CN101286398B - 初始磁导率为20-4+4的镍锌铁氧体材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种初始磁导率为20 _-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，其主相为尖晶石结构，主要组成包括Fe ₂O ₃、MnO、NiO和CoO，其组成含量以氧化物计算为：Fe ₂O ₃为46mol％～49mol％；MnO为0.1 mol％～1.0mol％；NiO为42.7mol％～49mol％；CoO为1.3mol％～2.5mol％。这种初始磁导率为20 _-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料，在较大工作电流下具有宽频低电磁损耗和良好宽温稳定性，能用于制作工作频率在80MHz以内的各种高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料。该材料在3MHz～80MHz高频范围内具有极低的电磁损耗，在3MHz频率时其品质因素Q在210以上，在80MHz频率时其品质因素Q在100以上，在这么宽的频率范围内都具有良好的电磁损耗特性，在新型无极灯照明系统中具有十分广阔的市场前景。

Description

初始磁导率为20-4+4的镍锌铁氧体材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种能用于制作工作频率在80MHz以内的各种高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料，特别是一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法。

背景技术

高频无极灯(High Frequency Electronic Discharge Lamp)是集最新电子节电技术与电光源技术于一体的高科技新型的光源，它不用灯丝，采用磁场来激励气体放电、发光，具有高效节能、绿色环保、长寿命等诸多优点。高频无极灯是由激励电源，功率耦合器和灯泡三部分组成，激励源产生一个2MHz以上的电频电流，它经馈线送至功率耦合器。当高频电流通过功率耦合器时，产生一个高频电磁场。变化的磁场即产生一个垂直于磁场变化的电场，使灯泡内部放电空间的电子被电场加速，当能量达到一定值时，与容器内的气体分子发生碰撞，灯泡内气体雪崩电离形成等离子体。等离子体受激原子返回基态时，自发射出紫外光，它激发灯泡壁上的萤光粉发出可见光。

高频无极灯的技术开发和应用一直吸引着国内外电光照明业界的科技开发人员和企业家。这是因为高频无极灯具有许多独特之处，它集长寿、节能和环保于一体，作为一种新型的绿色电光源，它与传统电光源相比较其综合效果远远优于其他类型的电光源，目前它的技术和产业正处于快速发展成长阶段，与LED光源一样，高频无极灯是一种朝阳产业。

由上可知道，高频无极灯需要一个高频电磁场来激发等离子体，而高频磁场是由功率耦合器所产生，此外功率耦合器的功率转化效率也直接决定了高频无极灯的能效比，因此功率耦合器的品质是高频无极灯的技术关键之一。功率耦合器本身是高频振荡回路的电感器，既由导线绕在软磁铁氧体上所构成。由此可知，功率耦合器的功率转化效率主要受到软磁铁氧体电磁特性的影响。

当前，国外一般采用3F4功率锰锌铁氧体应用于制备高频无极灯中的功率耦合器，但锰锌铁氧体由于存在 ${\mathrm{Fe}}^{2+}\⇔{\mathrm{Fe}}^{3+}$ 这样的导电对，因此其电阻率通常较低，而由于高频无极灯的工作频率通常为2MHz以上，这导致铁氧体的涡流损耗急剧上升，从而极大的降低了灯具的效率。此外，由于锰锌铁氧体的涡流损耗很大，而涡流损耗主要转化为热量，这导致在工作过程中铁氧体的温度竟然能达到100℃以上，从而使得3F4功率锰锌铁氧体在组装功率耦合器中就必需要进行特殊的绝缘处理和骨架支持，导致工艺较为复杂，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种具有较高电阻率，在高频大电流下具有极低电磁损耗，有效地解决高频无极灯功率耦合器效率较低、发热量大问题的用于制作工作频率在80MHz以内的各种高频无极灯功率耦合器的初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法。

为了达到上述目的，本发明所设计的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料，其主相为尖晶石结构，主要组成包括Fe₂O₃、MnO、NiO和CoO，其特征是其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为46mol％～49mol％；MnO为0.1mol％～1.0mol％；NiO为42.7mol％～49mol％；CoO为1.3mol％～2.5mol％。它还可以包含有以氧化物计算的ZnO为小于并包括6mol％。为了便于促进烧结固相反应，从而有效地降低了烧结温度，其特征是它还包含有占总重量的0.3wt％～0.6wt％的作为烧结助熔剂的纳米级V₂O₅。在制备过程中，还可以加入占总重量9wt％～14wt％的聚乙烯乙醇(PVA)。聚乙烯乙醇在最终成型烧结后被完全挥发。

一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料的制备方法，其特征在于制备方法是：

1)一次球磨：

将称好的46mol～49mol％Fe₂O₃、0mol～6mol％ZnO、0.1mol～1.0mol％MnCO₃、42.7mol～49mol％NiO和1.5mol～2.5mol％CoO原材料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为1小时～2小时；

2)预烧：

将一次球磨好的原材料烘干，放入电炉内进行预烧，预烧温度为950℃～1100℃，预烧时间为1.5小时～3.5小时，预烧后随炉冷却；

3)杂质添加：

选用纳米V₂O₅作为烧结助熔剂，其添加量为占总重量的0.3wt％～0.6wt％；

4)二次球磨：

将添加完杂质后的预烧料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的0.9倍，球磨时间为2～4小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间；

5)成型烧结：

将二次球磨好的预烧料烘干，加入总重量9wt％～14wt％的聚乙烯乙醇(PVA)，均匀混合，过筛造粒，压制成型，放入箱式炉内烧结，烧结温度控制在1100℃～1250℃之内，保温时间为1小时～3小时，随炉冷却到室温即可。

本发明提供的初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，预烧温度为950℃～1100℃、烧结温度为1100℃～1250℃、在3MHz～80MHz高频范围内具有极低的电磁损耗、初始磁导率为20_-4 ⁺⁴、在-20℃～100℃很宽的温度范围内比温度系数小于20.0×10^-6的镍锌铁氧体材料中只存在尖晶石相，不存在其他杂相，晶粒尺寸在1.15μm～3.10μm之间。

本发明提供的初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，其原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、MnCO₃、NiO和CoO。按照成分分子式称取各种各种原材料进行一次球磨，一次球磨设备选用砂磨机。在一次球磨过程中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为1小时～2小时，使原材料混合均匀。

预烧时的温度范围为950℃～1100℃，预烧温度过低，将导致预烧过程中原材料的反应不完全，这将不利于粉料的后续烧结固相反应。而如果烧结温度过高，将会导致预烧结束后预烧料反应活性的迅速降低，这使得后续烧结温度升高，从而将恶化铁氧体的电磁损耗特性。

选用纳米级的V₂O₅作为添加杂质。V₂O₅的熔点低于700℃，在烧结过程中能够在很低的温度下形成液相，促进烧结固相反应，从而有效地降低了烧结温度。但过多V₂O₅的添加会在铁氧体的尖晶石相晶粒之间的晶界上形成非磁性的玻璃相，这将产生一种磁稀释效应，导致饱和磁化强度和磁导率的下降以及电磁损耗特性的恶化。选用纳米尺级别的V₂O₅粉末作为烧结助熔剂，由于纳米粉末具有很大的比表面积和相当高的表面能，其熔点将更低，更有利于促进烧结固相反应，因而所需添加的量将更少，这有利于改善镍锌铁氧体的磁性能。

对预烧料进行二次球磨，要求球磨后的颗粒的平均粒度为1.00μm～1.60μm之间，这使得预烧粉料具有一定的烧结反应活性，有助于后续的烧结反应。

本发明提供的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，在较大工作电流下具有宽频低电磁损耗和良好宽温稳定性，能用于制作工作频率在80MHz以内的各种高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料。该材料在3MHz～80MHz高频范围内具有极低的电磁损耗，在3MHz频率时其品质因素Q在210以上，在80MHz频率时其品质因素Q在100以上，在这么宽的频率范围内都具有良好的电磁损耗特性，这能够保证该材料能很好地应用于工作频率在80MHz以内的任何无极灯中，扩大了应用面，市场需求巨大。此外，按本发明方法提供的镍锌铁氧体材料，初始磁导率为20_-4 ⁺⁴，在较大工作电流下具有宽频低电磁损耗和良好温度特性，在-20℃～100℃很宽的温度范围内，其比温度系数小于20.0×10^-6，居里温度大于300℃。该材料在高频大电流下具有极低电磁损耗，在较高温度下仍然能够正常工作，这些有助于降低高频无极灯功率耦合器的电磁损耗和发热，保证其正常稳定工作，有利于器件的小型化，因此该材料在新型无极灯照明系统中具有十分广阔的市场前景。

本发明提供的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，由于具有较宽的预烧和烧结温度范围，且无需气氛保护，使得工艺重复性和产品的一致性都很好。在制备方法中由于采用了纳米级别的V₂O₅作为烧结助熔剂，这将导致烧结助熔剂使用量的减小，有助于改善镍锌铁氧体的电磁损耗特性。

具体实施方式

下面通过实施例结合图表对本发明作进一步的描述。

本实施例提供的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料及制备方法，可通过以下方案实现：

实施例1

1)原材料的选择：本实施例提供的一种初始磁导率为23的镍锌铁氧体材料及制备方法，其原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、MnCO₃、NiO和CoO。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为49mol％、ZnO为6mol％、MnCO₃为1mol％、NiO为42.7mol％和CoO为1.3mol％。

3)原材料的混合：将称好的原材料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为2小时。

4)预烧：将一次球磨好的原材料烘干，放入电炉内进行预烧，预烧温度为950℃，预烧时间为3.5小时，预烧后随炉冷却。预烧后，对预烧料进行XRD相分析，确定预烧料中只存在尖晶石结构，没有其他杂相。

5)杂质添加：选择纳米V₂O₅粉末作为杂质添加，其添加量为占总重量的0.6wt％。

6)二次球磨：将添加完杂质后的预烧料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的0.9倍，球磨时间为4小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入占总重量9wt％的聚乙烯乙醇(PVA)，均匀混合，过筛造粒，压制成型，放入箱式炉内烧结，烧结温度为1100℃，保温时间为3小时，随炉冷却到室温即可。

制备好的样环的磁性能测试在Hp4284A阻抗分析仪和高频Q表上进行，样品的密度采用浮力法测量。

样品的磁性能和密度测试结果如表1所示：

表1：

从表1中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为23、在3MHz和30MHz频率下品质因素Q分别高达218和107、在-20℃～100℃很宽温度范围内比温度系数仅为18.7×10^-6、饱和磁通密度为291mT的优良电磁特性，且居里温度高达312℃。因此该材料相比于现有的3F4等应用于制备高频无极灯的功率耦合器的铁氧体材料，具有更良好的电磁损耗和温度特性，能够更好地满足市场需求。

实施例2

1)原材料的选择：本实施例提供的一种初始磁导率为21的镍锌铁氧体材料及制备方法，其原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、MnCO₃、NiO和CoO。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为46mol％、ZnO为2.4mol％、MnCO₃为0.1mol％、NiO为49mol％和CoO为2.5mol％。

3)原材料的混合：将称好的原材料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为1小时。

4)预烧：将一次球磨好的原材料烘干，放入电炉内进行预烧，预烧温度为1100℃，预烧时间为1.5小时，预烧后随炉冷却。预烧后，对预烧料进行XRD相分析，确定预烧料中只存在尖晶石结构，没有其他杂相。

5)杂质添加：选择纳米V₂O₅粉末作为杂质添加，其添加量为占总重量的0.3wt％。

6)二次球磨：将添加完杂质后的预烧料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的0.9倍，球磨时间为2小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入占总重量14wt％的聚乙烯乙醇(PVA)，均匀混合，过筛造粒，压制成型，放入箱式炉内烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为1小时，随炉冷却到室温即可。

制备好的样环的磁性能测试在Hp4284A阻抗分析仪和高频Q表上进行，样品的密度采用浮力法测量。

样品的磁性能和密度测试结果如表2所示：

表2：

从表2中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为21、在3MHz和30MHz频率下品质因素Q分别高达201和103、在-20℃～100℃很宽温度范围内比温度系数仅为19.1×10^-6、饱和磁通密度为278mT的优良电磁特性，且居里温度高达301℃。因此该材料相比于现有的3F4等应用于制备高频无极灯的功率耦合器的铁氧体材料，具有更良好的电磁损耗和温度特性，能够更好地满足市场需求。

实施例3

1)原材料的选择：本实施例提供的一种初始磁导率为19的镍锌铁氧体材料及制备方法，其原材料选择工业纯的Fe₂O₃、MnCO₃、NiO和CoO。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为49mol％、MnCO₃为0.4mol％、NiO为49mol％和CoO为1.6mol％。

3)原材料的混合：将称好的原材料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为1.5小时。

4)预烧：将一次球磨好的原材料烘干，放入电炉内进行预烧，预烧温度为1000℃，预烧时间为2小时，预烧后随炉冷却。预烧后，对预烧料进行XRD相分析，确定预烧料中只存在尖晶石结构，没有其他杂相。

5)杂质添加：选择纳米V₂O₅粉末作为杂质添加，其添加量为占总重量的0.4wt％。

6)二次球磨：将添加完杂质后的预烧料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的0.9倍，球磨时间为3小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入占总重量12wt％的聚乙烯乙醇(PVA)，均匀混合，过筛造粒，压制成型，放入箱式炉内烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为2小时，随炉冷却到室温即可。

制备好的样环的磁性能测试在Hp4284A阻抗分析仪和高频Q表上进行，样品的密度采用浮力法测量。

样品的磁性能和密度测试结果如表3所示：

表3：

从表3中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为19、在3MHz和30MHz频率下品质因素Q分别高达2118和110、在-20℃~100℃很宽温度范围内比温度系数仅为18.8×10^-6、饱和磁通密度为271mT的优良电磁特性，且居里温度高达327℃。因此该材料相比于现有的3F4等应用于制备高频无极灯的功率耦合器的铁氧体材料，具有更良好的电磁损耗和温度特性，能够更好地满足市场需求。

Claims (4)

1.一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料，其主相为尖晶石结构，主要组成包括Fe₂O₃、MnO、NiO和CoO，其特征是其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为46mol％～49mol％；MnO为0.1mol％～1.0mol％；NiO为42.7mol％～49mol％；CoO为1.3mol％～2.5mol％。

2.根据权利要求1所述的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料，其特征是它还包含有以氧化物计算的ZnO为小于并包括6mol％。

3.根据权利要求1或2所述的一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料，其特征是它还包含有占总重量的0.3wt％～0.6wt％的作为烧结助熔剂的纳米级V₂O₅。

4.一种初始磁导率为20_-4 ⁺⁴的镍锌铁氧体材料的制备方法，其特征在于制备方法是：

1)一次球磨：

将称好的46mol～49mol％Fe₂O₃、0mol～6mol％ZnO、0.1mol～1.0mol％MnCO₃、42.7mol～49mol％NiO和1.5mol～2.5mol％CoO原材料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的1.2倍，球磨时间为1小时～2小时；

2)预烧：

将一次球磨好的原材料烘干，放入电炉内进行预烧，预烧温度为950℃～1100℃，预烧时间为1.5小时～3.5小时，预烧后随炉冷却；

3)杂质添加：

选用纳米V₂O₅作为烧结助熔剂，其添加量为总重量的0.3wt％～0.6wt％；

4)二次球磨：

将添加完杂质后的预烧料放入砂磨机中，加入去离子水，去离子水的重量为原材料总重量的0.9倍，球磨时间为2小时～4小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间；

5)成型烧结：

将二次球磨好的预烧料烘干，加入占总重量9wt％～14wt％的聚乙烯乙醇，均匀混合，过筛造粒，压制成型，放入箱式炉内烧结，烧结温度控制在1100℃～1250℃之内，保温时间为1小时～3小时，随炉冷却到室温即可。