鐵氧體磁鐵的主要成分及相關(guān)介紹

鐵氧體磁鐵是一種具有鐵磁性的金屬氧化物。就電特性來說，鐵氧體的電阻率比金屬、合金磁性材料大得多，而且還有較高的介電性能。鐵氧體的磁性能還表現(xiàn)在高頻時具有較高的磁導(dǎo)率。因而，鐵氧體已成為高頻弱電領(lǐng)域用途廣泛的非金屬磁性材料。由于鐵氧體單位體積中儲存的磁能較低，飽合磁化強(qiáng)度也較低（通常只有純鐵的1／3～1／5），因而限制了它在要求較高磁能密度的低頻強(qiáng)電和大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

簡介

鐵氧體（ferrites） 鐵氧體是一種非金屬磁性材料，又叫鐵淦氧。它是由三氧化二鐵和一種或幾種其他金屬氧化物（例如：氧化鎳、氧化鋅、氧化錳、氧化鎂、氧化鋇、氧化鍶等）配制燒結(jié)而成。它的相對磁導(dǎo)率可高達(dá)幾千，電阻率是金屬的1011倍，渦流損耗小，適合于制作高頻電磁器件。鐵氧體有硬磁、軟磁、矩磁、旋磁和壓磁五類。 舊稱鐵淦氧磁物或鐵淦氧，其生產(chǎn)過程和外觀類似陶瓷，因而也稱為磁性瓷。鐵氧體是鐵和其他一種或多種適當(dāng)?shù)慕饘僭氐膹?fù)合氧化物。性質(zhì)屬于半導(dǎo)體，通常作為磁性介質(zhì)應(yīng)用，鐵氧體磁性材料與金屬或合金磁性材料之間最重要的區(qū)別在于導(dǎo)電性。通常前者的電阻率為102～108Ω·cm，而后者只有10-6～10-4Ω·cm。

歷史沿革

中國最早接觸到的鐵氧體是公元前 4世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的天然鐵氧體，即磁鐵礦(Fe3O4),中國所發(fā)明的指南針就是利用這種天然磁鐵礦制成的。到20世紀(jì)30年代無線電技術(shù)的發(fā)展，迫切地要求高頻損耗小的鐵磁性材料。而四氧化三鐵的電阻率很低，不能滿足這一要求。1933年日本東京工業(yè)大學(xué)首先創(chuàng)制出含鈷鐵氧體的永磁材料，當(dāng)時被稱為OP磁石。30～40年代，法國、 日本、 德國、荷蘭等國相繼開展了鐵氧體的研究工作，其中荷蘭菲利浦實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家J.L.斯諾克于1935年研究出各種具有優(yōu)良性能尖晶石結(jié)構(gòu)的含鋅軟磁鐵氧體，于1946年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1952年，該室J.J.文特等人曾經(jīng)研制成了以 BaFe12O19為主要成分的永磁性鐵氧體。這種鐵氧體與1956年該室的G.H.永克爾等人所研究的四種甚高頻磁性鐵氧體具有類似的六角結(jié)構(gòu)。1956年E.F.貝爾托和F.福拉又報(bào)道了亞鐵磁性的Y3Fe5O12的研究結(jié)果。其中代換離子Y有Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、 Tm、Yb和Lu等稀土離子。由于這類磁性化合物的晶體結(jié)構(gòu)與天然礦物石榴石相同，故將其稱之為石榴石結(jié)構(gòu)鐵氧體。迄今為止，除了1981年日本杉本光男采用超急冷法制得的非晶結(jié)構(gòu)的鐵氧體材料以外，從結(jié)晶化學(xué)的觀點(diǎn)看，均未超出上述三種類型的晶體構(gòu)造。所做的工作多數(shù)是為了適合新的用途而進(jìn)行改性和深入的研究。

按照磁學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用情況的不同，鐵氧體可分為：軟磁、永磁、旋磁、矩磁、壓磁等五種類型。

一、 軟磁材料

這類材料在較弱的磁場下，易磁化也易退磁，如鋅鉻鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等。軟磁鐵氧體是目前用途廣，品種多，數(shù)量大，產(chǎn)值高的一種鐵氧體材料。它主要用作各種電感元件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、無線電磁芯，以及磁帶錄音和錄像磁頭等，也是磁記錄元件的關(guān)鍵材料。

二、永磁鐵氧體 　　一種具有單軸各向異性的六角結(jié)構(gòu)的化合物。主要是鋇、鍶、鉛三種鐵氧體及其復(fù)合的固溶體。有同性磁和異性磁之分。由于這類鐵氧體材料在外界磁化場消失以后，仍能長久地保留著較強(qiáng)的恒定剩磁性質(zhì)，可以用于對外部空間產(chǎn)生恒穩(wěn)的磁場。其應(yīng)用很廣泛，例如：在各類電表中、發(fā)電機(jī)、電話機(jī)、揚(yáng)聲器、電視機(jī)和微波器件中作為恒磁體使用。

二、 硬磁材料

鐵氧體硬磁材料磁化后不易退磁，因此，也稱為永磁材料或恒磁材料。如鋇鐵氧體、鋼鐵氧體等。它主要用于電信器件中的錄音器，拾音器、揚(yáng)聲器，各種儀表的磁芯等。 四、旋磁材料

磁性材料的旋磁性是指在兩個互相垂直的穩(wěn)恒磁場和電磁波磁場的作用下，平面偏振的電磁波在材料內(nèi)部雖然按一定的方向傳播，但其偏振面會不斷地繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。金屬、合金材料雖然也具有一定的旋磁性，但由于電阻率低、渦流損耗太大，電磁波不能深入其內(nèi)部，所以無法利用。因此，鐵氧體旋磁材料旋磁性的應(yīng)用，就成為鐵氧體獨(dú)有的領(lǐng)域。旋磁材料大都與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成各種微波器件。主要用于雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙測等電子設(shè)備中。

五、矩磁材料

這是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體材料。它的特點(diǎn)是，當(dāng)有較小的外磁場作用時，就能使之磁化，并達(dá)到飽和，去掉外磁場后，磁性仍然保持與飽和時一樣。如鎂錳鐵氧體，鋰錳鐵氧體等就是這樣。這種鐵氧體材料主要用于各種電子計(jì)算機(jī)的存儲器磁芯等方面。 六、壓磁材料

這類材料是指磁化時在磁場方向作機(jī)械伸長或縮短的鐵氧體材料，如鎳鋅鐵氧體，鎳銅鐵氧體和鎳鉻鐵氧體等。壓磁材料主要用作電磁能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的換能器，作磁致伸縮元件用于超聲。

鐵氧體生產(chǎn)工藝流程圖

預(yù)燒結(jié)的目的是充分保證原料的固相反應(yīng)，并且大多數(shù)原料在預(yù)燒結(jié)后會變成鐵素體相。 預(yù)燒結(jié)過程還將改善變形，收縮和密度。 該預(yù)燒結(jié)粉末可用作燒結(jié)磁體，粘結(jié)磁體和吸收材料的原料。 大多數(shù)鐵氧體制造商現(xiàn)在直接購買預(yù)燒結(jié)粉末。

在該步驟中，預(yù)燒結(jié)的材料將粉碎成細(xì)粉。 粉碎過程將通過球磨機(jī)設(shè)備完成。 研磨介質(zhì)是鋼球和水。

根據(jù)傳統(tǒng)的分類方法，鐵氧體磁鐵可分為各向同性和各向異性。 鐵氧體還通過其成型方式分為濕法和干法。 成型工藝的技術(shù)密集度很高。

像其他類型的燒結(jié)磁體一樣，燒結(jié)步驟對于鐵氧體磁體也非常重要。 首先，燒結(jié)過程將影響顯微組織，并進(jìn)一步影響鐵氧體的磁性能。 不合理的燒結(jié)參數(shù)將導(dǎo)致磁鐵破裂，氣泡和變形。

鐵氧體磁體的加工方法包括磨削，拋光，切割和沖壓。 值得一提的是，鐵氧體是絕緣材料，因此制造商將在切割步驟中使用砂輪。

鐵氧體相關(guān)企業(yè)

國際市場

在國際上，日本、美國以及部分歐洲國家，在磁性材料生產(chǎn)方面起步較早，知名的鐵氧體磁性材料生產(chǎn)企業(yè)主要有如日本的TDK、日立金屬株式會社等，歐洲PHILIPS、 EPCOS等。

國內(nèi)市場

國內(nèi)產(chǎn)值上億前10名的企業(yè)是：天通控股、橫店東磁、聯(lián)豐磁業(yè)、乳源東陽光實(shí)業(yè)有限公司、風(fēng)華高科、南京新康達(dá)、綿陽開元磁材、成都恒力磁性材料有限責(zé)任公司、南京金寧三環(huán)富士電氣有限公司、無錫斯貝爾磁性材料有限公司等。

從近幾年發(fā)展的趨勢來看，盡管我國的鐵氧體磁性材料產(chǎn)量増長較快，并且已經(jīng)在多個應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先位置，但是從產(chǎn)值上看，我國產(chǎn)品的附加值明顯偏低，這樣的局面嚴(yán)重削弱了我國永磁產(chǎn)業(yè)的整體竟?fàn)幜Α?/p>

國內(nèi)磁性材料行業(yè)目前產(chǎn)能集中度還比較低，絕大部分磁材企業(yè)還都處在規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量差、產(chǎn)能小、同質(zhì)化、技術(shù)水平低下的狀態(tài)中。

國內(nèi)大部分永磁鐵氧體生產(chǎn)企業(yè)主要生產(chǎn)相當(dāng)于日本TDK公司的FB4系列技術(shù)水平的中低檔產(chǎn)品。部分領(lǐng)先企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品性能可達(dá)到FB5、FB6系列水平。

盡管發(fā)展存在問題，但近年來我國磁性材料的生產(chǎn)份額已經(jīng)呈現(xiàn)出明顯的規(guī)模、地域集中趨勢，一些具有技術(shù)、管理和設(shè)備等優(yōu)勢的大型企業(yè)日益顯示出強(qiáng)勁的竟?fàn)幜Α?/p>

主要應(yīng)用市場

1.傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域增長的市場

（1）通訊領(lǐng)域

??4C（計(jì)算機(jī)/通信/廣電/內(nèi)容服務(wù))融合和4G、5G方向的發(fā)展，推動市場對高頻率、小型化、高性能、低損耗和抗EMI磁性材料需求。

（2）數(shù)字終端及智能控制系統(tǒng)領(lǐng)域

??智慧城市、智能制造需要大量的智能控制系統(tǒng)和數(shù)字終端，智能化要求磁性元件進(jìn)一步向高性能、高頻化、片式化、低損耗和抗電磁干擾方向發(fā)展，將推動數(shù)字終端及智能控制系統(tǒng)用磁性材料市場快速發(fā)展。

（3）移動通訊

??智能手機(jī)、移動智能終端在健康、移動支付等方面的應(yīng)用必將進(jìn)一步普及。各種微型片式電感元件、微型射頻元器件、微型傳感器等穩(wěn)定增長。?

（4）汽車電子領(lǐng)域

??汽車電子系統(tǒng)、混合動力汽車、無人駕駛車電子系統(tǒng)、EMC裝置、汽車娛樂設(shè)備、控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、EV充電裝置、HEV動力系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換變壓器和扼流圈、DC-DC變換器、傳感器用軟磁材料將快速增長。

（5）消費(fèi)類電子

??高清晰3D、健康環(huán)保LCD、LED大屏幕彩色電視、數(shù)字化視音頻設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、娛樂電子、醫(yī)療電子、綠色照明（如LED、高頻無級燈）對高性能磁性材料需求旺盛。搭載通信功能、傳感技術(shù)的智能化家電的滲透率必然增長，射頻元件、傳感器等電子元件在家電行業(yè)將迎來擴(kuò)張機(jī)遇。

（6）計(jì)算機(jī)設(shè)備市場

??微型計(jì)算機(jī)是幾乎囊括所有電子元件類產(chǎn)品的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，在商業(yè)應(yīng)用上仍保持著優(yōu)勢，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)器市場在“十三五”期間將持續(xù)增長。

2.快速發(fā)展中的新興應(yīng)用市場

（1）高端裝備制造市場

??高鐵、大飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、民用航天、海洋工程裝備及船舶、核電裝備等高端裝備制造的發(fā)展對電子元器件的需求持續(xù)增長。

（2）工業(yè)自動化設(shè)備市場

??工業(yè)領(lǐng)域“機(jī)器換人”，以及3D打印技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)設(shè)備市場快速發(fā)展推動配套的傳感器等關(guān)鍵電子元件市場增長。

（3）節(jié)能環(huán)保市場

??電子元件將在節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)各種環(huán)境監(jiān)測儀器、半導(dǎo)體照明、凈水設(shè)備、降噪設(shè)備、除塵設(shè)備、汽車尾氣凈化設(shè)備、垃圾處理設(shè)備等市場中獲得比以往更快的增長空間。

（4）健康及醫(yī)療設(shè)備市場

??未來健康及醫(yī)療設(shè)備市場的爆發(fā)式增長、各種新型診療技術(shù)如遠(yuǎn)程醫(yī)療、手術(shù)機(jī)器人等都將獲得推廣，推高配套的電子元器件產(chǎn)品的需求。

（5）互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能穿戴市場

??隨著互聯(lián)網(wǎng)的全球和全民普及，基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，以及智能可穿戴市場的增長，終端、基站、移動支付、射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)等等將爆發(fā)出許多新的市場需求。

（6）電力與新能源市場

??風(fēng)力發(fā)電、太陽能中轉(zhuǎn)換器、變換器、逆變器對高性能磁材需求大幅度增長，3C認(rèn)證和抗EMI鐵氧體器件（除電力新能源領(lǐng)域還包括音視頻、信息技術(shù)、照明、電信終端等多種電子設(shè)備）市場容量巨大。

3.重要市場

（1）軟磁材料在新能源汽車中的應(yīng)用市場

??軟磁材料在新能源汽車中的應(yīng)用主要包括：

①充電樁用磁心規(guī)格及磁性器件。未來5年，我國新增充電樁應(yīng)達(dá)到480萬個，新增充電站應(yīng)達(dá)到1.2萬座。充電樁的電源用到較多電子變壓器、電感器，電感器多一些。用量視充電樁功率大小而定，一個充電樁起碼要用到20多個磁性元件，要求體積小、性能優(yōu)、高頻化，防水、防腐、高效率、高可靠。

②汽車無線充電樁作為有線充電樁的一種補(bǔ)充方式，由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，需要使用具有寬溫、高 Bs低損耗特性的軟磁鐵氧體材料。

③車載充電機(jī)。

④DC/DC變換器。

⑤其相關(guān)部件。

??除了充電樁、車載充電機(jī)和車載DC/DC變換器3大主要部件外，在新能源汽車上其他部件也使用了較多的軟磁材料，包括照明系統(tǒng)、ECU(電子控制系統(tǒng))、BMS(電池管理系統(tǒng))、PDU(電源分配單元)、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、無人駕駛感應(yīng)系統(tǒng)、車身 EMI、傳感系統(tǒng)等等。

（2）太陽能光伏發(fā)電中磁性材料應(yīng)用

??在光伏逆變器中，使用軟磁材料有：輸入回路的直流EMI濾波器；高頻DC-DC變換電路的儲能電感器（非隔離系統(tǒng)）；高頻DC-DC變換電路的隔離變壓器（隔離系統(tǒng)）；工頻逆變電路的電抗器；工頻逆變電路的交流EMI濾波器；工頻逆變電路的隔離變壓器；取樣電路的電流互感器等。

（3）無線充電器中軟磁材料應(yīng)用

??軟磁材料在充電器中應(yīng)用主要包括：NiZn鐵氧體薄磁片、MnZn鐵氧體薄磁片、柔性鐵氧體磁片；用軟磁鐵氧體材料制作的各種隔磁片，起增高感應(yīng)磁場和屏蔽線圈干擾的作用。無線充電器對軟磁鐵氧體材料性能和產(chǎn)品尺寸、可靠性等要求較高，接收端對其要求更高。

未來的發(fā)展前景與問題

1.市場環(huán)境與競爭

??材料、器件市場牽引的源頭是現(xiàn)代及未來軍民應(yīng)用市場的發(fā)展，2個市場牽引磁性器件發(fā)展推動磁性材料的進(jìn)步。當(dāng)前，國際經(jīng)濟(jì)待續(xù)低迷，出口外需不足；國內(nèi)經(jīng)濟(jì)下行壓力大，國內(nèi)需求不旺，中低端產(chǎn)品市場供應(yīng)遠(yuǎn)大于需求，市場競爭異常激烈。另一方面，匯率波動對出口型企業(yè)的經(jīng)營和收益造成影響，能源和人工成本持續(xù)增長不斷增加企業(yè)成本。企業(yè)同行為求生存打價格戰(zhàn)已經(jīng)成為常態(tài)。由于中國軟磁材料生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，進(jìn)入高端產(chǎn)品市場的企業(yè)越來越多，市場競爭和價格戰(zhàn)已經(jīng)開始向中高端產(chǎn)品傳遞。

2.當(dāng)前軟磁材料與器件產(chǎn)業(yè)存在的問題

（1）自主創(chuàng)新能力有所提高，但整體水平偏低

??以企業(yè)為核心的自主創(chuàng)新體系已初步建立，并在逐漸完善，行業(yè)的自主創(chuàng)新水平進(jìn)一步提高。但是，相對于國外電子元件發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，我國磁性材料及器件行業(yè)的整體技術(shù)水平依然不高，尤其缺乏國際領(lǐng)先的技術(shù)，國際磁性材料及器件大企業(yè)在許多技術(shù)領(lǐng)域布下專利壁壘，對中國磁性材料及器件企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生不利影響。

（2）自動化水平快速提高，但整體自動化智能化需要提升

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