外加力与回流焊对高初始磁导率锰锌铁氧体性能的影响

摘 要：在对提供的外径为6mm的初始磁导率高、中、低的三款锰锌铁氧体的非涂装和涂装磁环施加垂直力分别为0kg/f、1kg/f、2kg/f、3kg/f、4kg/f和5kg/f的力，用Aglient精密型LCR表测试磁环施加垂直力的电感（Ls），另外，磁环经过回流焊（高温250℃停留3min，总时间7min）处理前后，使用IWATSU全自动功率损耗B-H测试仪测试感值（Ls）、饱和磁通密度（Bm）和磁通量（Hc）的值。研究结果表明，垂直力对外径为6mm磁环的μi影响显著，初始磁导率的大小与垂直外加力对初始磁导率影响的大小成正相关性。同时，回流焊中高温过程对材料的应力释放有效，Bm表现出变大的趋势。

关键词：压应力；初始磁导率；晶粒尺寸；锰锌铁氧体

1引言

1931年，日本东京工业大学的加藤和武井合成了立方晶系的钴氧磁性体[1]，并称其为软磁铁氧体。1933年，两人发明了烧结铁氧体[2]，1936年荷兰菲利普公司Snoek研究出尖晶石结构的含锌软磁铁氧体，1946年出现了软磁铁氧体的工业化生产。铁氧体分为石榴石型、磁铅石型和尖晶石型三类[3]，工业化生产的为尖晶石型的铁氧体[4， 5]，软磁性铁氧体可分为锰锌铁氧体、镁锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌铁氧体的产量占软磁铁氧体总产量的80%以上[6]，其中锰锌铁氧体按照应用范围可分为功率锰锌铁氧体和高初始磁导率锰锌铁氧体。

高初始磁导率锰锌铁氧体是主成分为铁、锰、锌氧化物，并添加KUSArEEkhFZaPjDk1sPNuTU+NGOjrfCkirkaupusHo8=了其他氧化物[7]，经高温烧结达到足够的密度和晶粒尺寸，以获得高初始磁导率[8]的非金属功能陶瓷材料。其初始磁导率大，但功率损耗往往较差。锰锌铁氧体的高初始磁导率是由可逆磁畴转动和可逆畴壁运动决定的。但初始磁导率大的晶粒尺寸大、密度大、孔隙少、磁化时畴壁易移动，此时畴壁的移动成为主要限制因子[4]。实际上影响的因素会更为复杂，包括主成分、添加剂的配比、预烧工艺、球磨工艺、生胚成型、烧结终温和气氛。

高初始磁导率锰锌铁氧体广泛应用于磁性流体、微波设备、计算机存储芯片、磁性记录介质、射频线圈、变压器、轴承座线圈、噪声滤波器、记录航向和杆状天线的制造[9]。在实际生产过程中去毛边、运输碰撞、涂装、绕线、封装等工艺会使磁芯内部产生内应力，特别是铁磁芯涂覆环氧树脂，环氧树脂在硬化时收缩，对磁芯施加永久压应力[10]，磁致伸缩的影响，铁氧体的磁性能会显示出对外加应力的敏感性，低磁致伸缩材料通常被认为对应力不敏感[11]。研究垂直压力对高初始磁导率锰锌铁氧体的涂装、非涂装磁环应力影响，并探索回流焊的高温作用对涂装、非涂装磁环的铁磁芯内应力的变化的意义很大，为后续研究内应力和实际生产提供技术性指导。

2 实验方法

2.1 样品

越峰电子（广州）有限公司的三款产品，A043T6*3*3 、A064T6*3*3和 A104T6*3*3以及真空沉积工艺，表面包裹派瑞林材料的A043T6*3*3HP 、A064T6*3*3 HP和 A104T6*3*3 HP。

2.2 测试方法

用数显固体密度测试仪测试非涂装磁环的密度；用Aglient精密型LCR表测试磁环在开路电压50mV，频率10kHz下的电感Ls；使用推拉力计测试施加垂直压力的压力值；利用回流焊，型号T962模拟热处理过程；使用IWATSU全自动功率损耗B-H测试仪测试Bm，Hc值。

3 结果与分析

3.1 高初始磁导率锰锌铁氧体密度测试

表1为选用的三款高、中、低初始磁导率锰锌铁氧体的磁性特性以及测试的密度值，随机取5颗测试，剔除最高和最低值后的平均值作为测试的值，可以发现，μi值越大，密度越大。高初始磁导率的材质具有较大晶粒尺寸、无巨晶、高纯度、低杂质的特点，烧结工艺烧结温度对其晶粒的成长影响不可忽略，研究的三款材料烧结终温变大，晶粒中空隙变小，材料掺杂程度越高，空隙越多，将导致畴壁移动困难，进而材料的初始磁导率就越小。

3.2 垂直力对高初始磁导率锰锌铁氧体性能的影响

考虑受力过大，Ui的降幅巨大，垂直力研究范围为1～5kg/f，测试点取5个整数，分别为：1kg/f、2kg/f、3kg/f、4kg/f、5kg/f。测试方法如图1所示，将铜线两端连接Agilent E4980A进行测试，绕线铜线暴露放U型实心铝块外部，以防铜线被压，磁环放在两U型实心铝块间，用推拉力计压在上方的U型实心铝块上，并控制压力大小，稳定压力3s后读出电感Ls。

图2为不同大小垂直外加力对初始磁导率μi的影响，如图2所示，垂直力对外径为6mm的磁环的μi影响显著，初始磁导率的大小与垂直外加力对初始磁导率影响的大小成正相关性，即初始磁导率越大的材料，垂直力对其μi的影响显著变高[12]。非涂装（左）和涂装磁环（右）均符合。

TDK的Isao Kanada[13]等发现结晶粒径变大是应力对材质初始磁导率（用μi表示）降幅变大的原因，初始磁导率低的锰锌铁氧体，环境温度变化对其μi的影响较低。在垂直外力作用下，材质的Tsmp点移动不明显，对初始磁导率的影响较弱[10]。初始磁导率对应力的稳定性受微细结构的影响，铁氧体的磁致伸缩被认为是其应力敏感性的一个重要原因[10]，压力通过改变畴壁形貌影响磁化机制。在晶粒范围（畴壁范围）存在局部各向异性应力，这种感应的磁弹性各向异性影响畴壁位置，涉及在样本范围内畴壁的环形配置的退化[14]。负磁致伸缩越大，引起的各向异性越大，抑制了低μi材质对压力的敏感性。低μi值材质相对于高μi值的，添加剂较多，在耐应力上表现的好。

3.3 回流焊对高初始磁导率锰锌铁氧体性能的影响

表2为Φ0.25mm铜线绕线10圈，回流焊（高温250℃停留3min，总时间7min）处理前后，使用IWATSU全自动功率损耗B-H测试仪（N1=N2=10，测试频率f为10kHz，磁场强度H为400A/m）测试感值、饱和磁通密度（Bm）和磁通量（Hc）的值。表2可见，回流焊后电感Ls（根据公式①可算换出对应初始磁导率值）出现提升，说明回流焊中高温过程对材料的应力释放有效，特别是高μi（μi=10000材质）非涂装和涂装磁环的内应力释放效果明显，感值出现较大升幅，涂装磁环的升幅更大。

树脂包覆铁氧体磁芯，可以保证磁芯的耐冲击性和耐湿性，但树脂固化和收缩时，应力会直接加在磁芯上，封装后的铁氧体磁芯会受到约10 MPa的压应力，一般来说，初始磁导率较高，应力引起的μi值降幅较大[13]，而回流焊的高温过程将内涂装以及材料的内应力释放。

值得注意的是，经过回流焊后的Bm表现出变大的趋势。初始磁导率的增大会使饱和磁矩增大。

公式：

μi=Ls× ①

其中μi：初始磁导率；

N：测试时铜线的绕线圈数；

Ls：绕线测试的多圈电感值；

Le：磁芯有效磁路长度；

Ae：磁芯有效面积

4 结论

（1）垂直力对外径为6mm的磁环的μi影响显著，初始磁导率的大小与垂直外加力对初始磁导率影响的大小成正相关性，即初始磁导率越大的材料，垂直力对非涂装和涂装的磁环μi影响显著变高。

（2）回流焊中高温过程对材料的应力释放有效，特别是高μi（μi=10000材质）的非涂装和涂装磁环的内应力释放效果明显，感值出现较大升幅，涂装磁环的升幅更大。经过回流焊后的Bm表现出变大的趋势。初始磁导率的增大会使饱和磁矩增大。

参考文献

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