CN101004962A

CN101004962A - 高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法

Info

Publication number: CN101004962A
Application number: CN 200610022471
Authority: CN
Inventors: 余忠; 兰中文; 孙科; 陈盛明
Original assignee: Jingshi Magnetic Materials & Element Engineering Tech Research Co Ltd; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Jingshi Magnetic Materials & Element Engineering Tech Research Co Ltd; University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: CN100454450C

Abstract

本发明公开了一种高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，它包括以下步骤：1)51～55mol％Fe₂O₃，5～10mol％ZnO，35～44mol％MnCO₃球磨混合均匀；2)将步骤1)所得粉料800～1000℃下预烧；3)将步骤2)所得料粉按质量比加入以下添加剂：0.01～0.4wt％CaO、0.01～0.5wt％TiO₂、0.01～0.3wt％SnO₂、0.01～0.2wt％Nb₂O₅、0.01～0.2wt％K₂CO₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；4)成型；5)烧结。本方法由于采用加大添加剂掺入量的特点，增大材料的晶界电阻率，降低高频下的涡流损耗，从而达到降低高频损耗的目的。

Description

高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料技术，特别涉及高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备技术。

背景技术

随着电子信息产业的迅速发展，MnZn铁氧体的应用范围日益增大。由于MnZn铁氧体具有高饱和磁通密度(B_s)、高磁导率(μ)、高电阻率(ρ)、低损耗(P_L)等特性，因而被广泛地应用于各种电子元器件中，如功率变压器、扼流线圈、脉冲宽带变压器、磁偏转装置和传感器等。利用MnZn铁氧体高饱和磁通密度、高电阻率和低损耗等特性制成的铁氧体磁芯，已经成为了计算机、通讯、彩电、录像机、办公自动化及其它电子设备不可缺少的基础元件。

一般地，依据应用场合不同，MnZn铁氧体大体可分为主要用于信号传输和转换的高导铁氧体和主要用于功率传输与转换的功率铁氧体两大类。我国在1997年发布的SJ/T1766-1997《软磁铁氧体材料分类》行业标准中，按工作频率不同，把功率铁氧体材料分成了PW1～PW5五类：PW1材料的工作频率为15～100kHz，PW2的为25～200kHz，PW3的为100～300kHz，PW4的为0.3～1MHz，PW5的为1～3MHz。功率铁氧体主要用于开关电源变压器磁芯。

开关电源被广泛应用于工业、民用及军事电子设备的各个领域，是现代电子设备的重要组成部分。电子产品向小型化方向发展的技术趋势，要求开关电源体积小、重量轻、可靠性高。而其核心部件主变压器的体积和重量，是构成开关电源体积和重量的主要部分。根据变压器工作的原理，输出电压与频率成正比(V_m＝KfB_mAN)，因此要缩小体积和重量就要提高开关电源工作频率，而制约这一目标实现的关键技术之一就是开关电源用铁氧体材料的高频低损耗技术。目前，国内大多数企业生产的是相当于PW1～PW3的功率铁氧体材料，只有少数企业能批量生产PW4的功率铁氧体材料(如PC50)，而工作于1～3MHz的PW5MnZn功率铁氧体，国外已有报道(如荷兰Ferroxcube公司的3F4材料)，而国内尚未见同类报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：

1)51～55mol％Fe₂O₃，5～10mol％ZnO，35～44mol％MnCO₃球磨混合均匀；

2)将步骤1)所得粉料800～1000℃下预烧；

3)将步骤2)所得料粉按质量比加入以下添加剂：0.01～0.4wt％CaO、0.01～0.5wt％TiO₂、0.01～0.3wt％SnO₂、0.01～0.2wt％Nb₂O₅、0.01～0.2wt％K₂CO₃，并用超硬锆球再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级(＜1μm)；

4)成型；

5)烧结。

进一步的，所述步骤4为：将步骤3所得料粉按质量比加入8～12wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件。所述步骤5为：将步骤4成型所得坯件置于气氛烧结炉内烧结，在1200～1300℃保温2～6小时，其中保温段氧分压为1～8％；降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

更具体的说，步骤1)为：53.5mol％Fe₂O₃，6.5mol％ZnO，40mol％MnCO₃球磨混合均匀：步骤2)为：将步骤1)所得粉料950℃下预烧1.5小时；步骤3)为：将步骤2)所得料粉按质量比加入以下添加剂：0.3wt％CaO、0.4wt％TiO₂、0.1wt％SnO₂、0.025wt％Nb₂O₅、0.05wt％K₂CO₃，并用超硬锆球再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级(＜1μm)：步骤4)为：将步骤3)所得料粉按质量比加入10wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；步骤5)为：将步骤4所得坯件在气氛烧结炉内，在氧分压为4％的平衡气氛中，在1240℃温度下烧结3小时。

经过以上工艺制备出的工作于1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料，晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约为3～5μm。材料磁性能用日本岩崎SY-8232 B-H分析仪测试，密度用MD-2磁芯密度自动测试仪测试，其性能指标如下：

起始磁导率μ_i：900±20％

损耗P_L：在1MHz，30mT条件下，25～100℃宽温范围内，损耗p_L≤200kW.m^-3：在3MHz，10mT条件下，25～100℃宽温范围内，损耗P_L≤320kW.m^-3。

饱和磁感应强度B_s：≥350mT(25℃)

居里温度T_c：≥220℃

剩磁B_r：≤150mT(25℃)

矫顽力H_c：≤40A·m^-1

密度d：4.8g·cm^-3

铁氧体损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。当频率超过200kHz时，涡流损耗超过磁滞损耗在总损耗中占主导地位，成为高频损耗的最主要部分。因此，在保持较低磁滞损耗和剩余损耗的同时尽可能降低涡流损耗是高频低损耗铁氧体材料制备的关键。涡流损耗不仅与材料电阻率ρ有关，还与材料的平均晶粒尺寸d有关，即P_e∝d²/ρ。降低涡流损耗的有效方法是采用添加剂在晶界形成高阻层以提高晶界电阻率以及晶粒内的电阻率和控制晶粒尺寸。目前，国内外普遍采用的方法是用CaO联合SiO₂作添加剂，因其富集于晶界，能够形成高电阻晶界层，可达到降低高频涡流损耗的目的，当前的烧结温度为1300～1500℃，工作频率低于1MHz。但是，另一方面，SiO₂可以与Fe₂O₃反应生成Fe₂(SiO₃)₃，其熔点为1150℃，较铁氧体烧结温度1200～1500℃低，容易在烧结时出现异常晶粒长大的现象。本发明的要点在于，主配方的改进，亚微米(＜1μm)高活性粉体的制备，添加剂及添加量的优化组合，再结合适当的烧结工艺，最终，成功制备了工作频率为1～3MHz的高频低损耗MnZn功率铁氧体材料。我们的优势在于，添加剂及添加量优化组合的确定，用超硬锆球球磨实现高活性亚微米粉体的制备，最终，在低于1300℃温度下低温制备了1～3MHz高频低损耗功率铁氧体材料。为了避免上述现象的发生，本发明选用了CaO、TiO₂、SnO₂、Nb₂O₅以及K₂CO₃作为最优添加剂组合，且考虑到工作于1～3MHz频率下涡流损耗在总损耗占主导地位的特点，采用加大添加剂掺入量的特点，增大材料的晶界电阻率，降低高频下的涡流损耗，从而达到降低高频损耗的目的。

以下结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料制备方法工艺流程图。

图2为制备的工作于1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料的SEM照片。从图中可以看到，制备的工作于1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料内部气孔较少，晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约为3～5μm。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

1)51～55mol％Fe₂O₃，5～10mol％ZnO，35～44mol％MnCO₃球磨混合均匀：

2)将步骤1)所得粉料800～1000℃下预烧；

3)将步骤2)所得料粉按重量比加入以下添加剂：0.01～0.4wt％CaO、0.01～0.5wt％TiO₂、0.01～0.3wt％SnO₂、0.01～0.2wt％Nb₂O₅、0.01～0.2wt％K₂CO₃，并用超硬锆球再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级(＜1μm)；

4)成型：

5)烧结。

更具体的实施例如下：

实施例1

1)采用53.5mol％Fe₂O₃，6.5mol％ZnO，40mol％MnCO₃；将以上料粉在球磨机内球磨4小时，使料粉混合均匀；

2)预烧：将步骤1)所得球磨料在950℃炉内预烧1.5小时；

3)掺杂：将步骤2)所得料粉按质量比加入以下添加剂：0.3wt％CaO、0.4wt％TiO₂、0.1wt％SnO₂、0.025wt％Nb₂O₅、0.05wt％K₂CO₃；将料粉在行星式球磨机中球磨16小时，球磨介质为超硬锆球；

4)成型：将步骤3)所得料粉按质量比加入10wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；

5)气氛烧结：将步骤4)所得坯件在气氛烧结炉内，在氧分压为4％的平衡气氛中，在1240℃温度下烧结3小时。

经过以上工艺制备出的1～3MHz高频低损耗MnZn铁氧体材料，其性能指标如下：

起始磁导率μ_i：983

损耗P_L：

1MHz 30mT下，P_L＝170kW.m^-3(25℃)，P_L＝166kWm^-3(100℃)；

3MHz 10mT下，P_L＝234kW.m^-3(25℃)，P_L＝312kw.m^-3(100℃)。

饱和磁感应强度B_s：432mT(25℃)

居里温度T_c：258℃

剩磁B_r：143mT(25℃)

矫顽力H_c：37A·m^-1

密度d：4.8g·cm^-3

实施例2-5的各步骤组分见下表：

	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	Fe₂O₃(mol％)	53	53.5	54	54.5
ZnO(mol％)	8.5	6.5	7	8	Fe₂O₃(mol％)	53	53.5	54	54.5
ZnO(mol％)	8.5	6.5	7	8	MnCO₃(mol％)	38.5	40	39	37.5
CaO(wt％)	0.1	0.3	0.2	0.4	MnCO₃(mol％)	38.5	40	39	37.5
CaO(wt％)	0.1	0.3	0.2	0.4	TiO₂(wt％)	0.05	0.4	0.2	0.1
SnO₂(wt％)	0.03	0.1	0.1	0.2	TiO₂(wt％)	0.05	0.4	0.2	0.1
SnO₂(wt％)	0.03	0.1	0.1	0.2	Nb₂O₅(wt％)	0.025	0.025	0.05	0.1
K₂CO₃(wt％)	0.05	0.05	0.1	0.1	Nb₂O₅(wt％)	0.025	0.025	0.05	0.1

Claims

1、高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)将步骤1)所得粉料800～1000℃下预烧；

3)将步骤2)所得料粉按质量比加入以下添加剂：0.01～0.4wt％CaO、0.01～0.5wt％TiO₂、0.01～0.3wt％SnO₂、0.01～0.2wt％Nb₂O₅、0.01～0.2wt％K₂CO₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；

4)成型；

5)烧结。

2、如权利要求1所述的高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4为：将步骤3所得料粉按质量比加入8～12wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件。

3、如权利要求1所述的高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5为：将步骤4成型所得坯件置于气氛烧结炉内烧结，在1200～1300℃保温2～6小时，其中保温段氧分压为1～8％；降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

4、如权利要求1所述的高频低损耗MnZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，

步骤1)为：53.5mol％Fe₂O₃，6.5mol％ZnO，40mol％MnCO₃球磨混合均匀；

步骤2)为：将步骤1)所得粉料950℃下预烧1.5小时；

步骤3)为：将步骤2)所得料粉按重量比加入以下添加剂：0.3wt％CaO、0.4wt％TiO₂、0.1wt％SnO₂、0.025wt％Nb₂O₅、0.05wt％K₂CO₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；

步骤4)为：将步骤3)所得料粉按重量比加入10wt％有机粘合剂，混匀，造粒后，在压机上将粒状粉料压制成坯件；

步骤5)为：将步骤4所得坯件在气氛烧结炉内，在氧分压为4％的平衡气氛中，在1240℃温度下烧结3小时。