经验公式适用于铁氧体的使用频率与１／μｉ成正比．通过适合的粉末制备（特别是研磨细度）和最佳的烧结可以对”频率稳定性”明显地改　善．在频率范围在最大值以上时，这个材料不能再用作规定Ｌ－值的电感，因为制造工艺的最佳化仅被限制在旋磁性的谐振以下的范围上，并且在不同的制造批中磁导率下降可能是不相同的．　图６　复数磁导率的实数部分μ’和虚数部分μ”作为频率ｆ的函数　 １．７　温度特性，居里温度Ｑｃ　　一种铁氧体材料的温度曲线很强烈的取决于他的成分（特别是掺杂）和烧结过程．如在任何一种磁性材料中有一规定的温度，在这个温度（居里温度Ｑｃ）上磁性消失．按初始磁导率前是陡度升高（最初的最大值），然后陡度下降．　和制造的‘精确”，初始磁导率的接近Ｑｃ远低于居里温度之下时,一般情况下还出现一个另外的最大值(SPM=感应的磁导率最大值).对于特殊用途(例如在滤波器铁氧体中)可以对μi(T)—曲线通过掺杂(特别是通过C o O;由于他影响磁晶各向异性常数K1的曲线走向)起作用,使其超过所期望的温度范围时单调地升高.2. 制造方法通常是应用粉末状的金属氧化物或金属碳酸盐来作为原材料,其不仅是可以合成制造而且可以用例如钢回收利用设施产生的”副产品”.在最佳成分的称量后，将原始材料在（用少许的水和有机的粘合剂）湿润之前在一个混料机中进行均匀化。