發展
軟磁材料在工業中的套用始於19世紀末。隨著電力工及電訊技術的興起,開始使用低碳鋼製造電機和變壓器,在電話線路中的電感線圈的磁芯中使用了細小的鐵粉、氧化鐵、細鐵絲等。到20世紀初,研製出了矽鋼片代替低碳鋼,提高了變壓器的效率,降低了損耗。直至現在矽鋼片在電力工業用軟磁材料中仍居首位。到20年代,無線電技術的興起,促進了高導磁材料的發展,出現了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。從40年代到60年代,是科學技術飛速發展的時期,雷達、電視廣播、積體電路的發明等,對軟磁材料的要求也更高,生產出了軟磁合金薄帶及軟磁鐵氧體材料。進入70年代,隨著電訊、自動控制、計算機等行業的發展,研製出了磁頭用軟磁合金,除了傳統的晶態軟磁合金外,又興起了另一類材料——非晶態軟磁合金。
存在的問題
縱觀中國磁性材料發展這么多年,取得這樣的成績,主要還是在於生產規模的擴大和生產硬體的投資。大批量產磁性產品的技術性能水平與國際先進水平還有一定的差距。中低檔產品價格在無利潤邊緣競爭,無序而無規則。企業對高技術套用領域的磁性產品開發力度不夠,不能首先占領新套用領域。在國內設備製造業沒有按照新磁性產品生產需要而更新創新,高檔材料的製造設備均靠引進。
中國磁性材料與國外差距具體表現在以下幾個方面:
(1) 產品質量水平存在差距中國軟磁材料的研究水平近幾年來取得非常顯著的進步,與國際同行相比有較大的提高,這主要與各企業以先進的同行為發展與競爭目標分不開,表一是天通軟磁材料水平與國際同行相比較結果。中國軟磁性材料水平有了一定的提高,但是很多新材料研發成果並沒有真正轉化為大生產,導致批量產品質量水平仍然存在一定的差距。除了材料水平外,產品性能一致性差、外觀差、缺少名牌、供貨不及時等因素很大程度上制約了中國磁性材料質量的快速提升。目前中國大批量生產軟磁鐵氧體的技術質量水平並不高,功率鐵氧體的性能相當於日本TDK 公司產品的PC30 和PC40 牌號;高磁導率鐵氧體的μ 值約在7000~10000 間;只有極個別單位能穩定小批量生產PC44牌號功率鐵氧體和μ 值10000 以上的高磁導率鐵氧體。
(2) 價格差異從圖5 得知,中國磁性材料的平均出口價格約3.6 美元/ 公斤,而平均進口價格則在7 美元/ 公斤左右,中國磁性材料的進出口差價太大。而對於軟磁方面,從國際市場售價來看,我國產品十分低廉,家用電器等用大磁芯,每噸售價約在1.5 萬元左右,通信用小磁芯每噸售價約在3 萬元左右,僅為日本同類產品價格的1/2~1/3。在釹鐵錋方面,中國占世界產量的77% 但只擁有57% 的產值,產值與產量比值僅為0.74,遠遠小於日本的1.81 和歐洲的3.0。這除了銷售渠道的原因外,還與我國產品檔次低下、性能一致性差、外觀差、缺少名牌、供貨不及時等因素有直接關係。我國大多數軟磁企業生產長期滯留於低檔次產品,一方面影響本身技術水平和管理水平的提高,另一方面由於售價低、贏利水平低下,影響了擴大再生產,造成原材料及能源等資源的浪費,難以形成良性循環。通過適度發展我國高檔次軟磁鐵氧體,對改善現有產品結構、增強競爭力、擴大與變壓器、電感器等的配套以及出口創匯力度都具有非常重要的現實意義。
發展趨勢
電子信息產業的高速發展,對高頻電感元件(如高頻變壓器、小型電感器等)也提出了各種新的要求,隨之也要求改進和提高作為電感元件的主要組成部分——鐵氧體磁芯的性能。因此,對軟磁鐵氧體材料及磁芯元件也提出了更高的材料標準和要求,如元器件的小型化、片式化、高頻化、高性能、低損耗等。在軟磁鐵氧體中,目前需求量最大及對性能改進要求最為迫切的材料是高頻低功率損耗鐵氧體材料和高磁導率鐵氧體材料。高頻低功率損耗鐵氧體材料主要用於各種高頻小型化的開關電源(如AC-DC、DC-AC 變換器)及顯示器回掃變壓器等;高磁導率鐵氧體材料則主要用於寬頻變壓器、脈衝變壓器用抗電磁波干擾器件等。據報導,這兩種材料的產量已經占全部軟磁鐵氧體總產量的60%以上。對功率鐵氧體材料的主要要求是:較高的磁導率(mi2000)、高的居里溫度(Tc)、高表觀密度(d)、高飽和磁感應強度(Bs)和高頻下的超低磁芯損耗(Pc)。對高磁導率鐵氧體材料的主要要求是:高的磁導率(mi12000)、高表觀密度(d)、高頻低場下低的磁芯損耗(tand/mi)和優良的頻率擴展特性(f-L)。對鐵氧體磁芯元件本身的主要要求是:最佳的電磁性能及性能的一致性、精確的機械尺寸及足夠的機械強度和良好的工藝質量(包括外觀質量和外形缺陷等)。
縱觀近幾年各國軟磁鐵氧體生產量的變化可以看出,世界軟磁鐵氧體的生產格局已經發生了很大變化。今後幾年,日本、美國和西歐各國的軟磁鐵氧體生產雖然將繼續保持負增長,但為充分利用亞太地區廉價的勞動力資源和原材料資源,這些國家的一些企業,如:Philips、Siemens、TDK、TOKIN、FDK、日立、川鐵等在該地區(主要集中在中國大陸、台灣,印度以及東南亞各國)建立的鐵氧體工廠(主要生產MnZn 鐵氧體)的產量卻不斷增加,並且,這些企業向亞洲轉移其生產工廠的趨勢也正在加劇。已開發國家鐵氧體工廠的大量湧入,勢必將會進一步加劇該地區在軟磁鐵氧體生產上的競爭。
早在 1996 年,美國國際磁性材料諮詢公司高級顧問W.G. Hart 以及奧地利專家M. J. Ruthner 曾對全球軟磁行業作了評估,認為世界軟磁鐵氧(其中60%為MnZn 鐵氧體)需求量的平均增長速度在以後的幾年中將繼續保持在1015%的水平,那么到2000 年全球軟磁鐵氧體總量將達到30 萬噸,事實上這個估計還是比較客觀的。可以預測,儘管在以後的幾年中,由於世界電子行業的需求,軟磁鐵氧體的產量仍將有較大幅度的增長,但是競爭肯定將會變得更為激烈。因此,如何降低成本、提高效率、提高產品檔次及市場競爭力將成為各個企業在競爭中能否成功的關鍵。這樣,對各個企業來說,加強科學管理與技術創新就顯得更為重要。
從原則上講,磁性材料的巨觀性質與其微觀結構密切相關,要提高材料的巨觀磁性能,就必須在磁性量子理論的指導下從分析、改進其微觀結構入手,以獲得相應的巨觀磁性能。目前對納米材料的研究及材料設計科學正是基於這樣一種思想而發展起來的,即從第一原理(量子力學原理)出發來進行材料設計。在磁性材料方面,隨著現代科學技術的發展,量子理論對自鏇有序材料的成功解釋及量子理論與微磁學的結合,磁性材料的發展已經進入了材料設計階段,並進入了納米時代。從材料設計的角度來看,對高性能超低損耗功率鐵氧體材料,應採用細密均勻晶粒方案,這就要求在製備超低功耗功率鐵氧體材料時,除合理的主配方、採用複合摻雜體系添加適量的微量元素以及良好的燒結工藝外,更重要的是還應通過調整燒結溫度和氣氛來嚴格控制其顯微結構,如晶粒的大小及分布、晶界結構、燒結密度等,使晶粒的分布儘可能地窄,並通過納米結構控制技術來形成數量眾多、總面積很大的高電阻晶界區;為有效抑制高頻下迅速擴大的渦流損耗,還應設法提高晶粒本身的電阻率。
理論和實踐都證明,要獲得頻率特性好、磁導率高(mi15000)的高磁導率鐵氧體材料,材料的晶粒尺寸應大(D40m)而均勻,粒徑分布要窄,氣孔率要低,晶界應直而均勻,燒結體內部的應力要小,同時應努力增加疇壁數,以提高材料的起始磁導率mi。在MnZn 鐵氧體中,由於起始磁導率和損耗都是結構敏感量,受微觀結構的影響很大,所以對高磁導率鐵氧體材料還應選用K1 和ls 都小的成份,同時,還要通過使添加的微量元素高濃度地偏析在晶界來控制內部應力。在燒結方面,應通過嚴格控制燒結溫度、燒結時間和燒結氣氛,同時採用燒結調節物來防止鋅揮發(因為鋅揮發不但容易使燒結體內部和表面附近的成份產生差異,而且容易使主成份發生偏離),以獲得密度高、晶粒大、晶粒尺寸均一的燒結體,只有這樣,才能獲得綜合性能優異的高起始磁導率材料。
將軟磁合金粉末與粘結劑和絕緣劑混合均勻後壓制而成的磁粉芯材料是製作電感器件,尤其是高頻、大電流和大功率電路中電感器件的關鍵元件,像永磁材料中的粘結磁體一樣,其產品種類幾乎遍及金屬軟磁材料的各個領域,常規的Fe 系粉芯雖然價格低廉,但高頻特性不佳,Fe-Ni 類粉芯和Fe-Ni-Mo 類磁粉芯由於其Ni 含量較高(達50~80%),所以成本很高。另外,還有FeSiAl 系、Fe-Cr系、Fe-Co 系等等幾類磁粉芯。與它們比起來,用FeCuNbSiB 納米晶合金材料製作的磁粉芯,由於特別適合於做高頻、大電流和大功率條件下的各類開關電源、變換器及PFC 技術中的扼流圈、濾波電感及貯能電感等等,其市場前景很好。目前磁粉芯產品的發展勢頭很好,有望成為軟磁材料中的一個新的增長點。
另外,納米科技的發展在給傳統磁性產業帶來跨越式發展的重大機遇和挑戰的同時,也給傳統軟磁鐵氧體材料性能的提高提供了另一個切實可行__的方法,因為用納米技術改造傳統產業和對現有材料進行納米改性也是納米科技發展的重要方向之一。利用納米材料的優異性能和特殊結構來全面提高傳統軟磁材料的綜合性能的優點是在不用對現有設備進行大的技術改造的前提下,就可以達到全面提高企業傳統材料的技術含量及質量等級的目的,並具有突破一點帶動一片的戰略意義。目前在這方面國內外已經做了大量研究工作,也取得了較快的進展,在有的材料領域已經有商品問世,所以提高傳統軟磁材料性能的研究中不失時機地抓住這一機遇同樣具有重要意義,而這一點往往被國內業界所忽視。如果在這方面的研究中能取得突破,將對我國傳統磁性產業的發展起到巨大的促進作用,對我國磁性產業的可持續發展也將具有十分重大的意義。
總之,軟磁材料今後仍將沿著高 Bs、高m、高Tc、低Pc、低Hc 和高頻化、小型化、薄型化方向發展,以滿足磁性元件的日益薄膜化和小型化,甚至集成化的趨勢。在今後10 年內,軟磁鐵氧體材料重點要發展高頻低功耗、高磁導率材料和片式化的表面貼裝元件;在非晶軟磁合金和磁記錄材料及高頻軟磁合金方面則重點發展納米材料。
結語
在軟磁材料的發展過程中,20 世紀30 年代前為金屬軟磁的一統天下,五六十年代為軟磁鐵氧體的黃金時代;自從70 年代初開發成功非晶態軟磁合金,80 年代末期開發成功納米晶軟磁材料以來,相繼又發現了許多高起始磁導率和低矯頑力的納米晶軟磁材料,近年來又開發了許多高頻特性優良的納米顆粒結構的軟磁材料。90 年代以來,納米結構的金屬磁性材料的崛起,已經成為軟磁鐵氧體有力的競爭者。目前傳統的鐵氧體軟磁材料正朝著提高綜合性能指標的方向發展。