微波铁氧体材料技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

以往微波铁氧体材料与器件的生产大多是多品种、小批量的，其生产方式基本上属于手工作坊式。接到任务后一般都以赶超国内外先进水平为目标，在技术性能上反复琢磨，因此开发研制成的试样往往都称得上精品。然而，这种经反复修改调试而成的试样很难投入中试或批生产，要将试样投入生产并使其具备批生产的条件，还有很长一段路要走。批生产首先要求固化生产工艺，其次应有必备的工装模夹具，另外，对生产线还要进行良好的组织和管理等等。在生产过程中一致性、可靠性和电磁兼容性一直是比较重要的内容。

１、一致性

在组织产品的批生产过程中，一致性和重复性是头等重要的大事。产品批生产过程必须通过流水线来实现，一人一个工位，不得随意更改任何工序或工艺，否则产品无法实施生产。影响微波铁氧体器件性能一致性的因素很多，主要有：

1）原材料

微波铁氧体材料是微波铁氧体器件的基础，而·24·生产微波铁氧体材料所用的原材料的供应又是基础的基础。由于微波应用磁学专业面较窄，产量上不去，因此尚未出现微波铁氧体材料专用原材料的生产供应商，结果造成不同厂家或同一厂家不同批次原材料性能的差异，这对微波铁氧体材料的一致性影响极大。另外，微波铁氧体材料生产设备的优劣也是十分关键的因素。例如，近年来国内相继引进了国外的某些关键设备，这对生产相控阵雷达用的、一致性要求很高的微波铁氧体器件起了重要的作用。

2）微波铁氧体材料工艺

要生产出高质量的微波铁氧体器件，必须有高质量的微波铁氧体材料来保证。所以，要对材料的生产工艺加以优化并进行固化，要使不同的人能生产出同样性能的微波铁氧体材料，从而确保微波铁氧体器件成品的一致性。

3）材料的磨抛加工

微波产品由于其工作波长短，因此对微波铁氧体材料的尺寸较敏感，所以在高质量的微波铁氧体材料生产出来之后，还必须进行磨抛加工，使尺寸在一定的公差范围内，这样才能确保产品的一致性。

4）微波铁氧体器件结构加工

微波铁氧体器件一般都有金属外壳，此外壳结构件的加工质量对产品的一致性也会产生很大的影响，故在投产时也必须认真考虑其公差。

5）微波铁氧体器件的中试生产

在投入批生产之前，必须有一个中试生产阶段。因为每一个产品在实验室完成开发研制后尚有许多不完善之处，在中试阶段就会暴露出这样或那样的问题。只有把暴露出来的各种问题都解决了，再加上必要的辅助手段，如工装模夹具等，才能为制订生产线的工位和工序提供各种可靠的信息，然后很好地组织批生产，以确保产品的一致性。

２、可靠性

因为大型相控阵雷达对微波铁氧体器件的可靠性要求十分高，所以在方案论证阶段，必须对可靠性措施进行详细的论证，以确保其平均故障间隔时间（MTBF）及平均失效时间（MTTF）技术措施的实现。

３、电磁兼容性

无源相控阵雷达用的微波铁氧体移相器由移相器本体、驱动器和波控器三者有机组成，因此它是一个组件形式。电路走线象蜘蛛网似的，令人眼花缭乱，所以在设计阶段也必须对其电磁兼容性认真加以考虑，以确保电磁兼容性指标切实可行，否则在整机联试时就会出现一些莫名其妙的现象，使人摸不着头脑而无从下手，既影响整机性能，又拖延了产品生产周期。

第二节 产品工艺特点或流程

上世纪90年代之前，国内铁氧体用氧化铁的主要制备方法为硫酸亚铁法，而随着国内钢铁企业酸再生装置的投入使用，现氧化铁的主要制备方法为氯化亚铁法。

铁氧体用氧化铁制备工艺流程

原材料检验：对各种原材料纯度及含杂量进行检验。

配料：为粉料提供合适的化学成分。

混合：使粉料均衡。

预烧：使粉料初步铁氧体化，减少烧结变形

粉碎：对预烧料颗粒进行破碎，并制成具有一定粒度及粘度的料浆。

加醇搅拌：使料浆与PVA溶液充分混合。

造粒：使料浆干燥成具有一定粒度的颗粒料。

成型：将颗粒料压制成具有一定外形、尺寸和强度的坯件。

烧结：使成型坯件进一步铁氧体化。

磨加工：使磁心具有良好的尺寸精度，性能符合物理特性。

检分：对产品进行分选并剔除不合格。

包装：对产品进行有效包装，避免在储存和运输中损伤。

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

制造高性能的铁氧体磁心，往往需要使用高档原材料。通过加入适量的添加剂、改良制造与烧结工艺等。随着现代工业技术的飞跃发展，又涌现出一批新的铁氧体制造工艺与方法。

1、火花等离子烧结(SparkPlasmaSintering简称SPS)

SPS是一种新的烧结方法，铁氧体粉料放人石墨制成的模腔中(上下冲头也是由石墨制成)，在给粉料加上轴向压力的同时，粉料之间产生高能火花等离子。与传统方法相比，SPS可以使烧结在较低的温度和较短的时间内完成。S.Yamamoto等利用SPS方法成功制成多层MnZn铁氧体／坡莫合金磁心。这种无法以通常方法制成的磁心兼顾了MnZn铁氧体良好的高频性能与坡莫合金高磁导率与高饱和磁通密度的特性，预计这种新型磁心在高频磁性器件方面具有良好的应用前景。

2、自燃烧合成法(Self-Combustion)

按照铁氧体配方，配好相应的金属硝酸盐混和物，溶于去离子水中，将溶液加热到40～50℃以保证硝酸盐充分溶解，然后与聚乙烯醇PVA溶液等体积混和。再加入一些氨水，得到溶于PVA溶液中的金属氢氧化物胶体以及硝酸铵溶液，由于溶液呈胶质状态，因此，金属氢氧化物不会发生絮凝，而被均匀分解。胶体浓度越高，则得到的混合物越均匀。

该混和物在100℃烘干后，变成一种含有金属氢氧化物、PVA、硝酸铵以及微量水的块状固体，稍稍敲碎后，放到金属盘中，在托盘一角点火，则硝酸铵与聚乙烯醇PVA发生化学反应，产生大量的热，火焰将沿着粉料表面蔓延开去。

燃烧后的粉料，一般来说，还需要在空气中于450℃保温1小时，以消除其中的碳元素，并使化学反应充分，晶粒长大。

3、自蔓延高温合成法(Self-PropagationHighTemperatureSynthesis简称SHS)

自蔓延高温合成法(SHS)是近年来发展起来制备材料的新方法，很有发展前途,属高新技术领域。该技术最早由俄罗斯科学家发明，现在成了各国争相 研究 的对象，其原理是利用反应物内部的化学能来合成材料。反应物一经点燃，燃烧反应即可自行维持一般不再需要补充能量。整个工艺极为简单，能耗低、生产效率与产品纯度也高。同时，由于燃烧过程中高的温度梯度及快的冷却速率，易于获得亚稳态相，使产物具有较好的活性。

SHS过程一般有以下特点：(1)燃烧温度高，一般为1000～3000℃，最高可达4500℃（2)燃烧波传播速度快，反应时间只在秒级，而不是常规的小时级，从而大大缩短合成时间；(3)反应物一经点燃，即不需要外界提供能量，因而可以大大节约能源；(4)一般只有凝聚态产物，对环境无污染；(5)可控制产物的冷却速度等工艺参数，从而达到控制产物结构的目的。

L.Affleck等则利用SHS方法成功合成了Mg铁氧体，MgZn，MnZn，NiZn等铁氧体。

国内浙江脱克复合材料有限公司从美国、日本、俄罗斯等国引进了成套SHS反应设备，使SHS技术真正产业化，目前已批量生成AIN功能陶瓷，并准备用来生产MnZn、NiZn等铁氧体材料。

4、快速燃烧合成技术(Flash-Combustion-Techniqul简称FCT)

FCT也是一种固态反应合成技术，但是与传统的氧化物合成技术所不同的是：前者是将金属盐类以分子尺度均匀混合；而后者则需要将金属氧化物通过机械混合(强混、球磨或研磨)方能达到一定的均匀度，但却不可避免地受到污染或引入一些有害杂质。国外有人利用该法合成了NiZn铁氧体，其方法是：按照配方配好金属硝酸盐混匀，加入适量的尿素塑料作为点火剂。将混和物放入加热到500℃的电加热炉中，混和物将会在3分钟内变成泡沫状，多气孔结构，铁氧体粉料即形成。

5、水热合成法(HydrothermalMethod)

利用水热合成法来制备一些特殊性能的铁氧体是十分有效的，例如：应用在高频状态下的高密度、细晶粒、低损耗(包括强场与弱场损耗)MnZn与NiZn铁氧体的制备。该技术尽管早在70年代即被法国人发明，用来合成MnZn铁氧体，但是合成的颗粒较大，而且成份也较难以控制。

近来，日本人在较低温度下，利用弱碱性条件下的水热合成法，制备了较细的MnZn铁氧体颗粒(0.05～0.20μm)，而且颗粒大小、化学成份可以严格控制。这些颗粒具有较好的形状和很窄的粒度分布，利用水热合成法可以获得具有更细小(2.3μm)均匀显示微结构的铁氧体磁心。

6、新型水热合成法

该方法不同于上述介绍的水热合成法，其反应物不是由盐类，而是由金属氧化物开始。将各种金属氧化物与去离子水在球磨机或砂磨机中充分混合均匀，然后将这些氧化物悬浮液送到高压反应锅中，在160～310℃温度下处理一定的时间，得到平均粒度为0.8μm的粉料。其主要成份为：ZnFe2O4、锰铁氧体及一些未反应的金属氧化物，通过调节反应温度及合成时间，可以控制铁氧体粉料中各相的比例，以及颗粒形态。与传统方法制得的铁氧体粉料相比，发现在260℃处理10小时的水热反应条件下，可以使磁心的功耗大幅度下降，并远远低于传统方法。

7、机械合金法

据最近报道，利用机械合金法已经成功制备了Ba-和Sr-六角晶系和Co-尖晶石以及Mn铁氧体等纳米晶铁氧体粉料。其方法是：利用Fe2O3，Mn2O3和金属锰作原料，于球磨机中在空气或氩气氛下球磨5～110小时；然后在真空炉中于300～900℃退火30分钟，可以合成差不多都是尖晶石Mn铁氧体,这些粉料具有纳米晶结构，平均颗粒尺寸35～40nm，用机械合金法制得的软磁铁氧体粉料，有希望成为高频应用的后备材料，通过低温烧结或者热压，可以开发出高密度的块状材料。

8、铁氧体微波烧结工艺

利用微波烧结工艺可以大大降低MnZn铁氧体的功耗。与传统工艺相比，微波烧结只需在很短的时间即可完成，从而获得细晶粒、高密度的铁氧体磁心，这是由于微波烧结使铁氧体坯件各部分同时受热升温，从而获得均匀的显微结构。而采用传统烧结工艺，铁氧体坯件内部受热要迟于坯件表面；此外，由于微波烧结时间(通常30分钟)远远小于传统时间(18～30小时)在节省大量能源的同时，又避免了zn的挥发。这无疑对铁氧体性能的提高是有利的。

微波铁氧体器件的发展趋势是组件化、片式化、多功能化、宽带化和高功率。近年来由于移动通信的迅猛发展，推动了一批高性能表面贴装微波器件及功能模块的问世并获得了广泛应用。其中包括低温共烧铁氧体/陶瓷叠层表面贴装微波器件，如片式叠层天线、片式双工器、片式功率分配器和叠层铁氧体移相器等。用湿化学或其他方法制备的低温共烧微波铁氧体纳米材料、浆料和生坯带等已成为微波铁氧体材料研制的新热点。

此外，高功率材料的晶粒细化新工艺、六角晶系铁氧体薄膜、亚毫米波用反铁磁材料等也将有所发展。

 

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