微波暗室用NiZn铁氧体吸波体工艺技术与市场前景

2012-12-29 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

1.引言

微波暗室是电磁兼容(EMC)试验、测试的关键装备和理想场地,微波暗室又称屏蔽暗室、电波暗室、无反射屏蔽室等。

目前用于EMC微波暗室的吸波材料主要有三类:介电损耗型吸波材料、铁氧体磁性吸波材料以及复合吸波材料等。铁氧体吸波体直接贴在屏蔽暗室的金属壁上,可最大限度地吸收电磁波的低频部分。FCC和欧盟标准要求EMC测试的频率下限为30MHz,因此EMC微波暗室必须在这一频率范围内提供可接受的测试精度。国际电工委员会(IEC)定义了测试电子设备辐射敏感度的均匀场要求的频率范围最低到26MHz,所以微波暗室的低频性能十分引人注目,铁氧体磁性吸波材料因此成了微波暗室质量的关键。

本文简要介绍了本公司以R3K射频宽带NiZn铁氧体材料为基础,开发EMC微波暗室用铁氧体吸波体(砖)系列产品的大生产工艺技术,并讨论了该产品的市场发展前景。

2. 产品技术性能

尖晶石型立方晶系铁氧体材料是使用最早也是目前最为广泛应用的磁性吸波材料,包括MnZn、NiZn、NiCuZn、MnMgZn等系列,其中尤以NiZn铁氧体的宽带吸波性能为最佳。关于微波暗室用铁氧体吸波材料性能分析和吸波体(砖)的吸波性能与其磁损耗角正切之间的理论分析,作者已有专文介绍,在此不再赘述。

本公司以R3K射频宽带NiZn铁氧体材料为基础,研制成的XFT—100系列铁氧体吸波体产品,具有频带宽、吸波好、性/价比优等特点,已通过了四川省科技厅组织的科技成果鉴定,经江苏省电磁兼容测试站检测和专家鉴定,认为其性能处于国内领先,达到国外同类产品水平。公司现已制定了Q/MXD107—2002企业标准,其主要技术性能指标如表1、2所示,当然也可按用户要求组织生产。目前本公司已形成年产100吨的微波暗室用宽带NiZn铁氧体吸波材料中试生产线,每年可稳定生产铁氧体吸波体(也可称为吸波砖或吸波瓦)系列产品约30万块(片),合格率达95%以上,正拟进一步建设产业化基地。

1  XFT100系列铁氧体吸波体产品的技术性能指标

初始磁导率μi:2500±20%;
吸波性能(反射损耗)RL-20dB
频率范围f30—400MHz
铁氧体吸波材料密度ρ≥5.0g/cm3
铁氧体吸波体尺寸100×100系列(见表2)

2  XFT100系列铁氧体吸波体产品的外形尺寸

型号尺寸(mm)厚度(mm)重量(g)备注
XFT-100100×1006.0300中心无孔
XFT-100h100×1006.0300中心有φ10mm孔
XFT-100G100×10019.0570带网格

3. 大生产工艺流程与技术创新

公司在现有年产100吨微波暗室用宽带NiZn铁氧体吸波材料中试生产线的基础上,正在进一步实施产业化,其大生产工艺技术途径采用美、日等国先进的铁氧体干法生产工艺,又称为氧化物工艺,其工艺流程如图1所示。 

图1  微波暗室用铁氧体吸波体生产工艺流程

在建设年产100吨微波暗室用射频宽带NiZn铁氧体吸波材料中试线过程中,公司集中精力,以科技为先导,实现了配方优化设计、1000吨大型液压机自动成型、精密控温保形烧结和全六面高精度研磨等技术创新,并申请了两项专利(专利号02336737.7等)。

众所周知,为了获得频率范围宽、吸波性能好的铁氧体吸波材料,首先应从配方入手,通过适当掺杂,提高μ值,包括μi和μ″,以改善低微波频段的吸波性能;其次,由于吸波性能与吸波体匹配厚度d密切相关,所以从制造工艺上应确保吸波体的高致密性,以减小吸波材料的体积和重量;最后,根据铁氧体材料硬而脆的特点,必须提高吸波材料的可加工性,以满足电波暗室的整体装配要求。因此,如何以技术创新为动力,提高批量产品合格率,大幅度降低生产成本,也就成为该系列产品市场竞争力的关键。

宽带NiZn铁氧体吸波材料组合掺杂技术创新

根据微波暗室用铁氧体吸波材料性能分析,公司在原有R3K射频宽带NiZn铁氧体材料系列科技成果的基础上,强化了高纯原材料的定点和入库分析检验,同时,采用本公司自主开发的特殊制粉工艺,重点进行合理掺杂配方和优化设计试验。通过反复试验和不懈努力,最后找到了以Co、Cu离子为主体的组合掺杂新配方,以提高μi和μ″值,从而既保持了R3K射频NiZn铁氧体材料原有的宽频带和μi为2500以上的高磁导率特性,同时又具有良好的低微波频段的吸波性能。

1000吨大吨位液压机自动成型技术创新

目前广泛用于电脑、通讯、网络和各种家电产品中的NiZn铁氧体元件越来越小,最小的环形小磁芯仅0.05克,通常采用多工位精密旋转压机自动成型,最小的旋转压机压力为1吨,而微波暗室用宽带NiZn铁氧体吸波体根据暗室的整体装配要求和TDK、村田等国外著名大公司的标准,均需将铁氧体吸波体加工成100×100×(5—7)mm的大块贴砖或磁瓦,有的还需要加工成中间具有安装孔或网格状产品。此时,吸波体成品单件重为300—400克,几乎是上述小磁芯的1000倍。目前国产自动成型液压机最大压力为230吨,为保证NiZn铁氧体吸波体的高密度成型,公司利用生产高档瓷砖的1000吨大型液压机,将其改造为可生产120×120×(7—8)mm大块铁氧体生坯的自动压机,在工艺技术和专用设备改造方面取得了重大突破,解决了制粉质量与自动进料、一模多件自动模具设计、生坯密度均匀性等一系列工艺技术问题,在国内率先实现了采用1000吨大型精密液压机自动成型的新技术。

★精密控温保形烧结技术创新

采用氧化物法生产NiZn铁氧体的工艺技术中,配方是基础,成型是保证,烧结是关键。在通常情况下,无论何种窑炉设备、采用何种烧结制度,要将外形尺寸大于120×120×(7—8)mm的大而薄的铁氧体生坯经1200—1300℃的高温烧结而保持不变形是非常困难的。本公司经过多次失败和试验,终于建立起了一套独具特色的精密控温保形烧结工艺技术,包括隧道窑窑腔高度及出料口改造,采用定制的承烧板和特殊的生坯装料方法,再辅以精密控温、慢速推进等适合大而薄的铁氧体生坯烧结曲线,终于比较彻底地解决了因烧结时不均匀收缩而变形、开裂等现象,从而将NiZn铁氧体磁性吸波体的烧结合格率提高到95%以上。

★全六面高精度自动研磨技术创新

按照微波暗室的整体设计规范,成品为100×100×(5~7)mm的大块吸波体或铁氧体磁瓦需紧贴于暗室的金属壁上,所以对宽带NiZn铁氧体吸波体外形尺寸和表面质量要求都非常苛刻,不但需要六面磨光,无缺角、掉边及微裂纹,而且尺寸精度和形位公差要求很高,使吸波体之间的装配缝隙足够小,否则将影响微波暗室的整体技术性能,甚至需返工重建。

为此,公司借鉴永磁铁氧体如6×6×1英寸的大磁块双端面磨加工技术,投资购买了通过式自动磨床、超声波清洗机和红外烘干设备,设计制作了专用夹具,并针对容易缺角、崩边等难题,一方面通过组合掺杂配方、控制烧结温度等措施,提高宽带NiZn铁氧体吸波体的可加工性,另一方面独劈蹊径,摸索出了一套技术诀窍,使磨加工合格率几乎达到100%。

4. 市场应用前景

4.1中国建设微波暗室的重要意义

——微波暗室是营造绿色电磁环境的重要技术手段

二十一世纪是信息爆炸的时代,信息的产生、传递、接收、处理和存储等大都依赖电磁信号作为载体。电子信息技术的迅猛发展,不但使人类的文明与进步上了一个新台阶,同时也给这个世界带来了电磁污染问题。实际上,电磁污染已成为继水源、大气、噪声之后的第四大环境污染源。

为了实现可持续发展的绿色电磁环境,任何电子电气产品除了本身能够承受一定的外来电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)而能保持正常工作外,还必须做到不对其它电子电气设备产生无法容忍的电磁干扰。此类产品就可认为抗EMI性能高,亦即具有良好的电磁兼容(Electro-Magnetic Compatibility,EMC)性。而为了提高电子电气产品EMC性能,首先要从系统集成、电路设计、结构设计和软件方面抓起;然后需优选各种电子材料和电子元器件,采取吸收、屏蔽、滤波、抑制等各种手段;最后还得进行计算机模拟仿真和测试检验。而微波暗室就是研究和测试电子电气产品EMC性能的重要和关键手段之一。

——微波暗室是确保国家信息安全的重要技术保证

从信息安全角度来看,一方面,军事电子装备和作战武器平台必须具有强有力的抗EMI性能,另一方面,自身的信号辐射、泄漏应尽可能降低,以保证军事信息的安全性。另外,随着经济全球化进程的加速,大至一个国家,小到一个企业,经济信息的安全性也已提高到十分重要的地位。尤其是财政、金融、规划计划、核心技术及市场营销等要害部门更是如此。

早在上个世纪四、五十年代,美国军方就开始关注电子装备的EMC问题,到八十年代,美国已形成军用MIL-F-15773无线电干扰总规范和民用FCC标准两大系列EMC标准;德国制订了VDE标准,并被作为欧共体EMC标准的基础,1993年开始强制执行;日本和前苏也相继制订了各自的EMC标准。我国从1998年起正式推行EMC系列标准,至今已发表47项以上,并从2003年8月1日起强制执行。从军事应用领域来看,EMC微波暗室不但用来测试、检查、验证军事电子装备和军用电子元器件的EMC性能,还可用作三军协同指挥中心、各级军事单位的核心要害部门等。

——微波暗室是推动外贸出口发展高新产品的重要技术基础

我国加入WTO后,必须全面贯彻执行EMC国际标准和国家标准,尤其是作为IT和家电生产大国,凡是EMC未达标的产品,就不能销售,更无法进入国际市场。在降低和取消关税壁垒之后,EMC技术标准等非关税壁垒必将成为国际贸易中竞争各方手中的一个重要砝码。同时,为了改善我国人民的生存和生活环境,将电磁污染超标的“垃圾产品”拒之于国门之外,也已成为各级政府和有关主管部门的头等大事。要在国际贸易纠纷中立于不败之地,我们必须建设符合国际标准的EMC微波暗室,对进出口的电子电气产品和相关产品,按照国际标准和国家标准,进行检测和检验,用数据说话,严格把关,一丝不苟,在国际上树立起负责任的大国形象。去年,我国进出口总量达到创记录的6000亿美元,居全球第五位。为了实现国民经济可持续跨越式发展,扩大进出口贸易,增强综合国力,不断提高电子电气产品EMC性能,已经迫在眉睫。

科技是第一生产力。为了发展高科技,实现产业化,不断向国内外市场推出高新技术产品,逐步改善中国作为“世界工厂”的产业结构,促使我国电子电气产品的快速升级换代,在新产品设计、制造、试验、检测等各个重要环节中,进一步全面贯彻执行EMC国际标准和国家标准,也已成为我国科技界、产业界不可等闲视之的一个非常现实的问题。而微波暗室正是各类研究院所、大专院校和有关的大中型企业发展高科技产品的重要技术基础。

4.2中国的“微波暗室热”刚刚拉开序幕

我国在电磁兼容(EMC)技术领域和微波暗室技术的研究方面起步较晚。随着我国对外贸易迅速增长,融入经济全球化的速度加快,随着我国强制性产品认证办法的公布和实施,相关电子电气产品要获得3C认证均必须进行EMC检测,以便尽快实现与国际接轨。

受到这一巨大商机的吸引,国际上著名的电磁兼容测试及设备,包括微波暗室供应商,如美国ETS、比利时爱默生—卡门(Emerson & Cuming Microwave Products)、德国FRANKONIA公司以及台湾的程智集团等纷纷涌入中国大陆建暗室、卖设备、作认证等。据不完全统计,仅电脑、通讯和家电行业正在建设和近两年计划建设EMC微波暗室的单位就有数十家,总投资超过6亿元,而铁氧体吸波材料约占微波暗室总造价的20%,目前绝大部分均采用国外进口产品,如美国ETS、比利时爱默生—卡门、日本TDK、FDK、住友、村田和韩国SAMWHA生产的铁氧体吸波体,而我国至今还没有一家能够批量生产满足微波暗室需要的铁氧体吸波材料的企业。其中,引领全球磁性行业科技潮流的TDK公司大量生产铁氧体吸波体已有20多年的历史,占有大部分市场份额,而韩国SAMWHA公司则是后起之秀,近年来依靠价格与服务,向TDK等日本公司挑战,面对中国大陆加入WTO后经济起飞、国际贸易倍增而引发的“微波暗室热”,台湾程智集团等最近也进军大陆市场,与日、韩公司展开了激烈的竞争。从中国市场层面上看,目前韩国产品的性/价比具有相对的优势。

进入21世纪,中国已成为全世界磁性材料生产大国,在铁氧体永磁、软磁及稀土永磁等领域内取得了引人注目的技术进步。因此,充分发挥我国资源、劳动力及生产技术方面的优势,积极开发和大量生产微波暗室用的铁氧体吸波材料,敢于与国外厂商一争高下,不但满足国内需求,而且还可出口海外,具有十分重要的现实意义和经济意义。

5. 结论——联合起来、占领市场

本公司是四川省认定的一家高科技民营企业,先后开发成功的R3K射频宽带NiZn铁氧体和R15K高导MnZn铁氧体磁芯系列产品,均荣获四川省科技进步三等奖。在此基础上,公司根据国内外有关信息,着手研发微波暗室用铁氧体吸波材料。经过两年多的努力,公司已研制成功三种规格的铁氧体吸波体,在工艺技术方面实现了一系列重大突破,并申请了两项国家专利。产品经江苏省计量测试网络电磁兼容测试站及日、德、法等国厂商的检测与批量试用,并由四川省和绵阳市有关部门组织东南大学、西南科技大学、中国西南应用磁学研究所等国内专家对该系列产品进行了科技成果鉴定,与会专家一致认为,本公司研发的微波暗室用宽带NiZn铁氧体吸波体系列产品具有频带宽、吸波好、性/价比优等特点,各项性能指标处于国内领先,达到了国外同类产品水平。

目前公司正积极筹措资金,加大投入力度,稳定生产工艺,在年产100吨微波暗室用宽带NiZn铁氧体吸波体中试线的基础上,进一步实现产业化。公司正积极拓展市场,与国内外相关厂商建立了广泛的技术与商贸联系。公司真诚希望与国内外微波暗室设计、施工及相关单位以各种形式紧密合作,组建联合舰队,共同努力,占领国内外市场。

参考资料
[1] 邓廷成 任斌 何秀英,国际电子变压器,No.1,2003,P99
[2] 何秀英 任斌 邓廷成,第六届国内外磁学与磁性材料发展及应用技术交流会暨海峡两岸磁学与磁性材料研讨会(海南博鳌)论文集,2003.2,P153

作者:四川绵阳新欣电子有限公司  邓廷成 何秀英 凌跃辉

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