CN101256866B

CN101256866B - 宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料及制备方法

Info

Publication number: CN101256866B
Application number: CN200710051056A
Authority: CN
Inventors: 兰中文; 余忠; 李乐中; 姬海宁; 孙科; 蒋晓娜
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-12-29
Also published as: CN101256866A

Abstract

宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料及制备方法，本发明属于电子材料技术领域。其主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：65～75mol％Fe₂O₃，13～20mol％ZnO，0.0001～0.5mol％TiO₂，余量为Mn₃O₄；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.01～0.1wt％CaO、0.01～0.09wt％Nb₂O₅，0.01～0.1wt％V₂O₅，0.001～0.1wt％ZrO₂，以及0.05～1wt％Co₂O₃。本发明的宽温超低损耗MnZn铁氧体材料晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约为12～18μm。

Description

宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料及制备方法

技术领域：

本发明属于电子材料技术领域。

背景技术

MnZn铁氧体材料目前是产量最大、应用最广泛的软磁铁氧体材料。而且随着电子信息产业的迅速发展，MnZn铁氧体被广泛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。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。

MnZn功率铁氧体主要用于各种开关电源变压器和功率型电感器件中，因此要求MnZn功率铁氧体材料具有：(1)高饱和磁感应强度(B_s)和高磁导率(μ)以提高功率转换效率并避免饱和；(2)尽量低的功率损耗(P_L)，并希望呈负温度系数，以避免变压器在高频下发热；(3)为了在高温下保持所需要的B_s值，材料的居里温度T_c应当比较高。

随着高频开关电源的工作频率发展到0.5～2MHz，相应MnZn功率铁氧体也已批量生产。目前，世界上具有代表性的产品是日本TDK公司的电源用PC系列材料(PC44、PC45、PC46)。但这些材料都有明显的缺点，就是一旦偏移损耗最低点，则损耗会急剧上升。为此，TDK于2003年上半年又推出了PC95材料，它综合了PC45、PC46、PC47这些材料的优点，在25℃～120℃温度范围内具有超低损耗。

目前，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，提供一种具有宽温低损耗特性的MnZn软磁铁氧体材料，同时还提供此MnZn软磁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，宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料，其特征在于，其主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：65～75mol％Fe₂O₃，13～20mol％ZnO，0.0001～0.5mol％TiO₂，余量为Mn₃O₄；

掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.01～0.1wt％CaO、0.01～0.09wt％Nb₂O₅，0.01～0.1wt％V₂O₅，0.001～0.1wt％ZrO₂，以及0.05～1wt％Co₂O₃。

进一步的，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：68.3mol％Fe₂O₃，17.3mol％ZnO，14.2mol％Mn₃O₄和0.2mol％TiO₂；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt％CaO，0.05wt％Nb₂O₅，0.01wt％V₂O₅，0.04wt％ZrO₂和0.5wt％Co₂O₃。

本发明还提供一种宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料制备方法，包括以下步骤：

1)65～75mol％Fe₂O₃，13～20mol％ZnO，0.0001～0.5mol％TiO₂，余量为Mn₃O₄；球磨混合均匀；

2)将步骤1)所得粉料800～1100℃下预烧；保温时间为1～4小时；

3)将步骤2)所得粉料按质量比加入以下添加剂：0.01～0.1wt％CaO，0.01～0.09wt％Nb₂O₅，0.01～0.1wt％V₂O₅，0.001～0.1wt％ZrO₂，0.05～1wt％Co₂O₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；

4)将步骤3)所得的二次球磨料烘干后造粒，成型，制成生坯样品；

5)将步骤4)所得的生坯样品进行烧结。

进一步的，所述步骤4)为：将步骤3)所得的粉料按质量比加入7～15wt％的有机粘合剂，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)成型所得的坯件置于气氛烧结炉内烧结，在1250～1400℃保温2～8个小时，其中保温段氧分压为1～8％；降温过程在平衡气氛烧结。

本发明的宽温超低损耗MnZn铁氧体材料晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约为12～18μm，如图2。

附图说明

图1宽温超低损耗MnZn功率铁氧体材料的制备方法工艺流程图。

图2为制备的宽温超低损耗MnZn功率铁氧体材料的SEM照片。

具体实施方式

铁氧体的损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。当频率低于500kHz时，磁滞损耗和涡流损耗在总损耗中占主导地位，剩余损耗可忽略不计。而在宽温范围内，磁滞损耗在低温下占主导地位，而高温下则是涡流损耗占主导地位。因此，尽可能的降低低温下的磁滞损耗和高温下的涡流损耗是宽温超低损耗铁氧体材料制备的关键。磁滞损耗主要与材料的起始磁导率有关，起始磁导率越大，磁滞损耗越低。对于MnZn铁氧体，提高起始磁导率最有效的方法是减小磁晶各向异性常数。Fe²⁺和Co²⁺具有正的磁晶各向异性常数，因此适量的Fe²⁺和Co²⁺可以起到磁晶各向异性常数正负补偿的作用，使磁晶各向异性常数在某一温度为零，起始磁导率最大，从而改善起始磁导率的温度特性。从而实现磁滞损耗在80～100℃间最低。涡流损耗主要与材料的电阻率ρ有关。降低涡流损耗主要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。目前国内外普遍采用的方法是用CaO和SiO₂做添加剂，引起富集于晶界，能够形成高电阻率晶界层，可起到降低涡流损耗的目的。但是，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1250～1500℃低，容易在烧结时出现异常晶粒长大现象。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，添加剂及添加量优化组合的确定，用钢球球磨实现亚微米粉体的制备，最终在1300～1400℃温度下制备了宽温超低损耗MnZn铁氧体材料。为了避免上述实验现象发生，本发明选用了CaO、Nb₂O₅、V₂O₅、ZrO₂以及Co₂O₃作为最优添加剂组合，且考虑到材料涡流损耗随温度的升高而增加的特点，采用加大Co₂O₃掺入量，使起始磁导率最大值即磁滞损耗最低点大约在80～100℃间，实现损耗的宽温特性。

本发明的宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：

65～75mol％Fe₂O₃，13～20mol％ZnO，0.0001～0.5mol％TiO₂，余量为Mn₃O₄；

作为一个实施例，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：68.3mol％Fe₂O₃，17.3mol％ZnO，14.2mol％Mn₃O₄和0.2mol％TiO₂；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt％CaO，0.05wt％Nb₂O₅，0.01wt％V₂O₅，0.04wt％ZrO₂和0.5Wt％Co₂O₃。

参见图1。本发明的制备方法包括以下步骤：

2)将步骤1)所得粉料800～1100℃下预烧；保温时间为1～4小时；

3)将步骤2)所得粉料按质量比加入以下添加剂：0.01～0.1wt％CaO、0.01～0.09wt％Nb₂O₅、0.01～0.1wt％V₂O₅、0.001～0.1wt％ZrO₂和0.05～1wt％Co₂O₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级(＜1μm)；

5)将步骤4)所得的生坯样品按一定的烧结温度曲线和气氛曲线进行烧结。

进一步的所述步骤4为：将步骤3所得的粉料按质量比加入7～15wt％的有机粘合剂，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成型所得的坯件置于气氛烧结炉内烧结，在1250～1400℃保温2～8个小时，其中保温段氧分压为1～8％；降温过程在平衡气氛烧结。

更具体的实施例如下：

1)采用68.3mol％Fe₂O₃，17.3mol％ZnO，14.2mol％Mn₃O₄和0.2mol％TiO₂；将以上粉料在球磨机内球磨1小时，使粉料混合均匀，球磨介质为钢球；

2)预烧：将步骤1)所得的粉料890℃下预烧2小时；

3)掺杂：将步骤2)所得的粉料按重量比加入以下添加剂：0.05wt％CaO、0.05wt％Nb₂O₅、0.01wt％V₂O₅、0.04wt％ZrO₂、0.5wt％Co₂O₃，将粉料在行星式球磨机中球磨4小时，球磨介质为钢球；

4)成型：将步骤3)所得的粉料按重量比加入8wt％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成型所得的坯件在气氛烧结炉内，在1380℃保温6个小时，其中保温段氧分压为4％。

经过以上工艺制备出的宽温超低损耗MnZn功率铁氧体材料，其性能指标如下：

起始磁导率u_i：3300土25％；

损耗P_L：在25℃和120℃时损耗为350kW/m³，在80℃时损耗为280kW/m³，在100℃时损耗为290kW/m³；

饱和磁感应强度Bs：在25℃时为530mT，60℃时为480mT，100℃时为410mT，120℃时为380mT；

居里温度T_c：≥215℃；

剩磁B_r：在25℃时为85mT，60℃时为70mT，100℃时为60mT，120℃时为55mT；

矫顽力H_c：在25℃时为9.5mT，60℃时为7.5mT，100℃时为6.5mT，120℃时为6mT；

电阻率：6.0Ω·m(25℃)；

密度：4.9×10³kg/m³。

Claims

1.宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料，其特征在于，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：68.3mol％Fe₂O₃，17.3mol％ZnO，14.2mol％Mn₃O₄和0.2mol％TiO₂；掺杂剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt％CaO，0.05wt％Nb₂O₅，0.01wt％V₂O₅，0.04wt％ZrO₂和0.5wt％Co₂O₃。

2.宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、68.3mol％Fe₂O₃，17.3mol％ZnO，0.2mol％TiO₂，余量为Mn₃O₄；球磨混合均匀；

2)、将步骤1)所得粉料800～1100℃下预烧；保温时间为1～4小时；

3)、将步骤2)所得粉料按质量比加入以下添加剂：0.05wt％CaO，0.05wt％Nb₂O₅，0.01wt％V₂O₅，0.04wt％ZrO₂，0.05wt％Co₂O₃，并再次球磨，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；

4)、将步骤3)所得的二次球磨料烘干后造粒，成型，制成生坯样品；

5)、将步骤4)所得的生坯样品进行烧结。

3.如权利要求2所述的宽温超低损耗MnZn软磁铁氧体材料制备方法，其特征在于，所述步骤4)为：将步骤3)所得的粉料按质量比加入7～15wt％的有机粘合剂，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)成型所得的坯件置于气氛烧结炉内烧结，在1250～1400℃保温2～8个小时，其中保温段氧分压为1～8％；降温过程在平衡气氛烧结。