1 引言
以MnZn鐵氧體為代表的功率鐵氧體作為開關(guān)電源變壓器磁芯的需求量越來越大，國內(nèi)各大企業(yè)均以超常規(guī)的速度跨躍式的發(fā)展壯大，產(chǎn)量連年大幅度地增加，由此帶動MnZn鐵氧體制造有關(guān)的化工原料、生產(chǎn)設(shè)備、測量儀器及輔助材料產(chǎn)業(yè)也十分繁榮。為滿足市場需要，生產(chǎn)廠商必須不斷研發(fā)出更具新意的功率鐵氧體磁芯來擴(kuò)大市場份額。縱觀功率鐵氧體近30年的發(fā)展歷史，高頻化、低損耗化一直是該類材料發(fā)展的主要軌跡。開關(guān)電源變壓器的驅(qū)動頻率由10kHz左右上升到100-500kHz頻率范圍。在100kHz、200mT條件下測量材料功率損耗也由初500kW/左右降至不足200kHzW/。功率損耗的變遷示意圖如圖1所示。
功率鐵氧體材料的低耗化是功率鐵氧體長期的研究課題。低損耗功率鐵氧體材料的研究，一方面要研發(fā)更低損耗的功率鐵氧體以滿足許多新興領(lǐng)域的需要，二是需將實驗研究的低耗功率鐵氧體實現(xiàn)量產(chǎn)化。降低磁芯損耗，在理論上主要是從微觀結(jié)構(gòu)入手，研究晶粒形狀尺寸及晶界雜質(zhì)分布密度與均勻性，實驗上則是結(jié)合各自實際情況，開展實驗技術(shù)研究，找出工藝組合，國內(nèi)外研究文章都是圍繞上述二個方面進(jìn)行論述的。
本文介紹低損耗MnZn鐵氧體國外研究成果，包括陰離子存在對MnZn鐵氧體晶界特性的影響及不同工藝參數(shù)與微結(jié)構(gòu)對功率損耗的關(guān)系兩個方面，希望對國內(nèi)同行有所幫助。
2 陰離子對MnZn功率鐵氧體晶界結(jié)構(gòu)的影響及其與功耗的關(guān)系
摻雜技術(shù)是MnZn功率鐵氧體制造過程中關(guān)鍵技術(shù)之一。在目前情況下，準(zhǔn)確選擇雜種類、摻雜量成為一個企業(yè)核心的問題。國內(nèi)外對于陽離子對材料電磁特性的影響的研究十分廣泛深入，各自都總結(jié)出了一套適合自身工藝條件的摻雜技術(shù)，而關(guān)于陰離子對材料電磁特性的影響研究甚少，甚至忽略了這方面的研究。而作為MnZn鐵氧體主要原料的由氯化鐵或硫酸鐵水溶液制取，氯離子及硫酸離子對材料電磁特性的影響是不可忽視的。
2.1 實驗結(jié)果
圖2示出不同含S量情況下，磁芯在100℃時的功率損耗特性。圖中的S量是鐵氧體粉中硫酸離子量換算而成的。從圖中可見，伴隨著S量的增加，功耗值增大，延長各種不同含S量情況下，損耗頻率特性至與縱軸的交點及各種不同含S量損耗頻率特性的斜率可以看出，含S量的增加是同時增加了磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗由于含S量的增加而增加， 通過測量100℃下含S量對矯頑力和剩磁的影響也可充分說明，結(jié)果見圖3、圖4。
渦流損耗隨含S量的增加而增加，從渦流損耗表示式（式中的為渦流損耗，C是由形狀決定的常數(shù)，d是渦流直徑，為勵磁磁通密度，ρ是電阻率）可知，通過測量材料電阻率隨含S量變化即可得到證實。含S量對材料體電阻的影響如圖5所示。從圖中可以看出，含S量的增加確實減少了材料的電阻率，進(jìn)而導(dǎo)致渦流損耗上升。
2.2 產(chǎn)生機(jī)理
在通常情況下，分析某種雜質(zhì)含量的變化導(dǎo)致材料、上升，即被認(rèn)為這種雜質(zhì)的存在導(dǎo)致在燒結(jié)體中疇壁移動被抑制。作為抑制疇壁移動的主要原因是鐵氧體燒結(jié)體的晶粒內(nèi)有某種異相的析出。分析這種異相析出的原因可以認(rèn)為是由于鐵氧體內(nèi)陽離子鐵缺陷量的增大而引起疇壁的釘或者是的變化而導(dǎo)致各向異性磁場的變化等等。在上述理論分析基礎(chǔ)上，對鐵氧體化學(xué)表示式中表示陽離子或氧離子缺陷的氧剩余量r值及鐵氧體中量隨含S量的增加的變化進(jìn)行了測量，實驗結(jié)果如圖6、圖7所示，從圖中可以看出，含S量的增加對r值、/Fe量均沒有明顯地影響。圖6、圖7的實驗結(jié)果否定了上述的理論分析。說明含S量的增加不是引起晶粒內(nèi)結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致疇壁移動被抑制，終引起材料損耗增大的原因，而是由于晶界結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而導(dǎo)致晶界壁層的厚度減少所致。
用TED-EDS進(jìn)行了斑點分析（斑點尺寸為φ25mm）對不同S量的粒界周圍Ca的分散狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，用衡量Ca量分散程度的C·V值進(jìn)行表示。C·V值（%）=σ/x×100（σ是從沿晶界Ca含量數(shù)據(jù)求得的標(biāo)準(zhǔn)偏差，x是從沿晶界Ca含量數(shù)據(jù)求得的Ca量的平均值），該式表示，C·V值越大，Ca的分散程度越大。實驗測得的C·V值與含S量的關(guān)系如圖8所示。隨著含S量的增加，C·V值越來越大，由此可見，隨著含S量的增加，晶界上的Ca非均勻分散越明顯。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，沿晶界邊界Ca的不均勻分散是由于硫酸離子的過量存在與MnZn鐵氧體制備過程中必須添加的Ca離子反應(yīng)生成，而很難分散成CaO和所至。