一、綜述
軟磁材料由于具有磁電轉(zhuǎn)換的特殊功能，在各種電子產(chǎn)品及器件生產(chǎn)中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。具體來說，它是作為各種電感器件而被廣泛采用的，而各種電感器和變壓器的應(yīng)用，便是其中兩種*重要的實例。目前世界上廣泛使用的軟磁材料主要有金屬軟磁、鐵氧體軟磁、非晶微晶軟磁和金屬軟磁粉芯等四大類軟磁材料。
*初，人們把低碳鋼作為金屬軟磁來用。20世紀(jì)初，人們研發(fā)出了鐵硅系軟磁材料和鐵鎳系軟磁材料的坡莫合金。硅鋼在變壓器設(shè)計中的應(yīng)用，極大地推進(jìn)了輸變電工程的發(fā)展，對于推進(jìn)社會進(jìn)步起了極大的作用。隨后，人們又相繼研發(fā)出了鐵鋁系、鐵鉻系軟磁材料。20世紀(jì)中期，隨著電子工業(yè)飛速發(fā)展的需求，人們又研發(fā)出了三元系、四元系、五元系的軟磁材料。于是出現(xiàn)了超坡莫合金軟磁材料、硬坡莫軟磁材料和鐵硅鋁等各種多元系的軟磁材料。由于各種新型金屬軟磁材料的出現(xiàn)，又極大的推進(jìn)了變壓器和電感器等各種電子元器件的發(fā)展和應(yīng)用。由此，又促進(jìn)了各種新的、具有高性能的電子產(chǎn)品的相繼出現(xiàn)和應(yīng)用，從而推進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
金屬軟磁材料具有高的飽和磁感和磁導(dǎo)率等優(yōu)點，如各種硅鋼的飽和磁感高達(dá)1. 8-2.2特斯拉，而超坡莫合金的初始導(dǎo)磁率達(dá)10萬以上，*大導(dǎo)磁率可達(dá)100萬以上。這些優(yōu)異的磁性能對于它在各種電子元器件上的應(yīng)用具有極為重要的意義。特別是硅鋼在各種大功率變壓器的應(yīng)用，至少在目前是沒有任何其它材料可取代的。但金屬軟磁*致命的缺陷是損耗大，特別是在高頻情況下，隨著頻率的增加由于其電阻率低使得渦流損耗劇增，從而極大的限制了它的使用。而這種損耗是以發(fā)熱的形式消耗功率，因此在某些必須用它的地方，如大型功率變壓器等的應(yīng)用上就不得不在設(shè)計中考慮冷卻和散熱的問題了。其次，由于其磁性能穩(wěn)定性差、太嬌氣等缺陷，也常常使各種器件設(shè)計人員感到頭痛。
為了降低金屬軟磁的損耗問題和頻率穩(wěn)定性的提高，人們又研發(fā)出了各種軟磁鐵氧體材料。鐵氧體材料是由某些金屬氧化物，在高溫下生成的一種具有鐵磁性的復(fù)合氧化物。鐵氧體材料由于具有高的電阻率，所以鐵氧體軟磁材料相對于金屬軟磁來說，其損耗大大降低、頻率穩(wěn)定性好。從而大大的擴大了使用頻率范圍。特別是在幾十兆乃至上百兆赫的超高頻情況下，更是具有無與倫比的優(yōu)點。鐵氧體軟磁的另一大優(yōu)點就是具有高的有效導(dǎo)磁率，且能控制其一定的一致性范圍，這對于使用特別是作為電感器件來使用，是具有重要意義的。但鐵氧體軟磁材料也有一個致命的缺陷，那就是其飽和磁感較金屬軟磁來說要低許多。所以，在使用中常常為其飽和問題深感頭痛。雖然人們利用開氣隙的方法來彌補，但這要犧牲一些其它性能，且這種改善也是有限的。由于鐵氧體材料的居里溫度較低，所以溫度穩(wěn)定性較差，這些缺陷也使得軟磁鐵氧體在使用中深感不足。
非晶微晶軟磁是人們通過快淬技術(shù)獲得的一種新型軟磁材料，在20世紀(jì)六、七十年代，國內(nèi)外先后研發(fā)出各種系列具有良好性能的非晶微金軟磁材料，并己廣泛使用。這也是軟磁材料發(fā)展史上的一個巨大的成果。它除了生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)成本較低外，作為軟磁材料它具有高的飽和磁感和磁導(dǎo)率及比金屬軟磁低的損耗，也都是其主要的優(yōu)點。作為各種電感磁芯，特別是各種變壓器磁芯獲得了廣泛的應(yīng)用。其主要缺陷是性能穩(wěn)定性差，且和金屬軟磁一樣，無法控制磁性能一致性范圍，并且耗損也還是較大的，也是不能較好的滿足科技發(fā)展的需求。
為了滿足各種科技領(lǐng)域發(fā)展的需要，人們一直在設(shè)法研制一種具有良好綜合性能的新材料。這種新材料希望它在具有高的飽和磁感和高的磁導(dǎo)率的同時，也希望它的損耗盡量低，且磁性能穩(wěn)定性好的新型軟磁材料。通過人們不懈的努力，一種具有良好綜合性能的軟磁材料——金屬軟磁粉芯終于誕生了！它的出現(xiàn)可以說是科技發(fā)展史上一項極為重要的成果。
二、金屬軟磁粉芯簡介
由于我國金屬軟磁粉芯的研發(fā)和使用較之國外先進(jìn)國家落后許多，對這種新型軟磁材料缺乏全面的認(rèn)識和了解。在此，我不得不對它作一些簡要的敘述和介紹。
什么是金屬軟磁粉芯呢？金屬軟磁粉芯是用金屬或合金軟磁材料制成的粉末，通過特殊的工藝生產(chǎn)出來的一種具有良好綜合性能的新型軟磁材料。對于金屬軟磁粉芯的稱呼，目前國內(nèi)外都比較混亂。如國外一般稱它為磁粉芯，我國有不少人稱它為鐵粉芯，也有稱為金屬磁粉芯的。我以為以上稱呼都是不確切的、不全面的，易于和其他類材料混淆。如磁粉芯顧名思義即磁性粉末做成的磁芯，按此定義，硬磁的釹鐵硼材料、硬磁和軟磁的鐵氧體材料都可以稱為磁粉芯。鐵粉芯只是金屬軟磁粉芯中的一個系列，它不能全面代表金屬軟磁粉芯的各個系列材料。金屬磁粉芯的稱呼也是不全面的，它沒有突出其軟磁特性，一些硬磁合金如鋁鎳鈷等也都可制成金屬磁粉芯。因此，我們希望能給它一個確切全面的稱呼——金屬軟磁粉芯。對于金屬軟磁粉芯的稱呼，目前在國內(nèi)外正越來越為世人所接受。按照上述金屬軟磁粉芯的含義，所有的金屬或合金軟磁材料均可用來生產(chǎn)各種的金屬軟磁粉芯。而目前世界上廣泛使用的主要有鐵粉芯（iron cores）、鐵硅鋁磁粉芯（sendust cores）、高通量磁粉芯（high flux cores）和鉬坡莫磁粉芯（Mpp cores）等四大系列。近年由于科技發(fā)展的需要，對綜合性能良好的非晶微晶磁粉芯及用于太陽能發(fā)電機和各種微型玩具電機轉(zhuǎn)予以及廣泛用于一體成形的鐵硅系磁粉芯等的研發(fā)和應(yīng)用，也都取得了很大的進(jìn)展。
金屬軟磁粉芯由于其生產(chǎn)工藝上的特殊性，目前以環(huán)形和EE、EI及UU、UI等較簡單的形狀而使用。環(huán)形磁芯從中3. 6～77. 8mm的各類金屬軟磁粉芯，目前國內(nèi)外均已形成標(biāo)準(zhǔn)系列化的產(chǎn)品供使用選購。E、U型的各類金屬軟磁粉芯，E800以下的磁芯（即長邊為80mm）也都市場化了。*大的TE450（即長邊為114mm）的鐵粉芯，微晶公司也在批量生產(chǎn)。鐵粉芯從μel0～100的各類材質(zhì)主要有-2材質(zhì)（μe10）、-28材質(zhì)（μe22）、-33材質(zhì)（μe33）、-8材質(zhì)（μe35）、-18材質(zhì)（μe55）、-40材質(zhì)（μe60）、-26材質(zhì)（μe75）、-52材質(zhì)（μe75）和復(fù)合鐵粉芯-45材質(zhì)（μe90～100）等為目前主要使用產(chǎn)品。三種合金系列μe26、μe60、μe75、μe90、μe125等均已形成環(huán)形和E型等系列化產(chǎn)品。合金系列中，鐵硅鋁*高可做到μe147，高通量磁粉芯*高可達(dá)μel60，而MPP類μe200～500的各性能檔磁芯也均己面市。
總的來說，金屬軟磁粉芯它既保留了金屬軟磁和鐵氧體軟磁的各種優(yōu)良特性，同時又*大限度的克服了二者的一些缺陷。所以說金屬軟磁粉芯在當(dāng)今廣泛使用的四大類軟磁材料中，是一種綜合性能*好的新型軟磁材料，其主要特性如下：
1．具有高的飽和磁感應(yīng)強度，其中鐵粉芯高達(dá)1. 5T，高通量可達(dá)1.3T，而其中*低的MPP類磁芯也在0.8T左右。而目前工業(yè)上大量使用的鐵氧體軟磁，*高的僅0.4T左右。在這一點上，它是保留了金屬軟磁的優(yōu)點，而遠(yuǎn)比鐵氧體軟磁為優(yōu)。這在設(shè)計使用中，對于實現(xiàn)大容量和小型化是有利的。
2．具有高的有效導(dǎo)磁率，這是具有重要實用意義的。各系列金屬軟磁粉芯的有效導(dǎo)磁率前面已述，其中MPP類可高達(dá)Ye550。我們曾將0.Olmm厚硬坡莫合金FeNiNbMoAl合金超薄帶分條、經(jīng)電泳涂層卷芯處理后，其肛。達(dá)16萬左右，而Y高達(dá)80萬以上�？墒俏覀冊�10KHz、1V.下測試№僅60左右。且在使用中視如寶貝，非得小心翼翼才行。而金屬軟磁粉芯則摔摔碰碰也無所謂。
3．磁性能穩(wěn)定性好，這是它優(yōu)于其它類軟磁材料的又一大優(yōu)良特性。不管是頻率穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性還是時間穩(wěn)定性上都是非常良好的�！韑25的各類合金軟磁粉芯在l00kHz使用時具有良好的頻率穩(wěn)定性。而μe90的適合于100～150kHz使用，μe75在150～250kHz下使用，μe60在300～500kHz下使用為好，500kHz以上則以使用μe26以下各類合金軟磁粉芯為宜。各類合金系列軟磁粉芯的溫度系數(shù)在500ppm以下，在某些高要求情況下可以做到<100ppm。而經(jīng)過特殊老化處理及一定時間自然時效處理的金屬軟磁粉芯，更是具有良好的穩(wěn)定性。一般用情況下，u。值幾近不變。
4．損耗低，這也是它的一大優(yōu)點。而這種優(yōu)良特性是以其特殊的生產(chǎn)工藝作保證的。而損耗低這是在各種使用情況下非常需要的，這也是其具有重要實用意義的一大優(yōu)點。
5．直流偏場穩(wěn)定性好，這也是其優(yōu)于其他類軟磁材料的一重大優(yōu)點。這種優(yōu)點是由于他具有高的Bs值和低的損耗所致。我們在研究中發(fā)現(xiàn)隨著使用頻率的提高，損耗對DC Bias的影響有更為明顯的作用。在實際使用中，這種交直流場同時存在的情況也是非常普遍的。因此，人們也把這一特性作為衡量各種材料優(yōu)劣的重要特性。
6金屬軟磁粉芯還有一個*重要的特性，這也是其它各類軟磁材料都不具備的特性，那就是其性能的可控性。也就是說，通過控制和改變其生產(chǎn)工藝技術(shù)條件，可以獲得能滿足各種特殊使用場合具有殊性能的金屬軟磁粉芯材料。從而能*大限度的滿足各種使用場合的特殊要求，這一特性是具有極為重要使用意義的，這對于改進(jìn)各種電子產(chǎn)品的性能和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是具有極為重要的實用意義。這一特性的應(yīng)用，在高科技領(lǐng)域和國防軍工領(lǐng)域更顯得尤為重要。
對于各類材料優(yōu)劣的評價，我們曾經(jīng)說過可以通過綜合比較的方法。也就是說，一種優(yōu)良材料必須是：就其優(yōu)點比它好的少；就其缺點比它差的多，這就是一種優(yōu)良的材料。戈們在前面綜述部分談到了各類軟磁材料的一些優(yōu)缺點，后面我們又?jǐn)⑹隽私饘佘洿欧坌揪辛髢?yōu)良特性。按照這一原則，我們可以得到這一結(jié)論：金屬軟磁粉芯是當(dāng)今廣泛使用拘四大類軟磁材料中，*具良好綜合性能的一種新型軟磁材料。
三、金屬軟磁粉芯在各種電感器和變壓器設(shè)計中的應(yīng)用
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，對各類技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不斷提出新的、更高的要求，而作為基礎(chǔ)的電子材料更是如此。所以，從上個世紀(jì)中期至今，各類電子材料獲得了飛速的發(fā)展
