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电子产品必不可少的磁粉心

文章出处:微汉迪 人气:发表时间:2018-04-14 11:14

电子产品必不可少的磁粉心

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一、磁粉心简介
磁粉心是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料,日本磁学界将其叫做压粉心,中国普遍则称之为磁粉心。
磁粉心的发展具有悠久的历史:

1921年 美国西方电气公司C.W.Elmen等首先成功地用电解铁粉压制成了用作电话加感线圈的粉心;
1923年 发明了高磁导率坡莫合金;
1927年 首次制成了坡莫合金磁粉心;
1935年 德国西门子公司研制成了羰基铁磁粉心; 
日本东北大学金属材料研究所山本等人开发出了铁硅铝合金(Sendust)磁粉心并将其商品化;
1940年 美国贝尔实验室的F.J.Given等开发了含铜坡莫合金磁粉心;
20世纪50年代 在美国除西方电气公司外,巴特勒磁性材料公司等也生产钼坡莫合金磁粉心; 
英国标准电话电缆有限公司以及前苏联有关厂家也生产磁粉心,并得到广泛应用; 
磁粉心的生产达到定型并形成系列化,实现了商品化生产;
20世纪80年代初 日本开发了用于高频整流电源扼流圈用的新磁心(HP磁心),它使用的原材料价格便宜,磁心性能可与钼坡莫粉心相媲美; 
与此同时,美国开发了非晶态合金粉末;
1984年 美国联合公司的D.Raybould用Fe79B16Si5非晶粉末压制成了非晶磁粉心,这为磁粉心的再开发与应用注入了新的活力
 
 
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二、磁粉心的分类
至目前,按磁粉心的性能可分为低损耗、高Bs、低成本与低损耗等几种;
若按成分与应用来看,仍以金属磁粉心为主,尽管现在已出现非晶、纳米非晶磁粉心,但还在金属之列。
常用的有羰基铁、铁硅铝、坡莫合金磁粉心,发展比较快的还有铁(Fe)基和钴(Co)基非晶合金磁粉心。金属磁粉心在所有软磁材料产品中的抑制率、磁导率可控性是最高、最灵活的,抑制率在0.5%~8%间都可以人工控制,没有其他材料可以替代磁粉心,所以其市场前景是广阔的,只要电子行业在发展,金属磁粉心市场就有拓展的空间。
1、铁粉心
铁粉心是以高纯铁粉或羰基铁粉经绝缘、成型、涂覆后制成的磁粉心。各种铁粉心的饱和磁通密度值高达500~1300mT,磁导率22~100;具有良好的交、直流叠加稳定性;铁粉心在磁粉心中价格最低,饱和磁感应强度值在1.4T左右,磁导率范围从22~100H/m,初始磁导率μi随频率的变化稳定性好,直流电流叠加性能好,但高频下损耗较高,主要应用于开关电源和滤波器等。
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2、坡莫合金粉心
坡莫合金粉心主要有钼坡莫合金粉心(MPP)及高磁通量粉心(High Flux)。
MPP是由81%的Ni、2%的Mo及Fe粉构成,在磁粉心材料中其价格最贵。主要特点是:饱和磁感应强度值在0.75T左右;磁导率范围大,从14~550H/m;在磁粉心中具有最低的损耗;温度稳定性极佳,广泛用于太空设备、露天设备等;磁致伸缩系数接近于0,在不同的频率下工作时无噪声产生。MPP主要应用于300kHz以下的高品质因素滤波器、感应负载线圈、谐振电路,通常还用于对温度稳定性要求高的LC电路、输出电感、功率因素补偿电路、AC电路等。
高磁通粉心(HF)是由50%的Ni、50%的Fe粉构成,价格低于MPP。主要特点是:饱和磁感应强度值在1.5T左右;磁导率范围从14~160H/m;在磁粉心中具有最高的磁感应强度,最高的直流偏压能力;磁心体积小。HF主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等,在DC电路中常用,在高DC偏压、高直流电和低交流电上用得也较多。
3、铁硅粉心
国际上新兴起了铁硅磁粉心的开发,是电子材料高频化、小型化、低功耗化的结果,该磁心的开发、产业化是当前磁性材料重要的发展方向。原来的铁硅磁粉心,其中Si含量在3.0%以下。经过几十年的努力,现已有新的突破,可达到6.5‰并出现粉末冶金新技术与新工艺,其饱和磁感应强度Bs达到1.6T,通过调整铁粉的粒度分布,可以得到不同的磁导率,为新材料开辟了新的应用领域。
4、铁硅铝粉心
铁硅铝粉心主要由9%的Al、5%的Si、85%的Fe粉构成,主要是替代铁粉心。
在用于高频电源时,铁粉心的损耗是导致其温度升高的主要原因,而铁硅铝粉心的损耗很小,所以它在高频工作时温升很低,损耗比铁粉心低80%,可在8kHz以上的频率下使用。饱和磁感在1.05T左右,导磁率26~125H/m,磁致伸缩系数接近于0,从而消除了其用于滤波电感器时的听觉频率噪声。比MPP有更高的DC偏压能力,具有很高的性能价格比。
主要应用于交流电感、输出电感、线路滤波器、功率因素校正电路等,有时也替代有气隙铁氧体作变压器铁芯使用。
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三、粉末制备
铁基磁粉心的生产工艺如图所示。
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(1)粉末退火:由于杂质大多以氧化物形态存在,而金属氧化物粉末是硬而脆的,而且存在于金属粉末的表面,使得粉末压制时的压制阻力增大,压制性能变坏。粉末的预先退火可以降低碳、氧和其他杂质的含量,提高粉末的纯度。
(2)粉末筛分:筛分的目的在于把颗粒大小不同的原始粉末进行分级。如采用100目、150目、250目、325目的标准分样筛筛分所需的不同粒度粉体。
(3)绝缘包覆:绝缘处理是制备磁粉心的关键,其目的就是用绝缘剂将合金粉末包覆起来,以阻隔粉心之间的涡流,从而降低粉心的涡流损耗。如采用铬酸或磷酸为钝化剂,云母为绝缘剂,硅酮树脂和水玻璃为粘结剂,正硅酸乙醋为耦联剂,硬脂酸锌为润滑剂,绝缘粘结剂,各种添加剂总和占铁粉混合物的1.5wt%~6wt%。
(4)压制成型:将预处理后的粉末装入模具后用液压机冷压制备环形样品,样品高度和密度随压制压力不同而变化,压强通常为5~22t/cm。
(5)热处理:热处理是磁粉心制作工艺中最敏感的工序。铁粉在惰性气氛下进行热处理,以消除粉末在粉碎和压制成型时的内应力,从而改善磁粉心的电磁特性;热处理的另一个目的是提高磁粉心的机械强度。

四、目前应用
目前,磁粉心材料制粉大多采用水雾化技术,国内已经有精炼造粒及惰性气体保护磨粉技术的报道,将磁粉心材料杂质和氧含量降低了1个数量级,大大降低了磁粉心材料的功率损耗;在粉末表面涂覆上绝缘物质,降低了磁粉心产品的涡流损耗;产品在多混合气氛保护状态下退火,消除了压制应力和杂质含量。
低功耗FeSiAl材料不仅使诸如平板电视、笔记本电脑、变频空调、路由器、混合动力汽车等电源的转化效率得以提高,而且功率损耗降低了50%以上,大大降低了电源的整体能耗,使电源逐渐向高频、大功率、小型化发展成为了可能,使电器及电子设备的整体体积也向小体积、便捷化方向发展。

五、发展趋势
从世界范围来看,磁粉心生产和应用主要还是以西欧、美国、日本及韩国为主,而且主要的技术和生产设备都集中在这些国家和地区。近年来,由于能源的紧张和环保要求越来越高,使得劳动密集型的金属磁粉心行业在西欧、美国等国家和地区受到了限制,发达国家纷纷把目光投向了资源丰富且劳动力价格相对比较低廉的发展中国家,并逐渐实施本土化战略,中国以及东南亚成为了发达国家转移生产线的新基地。
例如美国阿诺德磁材有限公司在深圳建立了生产线,日本和韩国以及中国台湾的一些厂商也纷纷寻机在珠三角地区建立生产基地,韩国东部精密化学株式会社也在深圳建立了生产线。
总体来看,中国国内磁粉心生产规模小、设备落后、资金不足、产品档次低,95%以上的市场被国外企业控制。
目前,中国磁粉心的年产值大约在200亿元左右,其中铁粉心的生产基本上达到了饱和状态;但是铁硅铝、铁镍钼等合金却还有很大的市场空间,目前的年产值超过了70亿元,而且95%以上的市场被外资企业控制,其中日本就占了50%左右。
无论是材料生产商还是整机应用企业,对电子行业市场前景都比较乐观,特别是高端电子产品逐渐进入到人们的生活中,如果达到普及的程度,对磁粉心的需求量将会越来越大,磁粉心的市场将随着电子行业的发展不断扩大。
参考文献
[1]姜坤良,刘先松,安健隆,王子君,李明.铁硅合金及铁基磁粉心的磁性能及应用[J].磁性材料及器件,2011,(06):11-15.
[2]翁兴园.中国磁粉心产业现状及发展前景[J].新材料产业,2009,(01):57-60.


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