CN101183586A

CN101183586A - 高磁导率、低thd软磁铁氧体磁性材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101183586A
Application number: CNA2007101560123A
Authority: CN
Inventors: 王栩; 包大新; 王朝明; 杨正忠
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2008-05-21

Abstract

本发明涉及一种软磁铁氧体磁性材料及其制备方法，该软磁铁氧体磁性材料由主成分和辅助成分制成；其中所述的主成分及重量百分比以氧化物计算为：Fe₂O₃为62～75wt％；Mn₃O₄为13～20wt％；其余为ZnO；辅助成分及其含量为：CaO：50～300ppm，Bi₂O₃：100～800ppm，Nb₂O₅：100～600ppm，MoO₃：50～400ppm中的一种或多种组合。本发明的软磁铁氧体磁性材料既具有高磁导率又具有低THD特性。

Description

高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种软磁铁氧体磁性材料，尤其涉及一种高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料及其制备方法，属于磁性材料技术领域。

背景技术

高磁导率Mn-Zn铁氧体材料是为适应电子通信、新型电子照明设备的高电感量和小型轻薄化的需求而发展起来的，其应用十分广泛，尤其在当今通信领域里，数字网络通信、光纤通信技术及设备以飞快的速度发展，迫切需要高磁导率Mn-Zn铁氧体磁心制作的滤波器、宽带变压器和脉冲变压器等电子器件。但与此同时，通信设备对高磁导率Mn-Zn铁氧体材料的性能也提出诸如宽频、高传输速率、低谐波失真等要求。

随着网络技术快速发展，xDSL(包含非对称数字用户线ADSL和对称数字用户线SDSL等传输形式)通信技术得到广泛引用。对用来实现隔离、阻抗匹配和高低通滤波功能的高磁导率铁氧体磁心的需求量越来越大，同时对铁氧体磁心提出了更高的要求；为了在信号传输过程中减小波形失真，减少传输错误，延长传输距离，要求变压器具有低的总谐波失真(THD Total HarmonicDistortion)很小。高磁导率、低THD材料的应用前景十分广阔，客户需求量也很大，如果产品能够顺利量产将产生很大的经济效益和社会效益。高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料普遍用于通信领域，减小波形失真，减少传输错误，延长传输距离。低THD软磁铁氧体磁性材料的这一特性还增强了电源与发电机的兼容性，使得这款应急电源在接入精密仪器仪表制造、医疗救生系统等对电网环境要求较高的系统时，更为安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料及其制备方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的；一种高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料，该软磁铁氧体磁性材料由主成分和辅助成分制成；其中所述的主成分及重量百分比以氧化物计算为：

Fe₂O₃为62～75wt％；Mn₃O₄为13～20wt％；其余为ZnO；辅助成分及其含量为：CaO：50～300ppm，Bi₂O₃：100～800ppm，Nb₂O₅：100～600ppm，MoO₃：50～400ppm中的一种或多种组合。

在上述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料中，作为优选，所述的辅助成分及其含量为：CaO：100～200ppm，Bi₂O₃：200～500ppm，Nb₂O₅：200～400ppm，MoO₃：100～300ppm。

起始磁导率μi是高导材料的重要参数之一，μi与材料的饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数λS以及内应力σ等密切相关，可以表示为：μi∝Ms2/(2K1+3λSσ)。由于Ms的变化范围小，所以铁氧体的不同配方组份所获得的磁导率差异主要是由K1、λS和σ造成的，当K1、λS与σ同时趋近于最小时，就会获得最高的μi值。但随着μi值的提高，材料晶界变薄，同时不可逆壁移出现，从而导致损耗上升，居里点下降，使材料的应用价值受到限制，所以在研制低THD软磁铁氧体材料时，必须对配方组份中的基本成分、改善μi-f特性、降低材料损耗、优选添加物种类和数量以及提高烧结密度等方面进行控制；另外，根据Snock公式可知，μi与材料截止频率fr之间相互制约，改善材料的μi-f特性与片面提高μi值是相互对立的，对铁氧体的影响很大，主要表现为影响晶粒的非正常生长，造成晶格缺陷，从而影响铁氧体的微观结构和内禀特性。

高μi、低THD的软磁铁氧体磁性材料的主配方范围为：Fe₂O₃为62～75wt％；Mn₃O₄为13～20wt％；掺入极少量的辅助成分如CaCO₃、Bi₂O₃等，同时提高烧结温度以促进晶粒快速生长(晶粒大小约在30μm以上)，即可达到较高的磁导率要求。但这类材料由于晶粒尺寸过大，损耗严重(特别是涡流损耗较大)，磁导率的频率特性也较差，在100kHz时已下降30％以上。而低THD的软磁铁氧体材料(其晶粒尺寸约在20μm左右)，需要材料的ηB(磁滞常数)＜0.2×10-6/mT，因此，就必须改善材料电磁性能等方面进行辅助成分的工艺试验，找出切实可行的添加物种类及含量。本发明添加100～800ppm的Bi₂O₃可以降低软磁铁氧体磁性材料的烧结温度，显著提高材料的密度，同时对Bs和μi的提高也有利；添加50～400ppm MoO₃作用是加速反应速度，在升温固相反应过程中该辅助成分以金属离子形式进入铁氧体晶粒，形成结晶中心助长晶粒长大，但在高温下又以杂质离子氧化物的形式存在而抑制晶粒生长。添加50～300ppm的CaO和100～600ppm的Nb₂O₅可以从基相的电磁特性或其它方面(如晶界)来提高材料的μi-f特性和低THD特性，因此本发明中主成分和辅助成分配伍合理，选择的辅助成分合适，含量适中，制备的软磁铁氧体材料既具有较高的磁导率还具有低THD特性；所述的软磁铁氧体磁性材料在f＝10kHz，B＜0.25mT的条件下，磁导率为7000～13000，并且在f＝10kHz，B＝1.5～3mT的条件下，磁滞常数＜0.2×10^-6/mT。

此外本发明还涉及高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)、配料、混合：按主成分以氧化物计的重量百分比的含量进行配料；配料后采用振动球磨机混合15～40分钟后得到红色固体颗粒；

(2)、预烧：将上述得到的红色固体颗粒进行预烧，其中预烧温度为800～950℃，预烧时间为60～180分钟；

(3)、砂磨、喷雾造粒、成型：将上述预烧后的预烧料放入砂磨机进行砂磨，砂磨过程中加入去离子水、分散剂、聚乙烯醇和辅助成分，砂磨时间为40～100分钟；砂磨后的浆料通过喷雾造粒机进行造粒，然后压制成型；

(4)、烧结：将上述成型后的磁心坯料放入钟罩炉在温度为1300～1400℃的条件下烧结2～10小时，烧结后降温后即得到软磁铁氧体磁性材料。

在上述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法中，步骤(2)中所述的预烧升温速率为2～5℃/分钟，预烧时间为80～120分钟。

在上述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法中，步骤(3)所述的砂磨机的转速控制在60～150转/分钟，砂磨后颗粒粒径控制在0.8～1.2μm。

在上述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法中，步骤(3)所述的喷雾造粒时的温度为150～350℃，喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°。

本发明采用简便的“干法”制备方法，在配料、混合过程中，保证混料均匀和造粒尺寸的一致性；预烧温度控制在800～950℃为宜，预烧升温速率为2～5℃/分钟，预烧时间控制在60～180分钟，优选为80～120分钟；砂磨时加入去离子水、分散剂、聚乙烯醇和辅助成分，并控制砂磨机的转速控制在60～150转/分钟，时间控制在40～100分钟；最终达到粒料粒径为0.8～1.2μm；从而达到细小、均匀之目的；经喷雾干燥等方法造粒后的喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°这对改善粉料的成型性、生坯的强度和密度均匀性均十分有利。

综上所述，本发明具有以下优点；

1、本发明的软磁铁氧体磁性材料由于主成分和辅助成分配伍合理，选择的辅助成分合适，含量适中，得到的软磁铁氧体材料既具有较高的磁导率还具有低THD特性；所述的软磁铁氧体磁性材料在f＝10kHz，B＜0.25mT的条件下，磁导率为7000～13000，并且在f＝10kHz，B＝1.5～3mT的条件下，磁滞常数＜0.2×10^-6/mT。

2、本发明的制备方法采用“干法”生产工艺，具有过程简单、能耗低、原材料适应性强的优点；通过工艺过程的严格控制，可以制造出高磁导率和低磁滞损耗的软磁铁氧体磁性材料。

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

1.配料：按主配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为62wt％；Mn₃O₄为20wt％；其余为ZnO；然后采用振动球磨机混合15分钟后得到红色固体颗粒；

2.预烧：将上述得到的红色固体颗粒放入空气窑中进行预烧，充分固相反应后得到黑色粉末，其中预烧温度为800℃，预烧升温速率2℃/分钟；预烧时间为180分钟；

3.砂磨、喷雾造粒：将上述黑色粉末投入转速为150转/分钟的砂磨机中磨40分钟；砂磨过程中加入去离子水(相对于软磁铁氧体磁性材料成分的总量重量百分比)55wt％，分散剂0.1～0.5wt％，聚乙烯醇0.8～1.1wt％。并加入辅助成分CaO50ppm，Bi₂O₃600ppm，Nb₂O₅100ppm，MoO₃ 200ppm，砂磨后颗粒粒径控制在0.8～1.2μm，然后在温度为150℃的条件下通过喷雾造粒机进行造粒，喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°；

4.成型、烧结：取该粉末用5.5MPa压制成EP型磁心坯料，长12.8mm，宽9mm，高6.5mm；然后将坯料在钟罩炉中1300℃温度下保温10小时，烧结成铁氧体磁心。用HP4284A仪器和ATS-1仪器测试其性能，性能如表1所示。

实施例2

1.配料：按主配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为68.8wt％；Mn₃O₄为15.9wt％；其余为ZnO；然后采用振动球磨机混合30分钟后得到红色固体颗粒；

2.预烧：将上述得到的红色固体颗粒放入空气窑中进行预烧，充分固相反应后得到黑色粉末，其中预烧温度为900℃，预烧升温速率4℃/分钟；预烧时间为100分钟；

3.砂磨、喷雾造粒：将上述黑色粉末投入转速为100转/分钟的砂磨机中磨70分钟；砂磨过程中加入去离子水(相对于软磁铁氧体磁性材料成分的总量重量百分比)55wt％，分散剂0.1～0.5wt％，聚乙烯醇0.8～1.1wt％。并加入辅助成分CaO150ppm，Bi₂O₃400ppm，Nb₂O₅300ppm，MoO₃ 100ppm，砂磨后颗粒粒径控制在0.8～1.2μm，然后在温度为250℃的条件下通过喷雾造粒机进行造粒，喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°；

4.成型、烧结：取该粉末用5.5MPa压制成EP型磁心坯料，长12.8mm，宽9mm，高6.5mm；然后将坯料在钟罩炉中1350℃的温度条件下保温5小时，烧结成软磁铁氧体磁心。用HP4284A仪器和ATS-1仪器测试其性能，性能如表1所示。

实施例3

1.配料：按主配方以氧化物计的重量百分比进行配料，其中主配方为Fe₂O₃为72.3wt％；Mn₃O₄为13.4wt％；其余为ZnO；然后采用振动球磨机混合40分钟后得到红色固体颗粒；

2.预烧：将上述得到的红色固体颗粒放入空气窑中进行预烧，充分固相反应后得到黑色粉末，其中预烧温度为950℃，预烧升温速率5℃/分钟；预烧时间为80分钟；

3.砂磨、喷雾造粒：将上述黑色粉末投入转速为60转/分钟的砂磨机中磨100分钟；砂磨过程中加入去离子水(相对于软磁铁氧体磁性材料成分的总量重量百分比)55wt％，分散剂0.1～0.5wt％，聚乙烯醇0.8～1.1wt％。并加入辅助成分CaO150ppm，Bi₂O₃400ppm，Nb₂O₅300ppm，MoO₃ 100ppm，砂磨后颗粒粒径控制在0.8～1.2μm，然后在温度为350℃的条件下通过喷雾造粒机进行造粒，喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°；

4.成型、烧结：取该粉末用5.5MPa压制成EP型磁心坯料，长12.8mm，宽9mm，高6.5mm；然后将坯料在钟罩炉中1400℃的温度条件下保温2小时，烧结成软磁铁氧体磁心。用HP4284A仪器和ATS-1仪器测试其性能，性能如表1所示。

比较例1是EPCOS公司的新T38；比较例2是台湾越峰电子的A101；比较例3是TDK公司的DN70材料。

表1：本发明和比较例的软磁铁氧体磁性材料的磁性能

从表1可以看出：THD性能的高低与材料的磁滞常数ηB成正比关系；因此本发明制备的软磁铁氧体磁性材料既具有高磁导率又具有低THD特性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明；本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims

1.一种高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料，该软磁铁氧体磁性材料由主成分和辅助成分制成；其中所述的主成分及重量百分比以氧化物计算为：

Fe₂O₃为62～75wt％；

Mn₃O₄为13～20wt％；

其余为ZnO；

辅助成分及其含量为：CaO：50～300ppm，Bi₂O₃：100～800ppm，Nb₂O₅：100～600ppm，MoO₃：50～400ppm中的一种或多种组合。

2.根据权利要求1所述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料，其特征在于：所述的辅助成分及其含量为：CaO：100～200ppm，Bi₂O₃：200～500ppm，Nb₂O₅：200～400ppm，MoO₃：100～300ppm。

3.根据权利要求1或2所述高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料，其特征在于：所述的软磁铁氧体磁性材料在f＝10kHz，B＜0.25mT的条件下，磁导率为7000～13000，并且在f＝10kHz，B＝1.5～3mT的条件下，磁滞常数＜0.2×10^-6/mT。

4.一种高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的预烧升温速率为2～5℃/分钟，预烧时间为80～120分钟。

6.根据权利要求4所述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的砂磨机的转速控制在60～150转/分钟，砂磨后颗粒粒径控制在0.8～1.2μm。

7.根据权利要求4或5所述的高磁导率、低THD软磁铁氧体磁性材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的喷雾造粒时的温度为150～350℃，喷雾造粒后颗粒含水重量百分比控制为0.3～0.6％，松装密度为1.2～1.5g/cm³，安息角＜35°。