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保磁公司精密陶瓷部 產(chǎn)品工程課 謝慶豐目錄第一部份 基礎(chǔ)篇第二部份 實(shí)際篇第三部份 理論篇第一部分 基礎(chǔ)篇磁性材料分類按作用分類：n軟磁：各種電感，磁芯；（主要參數(shù)Q, i等）n硬磁：馬達(dá)，錄音器，電話機(jī)；（主要參數(shù)磁能積(BrHc)）n旋磁：雷達(dá)，通訊，導(dǎo)航n壓磁：電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能： 超聲器件n矩磁：磁性存儲器按材料分類：n金屬類：鐵、鐵鎳合金(坡莫合金）等（應(yīng)用于低頻場合，如家用電50Hz變壓器鐵芯，飽和磁束密度大，電阻率低）n非金屬類：鐵氧體、稀土等（高頻、超高頻場合，如電子應(yīng)用，飽和磁束密度小，電阻率高）熱點(diǎn)研究非晶和納米晶磁性材料（高高Bs,滿足組件薄膜化，小型化，集成化要求）非晶：用快淬法、霧化法、濺射法等方法得到（如薄膜電感），基本沒有晶粒生長。納米晶：鐵氧體晶粒尺寸在納米級別(10-9m)（可由非晶經(jīng)過一定條件退火使晶粒再長成納米晶）保磁精陶部：主要產(chǎn)品：1.鎳鋅鐵氧體產(chǎn)品：一般做扼流電感（通過直流電，阻止交流電），如5750，4532，3225，3220等。2.白色陶瓷：做鐵氧體電感或空心電感基座（支撐作用）。如，1704 ，5P，小5P，1121等等。Ni-Zn鐵氧體材料分類： 1.磁導(dǎo)率 ：高磁導(dǎo)率材料(1000)、常規(guī)材料(200-1000)和低磁導(dǎo)率材料(1200，無 CuO ) 、中溫?zé)Y(jié)材料 (1000-1200 ，一般加CuO ) 、低溫?zé)Y(jié)材料 (850-950 ，除氧化銅 ，還有Bi2O3，V2O5，Co2O3等，用于多層片式化組件，與銀(Ag)內(nèi)電極共燒 ，發(fā)展主流 ) 3. 其它：綠色材料 (Pb、Cd、Hg等含量很少 )，低損耗材料 ，高Bm材料 (承受偏壓電流能力強(qiáng) )組件分類：1.成型生產(chǎn)方式 ： 迭層式成型 :TDK的交迭印刷法，村田公司的流延印刷法 干壓式成型:當(dāng)今主要形式 熱壓鑄成型 :以前的形式，用到石蠟2.電感成品： 層壓式電感（迭層電感） ：鐵氧體膜片和內(nèi)導(dǎo)體(Ag)交迭，能將電容和電感甚至電阻做成一體式的產(chǎn)品，感容（LC）濾波器、阻容（RC）片式器件和電感阻容（LRC） 層壓電感簡圖鐵氧體電感結(jié)構(gòu)示意內(nèi)電極的流延成型示意氧化鋁高頻電感結(jié)構(gòu)示意繞線式電感：又分為普通電感和繞線片式電感 。.普通電感：有引針，需加塑膠套、外加磁套、塑封等，如：色碼電感。.繞線片式電感（保磁產(chǎn)品） ：表面貼裝類 ，無引針，直接焊接在電路板上 。 3.其它電感：可調(diào)電感：螺紋磁心，磁心在繞制的線圈中能上下移動(dòng) 耐電流電感：能承受大的偏置電流 主流發(fā)展方向n小型、薄型化 早期的3216型到90年代的1608型、1005型、0805型發(fā)展，目前主流多層片式電感為0603型、0402型 (0201 型,01005 型)n多功能化 大容量、大功率、高耐熱、高可靠，高密度組裝方面發(fā)展 n復(fù)合化 將電容和電感甚至電阻做成一體式的產(chǎn)品 ，如感容（LC）濾波器、阻容（RC）片式器件 電感 (L(M)=/I)產(chǎn)品用途：自感，互感（變壓器、振蕩器、慮波器、DC-DC轉(zhuǎn)換器） 儲能：電能 磁能 電能扼流:扼除非本流成分的諧波通直流 (通直流,阻交流或通低頻,阻高頻)諧振：輿電阻電容共享(LC、LCR) (LC和LCR諧振電路，產(chǎn)生交流信號)慮波：過濾掉（吸收）某一頻段的電磁波 (如EMI應(yīng)用的慮波器)磁性相關(guān)量 nH：真空中磁場強(qiáng)度 ，H InB：介質(zhì)中磁場強(qiáng)度(磁通密度，B=/s，為磁通量，s為面積， Bm, Bs, Br)ni：起始磁導(dǎo)率（i= B/ H)nL：電感（自感， L =/ I）nQ：品質(zhì)因子（ Q = L / R, R:包括銅損和鐵損, ：角頻率2 ）n: 頻率（截止頻率r, i變?yōu)?/2 i時(shí)的，斯洛克公式： i * r =斯洛克常數(shù)）nDCR: 直流電阻（即銅損：中柱所繞銅線電阻）另外還有：n損耗因子tan (相對損耗因子tan / ) tan=1/Q 包括磁滯，渦流，剩余三種損耗n溫度因子ur (相對溫度因子ur / )n居里溫度Tc( ) 材料由鐵磁(或亞鐵磁)轉(zhuǎn)化為順磁的溫度，磁疇被破壞n減落因子DF 磁導(dǎo)率隨時(shí)間的變化n電阻率( )n功率損耗Pc (w/kg) 產(chǎn)品單位重量的損耗n電感因子AL(nH/N2) 單位匝數(shù)產(chǎn)生的電感第二部分 實(shí)際篇鐵氧體原料1. 種類(1)用作鐵氧體基本成分的原料：如Ni-Zn中的Fe2O3,ZnO.NiO等(2) 助熔劑：本身具有較低熔點(diǎn)，能促進(jìn)燒結(jié)，如CuO,Bi2O3,V2O5,PbO等 (3) 礦化劑：也叫催化劑，促進(jìn)固相反應(yīng)，如WO3等 (4) 添加劑：改善各種性能(磁，電，力性能)，SiO2,CaO,Al2O3,CoO等 原材料選擇處理注意事項(xiàng) n(1) 純度n(2) 活性n(3) 含水量n(4) 組成變動(dòng)鐵氧體粉料 n1.制備n(1) 混合：就是將原材料仔細(xì)地混合成為均勻的混合粉料。設(shè)備：混合球磨機(jī)(干磨，濕磨)。 注意點(diǎn)： a:原材料起始粒徑 b:球磨方法(滾動(dòng)，振動(dòng)等) c:混合球磨時(shí)間n(2) 預(yù)燒 目的： a:使原料間發(fā)生固相反應(yīng)(異性永磁要求全部變成鐵氧體，而軟磁由于燒結(jié)時(shí)晶粒長大原因，只要求部分就行) b:改善粉料壓制性 c:減少收縮和變形 d:有利產(chǎn)品性能提高 e:能把生成鋅鐵氧體時(shí)的異常膨脹發(fā)生影響消除(700-900 ,Zn揮發(fā)導(dǎo)致膨脹)預(yù)燒溫度：應(yīng)適當(dāng)，過低，過高都不好過低：粉料間固相反應(yīng)速度慢過高：導(dǎo)致失氧，某些金屬揮發(fā)，顆粒尺寸大（后續(xù)球磨時(shí)間延長）n（3）粉碎 將預(yù)燒過后的料加以粉碎。設(shè)備：球磨機(jī)，粉碎機(jī) 作用：a：促進(jìn)固相反應(yīng) b：有利于產(chǎn)品的致密化和晶粒生長 注意點(diǎn)：a：球磨機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率） b：鋼球大小 c：料球水比例 d：球磨時(shí)間 鐵氧體粉料性質(zhì)鐵氧體粉料性質(zhì)將影響到后道工序，如造粒，成型，燒結(jié)等。n物理性質(zhì)：松裝密度，流動(dòng)性，壓縮性，粒徑分布形式，比表面積n化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)組成，氧化狀態(tài)，相結(jié)構(gòu)（1）粉料中的空隙和松裝密度預(yù)燒 粉料空隙（粒子間空隙和粒子內(nèi)空隙）注意點(diǎn)： a:預(yù)燒溫度高 ，則粒子內(nèi)空隙小 ，松裝密度大 如預(yù)燒溫度過高則結(jié)果相反。（由于粒子變粗，顆粒間空隙大于顆粒內(nèi)間隙） b:粉碎時(shí)間長 ，則松裝密度先大后小 （1100 預(yù)燒）(2)粉料顆粒度和表面積注意點(diǎn)：a:預(yù)燒溫度高 ，則粒徑小 ，表面積小 b:粉碎時(shí)間長 ，則粒徑小 ，表面積大 (3)粉料造粒性注意點(diǎn)： a:預(yù)燒溫度高 (粉碎時(shí)間不變)，則粘結(jié)劑量少 。（高溫時(shí)粉料粒徑大，比表面積小，少加粘結(jié)劑） b:粉碎時(shí)間短 （預(yù)燒溫度相同），則粘結(jié)劑量少 c:傳統(tǒng)手工造粒和噴霧造粒 傳統(tǒng)造粒：在一容器（雷柜機(jī)）中加入粉料、粘結(jié)劑（PVA），同時(shí)進(jìn)行攪拌使粘結(jié)劑與粉料混合均勻，然后進(jìn)行烘干、整粒、過篩等過程，最后得到所需粉料顆粒。注意點(diǎn)：粘結(jié)劑加入量噴霧造粒：將粉體和粘結(jié)劑以及各類添加劑一起加入去離子水中配制成一定粘度、固含量的穩(wěn)定料漿，通過壓泵將料漿從噴槍嘴中成霧狀噴出，在噴霧塔中被高溫?zé)犸L(fēng)加熱，水份蒸發(fā)，粉料成圓形顆粒狀。注意點(diǎn)：料漿粘度，固含量，塔溫，塔壓，泵壓(轉(zhuǎn)速)（4）粉料壓制性 松裝密度大 ，壓縮系數(shù)?。?）粉料反應(yīng)性 松裝密度小 ，需燒結(jié)溫度低 松裝密度大 ，需燒結(jié)溫度高鐵氧體坯體成型n方式：干壓成型，磁場成型，注塑成型，等靜壓成型，擠壓成型等。保磁精陶部現(xiàn)為干壓成型影響因素：顆粒形狀，級配，含水率，膠水粘性，裝料均勻度，上下模用力大小，模具好壞。注意點(diǎn)：a:成型壓力(P), P大 ,密度大 (壓力不可過大，否則坯體分層，脫模時(shí)由于上層空氣少，下層空氣多，空氣膨脹造成坯體層裂;太小，則坯體松散)b:加壓時(shí)間（t)， (太短，空氣來不及排除，又受過大沖擊，坯體或燒結(jié)時(shí)開裂；太長，生產(chǎn)效率不高）c:加壓方式，（單向加壓，雙向加壓（類似浮動(dòng)模效果）鐵氧體燒結(jié)n燒結(jié)：在低于材料熔融溫度的狀態(tài)下，經(jīng)過燒縮(致密化)和晶粒成長，最后生成鐵氧體的全過程。n固相燒結(jié)：不出現(xiàn)或很少出現(xiàn)液相n液相燒結(jié)：出現(xiàn)一定量液相，促進(jìn)燒結(jié)n燒結(jié)動(dòng)力：粉料粒子表面能粒徑小 ,則表面能大 , 燒結(jié)動(dòng)力大 ,反應(yīng)速度快 ,燒結(jié)溫度低燒結(jié)過程：化學(xué)過程和物理過程化學(xué)過程：氧化還原、固溶體生成和分解物理過程：收縮、多晶成長、相變化燒結(jié)制度：a:升溫速度 b:燒結(jié)溫度 c:燒結(jié)氣氛 d:保溫時(shí)間 e:降溫速度燒結(jié)階段：初期，中期，末期初期：顆粒相互接觸，孔隙分散貫通，隨著溫度升高，孔隙率下降，收 縮加大，密度上升。中期：隨著溫度上升，各個(gè)顆粒界面逐漸合并，孔隙逐漸封閉，孔隙率 迅速降低，收縮顯著增高。后期：溫度進(jìn)一步升高，封閉的孔隙有所減小，密度顯著增高。 如進(jìn)一步再升高溫度，由于封閉孔隙中壓力急劇增大，已很難再有收縮，甚至?xí)兇?，使產(chǎn)品各項(xiàng)性能惡化。 第三部分 理論篇1.磁性的微觀起源n一切磁現(xiàn)象的根源是電流，即:運(yùn)動(dòng)電荷 磁場 運(yùn)動(dòng)電荷SL物質(zhì)的磁性取決于以原子為單位的分子電流所產(chǎn)生的磁矩，即原子磁矩：e-ne+ 軌道磁矩(L)：是來自電子的軌道運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的環(huán)狀電流自旋磁矩(S)：是經(jīng)由電子自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的核磁矩(n)：是經(jīng)由原子核而產(chǎn)生的磁性分類n順磁性： 1，只有感應(yīng)磁矩，數(shù)值非常小n抗磁性： 1 ，固定磁矩定向排列，形成磁疇結(jié)構(gòu)，磁性非常大n反鐵磁性： 1 ，不同結(jié)構(gòu)中原子磁矩互相抵消n亞鐵磁性(鐵氧體類) ： 0 ，不同結(jié)構(gòu)中原子磁矩抵消不完全尖晶石晶體結(jié)構(gòu)(軟磁鐵氧體主要結(jié)構(gòu))分子式：MeOFe2O3 AOB2O3n 氧離子是面心立方密排堆積nB 處于氧離子的八面體間隙(如Ni離子)nA 處于氧離子的四面體間隙(如Zn離子)氧離子密堆積中的A、B位置 氧 離子 A位金屬離子 A位四面體 B位金屬離子 B位八面體n一個(gè)小立方體中有: 8個(gè)A位，4個(gè)B位，4個(gè)氧離子磁性原子3d軌道的電子排布4s軌道的電子數(shù)：Fe、Co、Ni等為2個(gè)，Cu、Cr為1個(gè)超交換相互作用氧離子O2-磁性正離子(2)M2磁性正離子(1)M12p軌道(虛線)n超交換相互作用使M1和M2的原子磁矩反向平行排列，在M1與M2的原子磁矩大小不等時(shí)，就表現(xiàn)出“亞鐵磁性”，我們生產(chǎn)的鐵氧體即屬于這種情況。n所謂超交換相互作用就是相對于交換作用(純鐵原子)說的尖晶石型鐵氧體的超交換相互作用7938A-A901252B-B125915434A-B可能夾角離子組態(tài)A:四面體B:八面體 nA-B的兩種超交換作用最大，A-A的超交換作用最小(從電子云重迭方面看)n總磁矩=B總磁矩-A總磁矩 鐵氧體的磁矩(或B值)就是八面體中磁矩減去四面體中磁矩的差值正、反、混合尖晶石結(jié)構(gòu)n實(shí)際金屬離子在A位及B位配置情況的不同，原子磁矩的有無及大小，尖晶石結(jié)構(gòu)又可分為正、反、混合尖晶石結(jié)構(gòu)。n正尖晶石：如ZnOFe2O3，Zn2+占據(jù)A位，F(xiàn)e3+占據(jù)B位，Zn2+無磁矩，在A-B之間不存在超交換作用，僅存在B-B的超交換作用，磁矩相互抵消。n反尖晶石：如NiOFe2O3，Ni2+占據(jù)B位， Fe3+的一半占據(jù)B位，一半占據(jù)A位，B位的磁矩相互抵消，剩下Ni2+產(chǎn)生的自發(fā)磁化，顯亞鐵磁性。n混合尖晶石：既存在正尖晶石結(jié)構(gòu)，又存在反尖晶石結(jié)構(gòu)，NiZn就是混合尖晶石結(jié)構(gòu)金屬離子分布的一般規(guī)律占A位趨向性n金屬離子占位的傾向性： Zn2+, Cd3+, Gd3+, In3+ ，Mn2+, Fe3+, Mn3+, Fe2+ Mg2+, Li+ ,Al3+, Cu3+, Co2+, Ti4+, Ni2+, Cr3+ 占B位趨向性n影響金屬離子分布的因素： (1)內(nèi)能：離子鍵、離子尺寸、 晶場影響、共價(jià)鍵的空間配位性 (2)外能：溫度、應(yīng)力n影響金屬離子分布的因素： (1)內(nèi)能：離子鍵、離子尺寸、 晶場影響、共價(jià)鍵的空間配位性 (2)外能：溫度、應(yīng)力2.鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)概 念n鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)：包括結(jié)晶狀態(tài)(晶粒大小、完整性、均勻性)、晶界狀態(tài)、氣孔(大小與分布)n鐵氧體：無數(shù)的小晶粒組成的多晶體，小晶粒內(nèi)部均是混合尖晶石結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)部可形成磁疇和磁疇壁結(jié)構(gòu)n晶界：小晶粒與小晶粒間的分界n氣孔：存在于鐵氧體內(nèi)部，晶粒內(nèi)部或晶界NiZn斷面SEM照片晶內(nèi)氣孔特點(diǎn)：晶粒尺寸不均，氣孔多而且多存在于晶內(nèi)NiZn表面SEM照片特點(diǎn)：晶粒尺寸不均，顆粒間反應(yīng)差磁疇及磁疇壁n磁疇：鐵氧體中自發(fā)磁化的小區(qū)域。 超交換作用能，各向磁晶異性能，磁化能以及退磁能等各種能量共同作用平衡的結(jié)果，以保證體系能量最低。在小區(qū)域內(nèi)磁矩方向完全一致。 一個(gè)鐵氧體晶粒內(nèi)存在無數(shù)這樣的反平行、垂直或雜亂的磁疇。n磁疇壁：磁疇與磁疇之間的邊界 磁疇間磁矩的方向是逐漸變化的，這個(gè)磁矩轉(zhuǎn)向的區(qū)域就叫做磁疇壁，它具有一定厚度。磁疇示意圖1磁疇示意圖23.鐵氧體的磁化(線圈應(yīng)用基礎(chǔ))磁化的定義n無外加磁場時(shí)，材料中磁疇混亂堆積，整體對外沒有磁性。稱之為磁中性狀態(tài)。nn在外加磁場中，磁疇的磁矩就和磁場發(fā)生相互作用，其磁矩方向朝外加磁場方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致磁中性狀態(tài)失去平衡,對外顯示出磁性。該過程就叫磁化轉(zhuǎn)向磁化（疇轉(zhuǎn)）BmmaxiBim1.初始磁化曲線B H2.靜態(tài)磁滯回線nBm：最大磁通密度nBr：剩余磁通密度nHc：矯頑力面積abda 代表H之正半周期所貯存在磁場中的能量面積bdcb 代表正半周期H于減磁過程中由磁場所釋放的能量面積abca 代表半周期之磁滯損失靜態(tài)磁滯回線的能量論在未達(dá)到飽和磁化時(shí)即改變外加磁場的方向，將得到各種各樣非完整的磁滯曲線，如右圖所示。曲線的形狀由外加磁場方向改變時(shí)的磁化狀態(tài)，以及外加磁場的變化范圍決定。3.非完整磁滯曲線4.動(dòng)態(tài)磁滯回線當(dāng)磁性材料處于變化的磁場中被磁化時(shí)，即叫做動(dòng)態(tài)磁化。在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)，材料的磁導(dǎo)率將變成一個(gè)復(fù)數(shù)，亦稱磁譜。導(dǎo)磁率分成兩部分：一是和磁場方向（或者說相位）相同的部分，稱為復(fù)數(shù)導(dǎo)磁率的實(shí)部，又稱為彈性導(dǎo)磁率，它代表材料磁化時(shí)所能夠儲存的能量；二是和磁場相位成90度的部分，稱為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的虛部（損耗磁導(dǎo)率），它代表材料在動(dòng)態(tài)磁化時(shí)所消耗的能量。 5.閉合與非閉合磁路的磁滯回線nT-CORE和RI-CORE均是閉合磁路n而DR-CORE即是非閉合磁路，即開路6.交直流迭加下的磁滯曲線n外加磁場H正比于外加電流，加直流就是使磁芯預(yù)磁化n直流越大，H越大，預(yù)磁化狀態(tài)越接近于飽和，同時(shí)在與交流重迭時(shí)，可得到的電感L越小，即小n在Bm一樣時(shí)，Br越小，磁芯的直流重迭特性越好i相關(guān)n式中，MS為飽和磁化強(qiáng)度；K為晶體