CN102054552B

CN102054552B - 一种NiMnZn铁氧体材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102054552B
Application number: CN2010102530610A
Authority: CN
Inventors: 颜冲; 吕东华; 雷国莉
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-08-16
Also published as: CN102054552A

Abstract

本发明属于软磁材料领域，具体公开一种NiMnZn铁氧体材料，由主成分和副成分组成，其特征在于：所述的主成分原料为：Fe₂O₃ 53.2～55.7mol%，ZnO2～11mol％，NiO0～2.5mol％但不包括0，余量为MnO；所述的副成分原料以主成分原料总重量计包括：SiO₂50～200ppm，CaCO₃200～1500ppm，ZrO₂50～500ppm，Nb₂O₅50～500ppm和Na₂O50～300ppm。本发明还提供了所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，其中烧结工序中在1000℃～1300℃的升温阶段升温速率为4-7℃/分钟，氧分压浓度为0.2%以下；保温温度为1300-1350℃，烧结的时间为2-8个小时。本发明提供的铁氧体磁心，在100℃下的饱和磁通密度在450mT以上，100℃下的损耗在320kW/m³以下。

Description

一种NiMnZn铁氧体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于软磁铁氧体材料领域，具体涉及一种具有高温高饱和磁通密度低损耗特性的NiMnZn铁氧体材料及其制备方法。

背景技术

MnZn铁氧体广泛用于电子、通讯领域作为电源变压器材料。传统的开关电源变压器的工作温度一般为60～100℃，工作频率为10～100kHz。为了降低铁氧体器件在变压器工作温度范围的磁心损耗，到目前为止进行了添加剂的加入、元素取代和优化工艺条件等各种研究，以降低铁氧体磁心在变压器工作温度范围的损耗，如公开号为CN1402266A、CN1492453A、CN1896032A、CN1286237A等的中国发明的报道。随着开关电源向小型化、节能化方向发展，其工作频率向高频方向发展，如已经开发出工作频率为500kHz～1MHz的低损耗铁氧体材料，如公开号为CN1503280A、CN101004962A等中国发明专利的报道。

由于变压器本身会产生热量以及其高工作温度环境，如汽车发动机周围的电子元器件，变压器磁心的实际工作温度常常更高，在80～120℃范围。这就要求铁氧体材料在这一温度范围不但磁心损耗低，而且饱和磁通密度高，以实现变压器在上述工作温度范围的小型化和高效化。

在已经公开的现有技术中，为降低铁氧体的损耗，材料组成中ZnO的含量通常大于9mol％。但在上述变压器工作温度范围不能实现材料的高饱和磁通密度的要求。同时为了进一步降低材料的损耗，常常添加SnO₂或TiO₂成分，由于它们为非磁性杂质，会使铁氧体材料的饱和磁通密度降低百分之几。

公开号为CN1224224A的中国发明专利和公开号为CN1627455A的中国发明，公布的高Bs铁氧体材料，通过把Fe₂O₃的含量限制在53～55mol％、ZnO的含量限制在6.5~9.5mol%范围，实现了材料的高温高Bs。但在材料主配方中没有加入NiO的任何内容，所以不同于本发明。

公开号为CN1294099A的中国发明专利及公开号为CN1404076A、CN 1649039A的中国发明公布的铁氧体，通过在主配方中加入NiO的方法来提高材料的高温饱和磁通密度。但在添加剂中没有有关加入Na₂O的任何内容，且其损耗有进一步降低的需要。

由于以上原因，需要开发一种在高温下饱和磁通密度高、损耗低的NiMnZn铁氧体材料。

发明内容

本发明的目的首先是提供一种在高温下饱和磁通密度高、损耗低的NiMnZn铁氧体材料，使所述的材料在100℃下的饱和磁通密度在450mT以上（测试条件：1194A/m），100℃下的损耗在320kW/m³以下（测试条件：100kHz/200mT），以使所述的材料能够适用于80-120℃下的工作环境。本发明还提供所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法。

为实现本发明的目的，发明人提供如下的技术方案：

一种NiMnZn铁氧体材料，由主成分和副成分组成，其中：

所述的主成分原料为：Fe₂O₃ 53.2～55.7mol%，ZnO 2～11mol％，NiO 0～2.5mol％但不包括0，余量为MnO；

所述的副成分原料以主成分原料总重量计包括：SiO₂ 50～200ppm，CaCO₃ 200～1500ppm，ZrO₂ 50～500ppm，Nb₂O₅ 50～500ppm和Na₂O 50～300ppm。

发明人经过大量实验研究，发现，通过合理控制铁氧体主成分配比，并配以适当的副成分，可以获得一种同时具备高饱和磁通密度和低损耗特性的铁氧体材料。经检测，所述的铁氧体材料在100℃下的饱和磁通密度在450mT以上（测试条件：1194A/m），100℃下的损耗在320kW/m³以下（测试条件：100kHz/200mT），得到的材料能够适用于80-120℃的工作环境。

上述主成分范围中，若Fe₂O₃含量小于53.2mol%，则得不到所希望的高饱和磁通密度；若Fe₂O₃含量大于55.7mol%，则磁心损耗有增大的趋势，得不到所希望的磁心低损耗特性。若ZnO含量小于2mol%，则磁心损耗有恶化的趋势；若ZnO含量大于11mol%，则材料居里温度降低，不能实现高温高饱和磁通密度。若不加入NiO，则难以实现材料的高饱和磁通密度；若NiO含量大于2.5mol%，则有磁心损耗增大的趋势。

上述副成分主要是在铁氧体晶界形成高电阻层，细化晶粒，促进晶粒均匀生长，以降低材料损耗。当它们的含量低于下限值时，起不到降低磁心损耗的作用；而当它们的含量高于上述上限值时，则容易引起晶粒异常生长，使磁心损耗恶化。

作为优选方案，根据本发明所述的NiMnZn铁氧体材料，其中，所述的主成分原料为：Fe₂O₃ 53.2～55.0mol%，ZnO 3～9mol％，NiO 1.2～2.4mol％，余量为MnO。发明人研究发现，进一步优化主成分配方，可以使获得的铁氧体材料在具备高饱和磁通密度的基础上，使损耗进一步降低。

作为优选方案，根据本发明所述的NiMnZn铁氧体材料，其中，所述的副成分原料以主成分原料总重量计包括：SiO₂ 150～200ppm，CaCO₃ 600～1200ppm，ZrO₂ 150～250ppm，Nb₂O₅ 150～250ppm和Na₂O 100～200ppm。发明人研究发现，进一步优化副成分配方，可以使获得的铁氧体材料在具备高饱和磁通密度的基础上，使损耗进一步降低。

本发明还提供了上述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取主成分原料进行湿式混合，

（2）步骤（1）得到的粉料进行预烧，

（3）步骤（2）得到的预烧料中加入副成分原料进行湿式砂磨处理，得到料浆，

（4）步骤（3）得到的料浆进行喷雾造粒并成型，

（5）步骤（4）得到的成型体在控制氧分压的条件下于保温温度下烧结，其中在1000℃～保温温度的升温阶段升温速率为4-7℃/分钟，氧分压浓度为0.2%以下。

作为优选方案，根据本发明所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，其中，所述的步骤（5）中的保温温度为1300-1350℃，烧结的时间为2-8个小时。

作为优选方案，根据本发明所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，其中，所述的步骤（3）中Na₂O以NaCl或Na₂CO₃的形式加入。NaCl或Na₂CO₃的加入量以NaCl或Na₂CO₃中Na元素的量等于Na₂O中的Na元素的量为准。

作为优选方案，根据本发明所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，其中，所述的制备方法还包括步骤（6）在平衡O₂－N₂的气氛下进行的冷却阶段。“平衡O₂－N₂的气氛”是本领域技术人员公知的技术，此处不再详述。

本发明通过限制材料主成分、副成分组成及含量，配合适当的烧结工艺，实现了所提供的铁氧体磁心，在100℃下的饱和磁通密度在450mT以上（测试条件：1194A/m），100℃下的损耗在320kW/m³以下（测试条件：100kHz/200mT）。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

现有的软磁铁氧体材料往往不能把低损耗和高饱和磁通密度结合在一起。本发明的铁氧体材料同时具备磁心损耗低、饱和磁通密度高的特点。磁心损耗低可以提高器件的能量转换效率，实现了电子器件的节能化；饱和磁通密度高可以在相同的输出功率条件下减小器件的体积，实现了电子器件的小型化和轻薄化。

具体实施方式

下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

以表1所示的主成分原料配方称取Fe₂O₃、MnO、ZnO、NiO原材料进行湿式混合，然后900℃下预烧2个小时。以主成分原料的总重量计，向预烧后的混合物中加入150ppm的SiO₂、900ppm的CaCO₃、200ppm的ZrO₂、200ppm的Nb₂O₅和100ppm的Na₂O，其中Na₂O以NaCl的形式加入，进行湿式砂磨处理得到铁氧体料浆。向料浆中加入按铁氧体粉末重量计算的1wt％的PVA粘结剂，进行喷雾造粒。在1吨/cm²的压力下把造粒后的粉料成型为测试用的标准环形铁氧体磁心。然后把成型体在控制氧分压的条件下于1300℃烧结5小时，其中在1000℃～1300℃的升温阶段升温速率为4℃/分钟，氧分压浓度为0.1%。然后在平衡O₂－N₂的气氛下进行冷却。

用IWATSU－8232交流B－H分析仪在100kHz、200mT条件下测试磁心的体积功耗；用IWATSU－8258交流B－H分析仪在50Hz、1194A/m条件下测试磁心的饱和磁通密度。

表1

从表1看出，主成分原料配方在本发明范围内，磁心在高温下的饱和磁通密度高，功耗低。100℃下的饱和磁通密度在450mT以上，100℃下的体积功耗在320kW/m³以下。当主成分原料配方中NiO的含量高于2.5mol％时，磁心的体积功耗有增大的倾向（见试验编号113）；当主成分原料配方中不含NiO时，磁心的高温饱和磁通密度有降低的倾向（见试验编号114）。

实施例2

磁心的制备工艺与实施例1相同。不同之处在于：主成分原料配方固定为53.6mol％的Fe₂O₃、38.2mol％的MnO、7mol％的ZnO和1.2mol％的NiO；副成分原料的加入量以主成分原料总重量计如表2所示，其中Na₂O以Na₂CO₃的形式加入。

表2

从表2可以看出，当副成分原料的加入量在本发明范围内，磁心的体积功耗低；当副成分原料的加入量偏离本发明范围时，磁心的体积功耗有恶化的趋势。

实施例3

磁心的组成与试验编号103＃相同。制备工艺与实施例1相同，不同之处在于：在1000℃～1330℃升温段的升温速率和氧分压浓度如表3所示。

表3

从表3可以看出，当升温速率低于4℃/分钟时，磁心的高温饱和磁通密度降低；当升温速率高于7℃/分钟时，磁心的高温饱和磁通密度降低，功耗升高；当氧分压浓度高于0.2％时，磁心的高温饱和磁通密度降低。

实施例4

磁心的组成与试验编号103＃相同。制备工艺与实施例1相同，不同之处在于：保温温度和保温时间如表4所示。

表4

Figure 2010102530610100002DEST_PATH_IMAGE005

从表4可以看出，当保温温度较低（低于1300℃）和保温时间较短（小于2个小时）时，磁心的高温饱和磁通密度降低；当保温温度较高（高于1350℃）和保温时间较长（大于8个小时）时，磁心功耗升高。

上述优选实施例只是用于说明和解释本发明的内容，并不构成对本发明内容的限制。尽管发明人已经对本发明做了较为详细地列举，但是，本领域的技术人员根据发明内容部分和实施例所揭示的内容，能对所描述的具体实施例做各种各样的修改或/和补充或采用类似的方式来替代是显然的，并能实现本发明的技术效果，因此，此处不再一一赘述。本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不构成对本发明的限制。

Claims

1.一种NiMnZn铁氧体材料，由主成分和副成分组成，其特征在于：

所述的主成分原料为：Fe₂O₃ 53.2～55.0mol%，ZnO 3～9mol％，NiO 1.2～2.4mol％，余量为MnO；

所述的副成分原料以主成分原料总重量计包括：SiO₂ 150～200ppm，CaCO₃ 600～1200ppm，ZrO₂ 150～250ppm，Nb₂O₅ 150～250ppm和Na₂O 100～200ppm，

所述的NiMnZn铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）称取主成分原料进行湿式混合，

（2）步骤（1）得到的粉料进行预烧，

（4）步骤（3）得到的料浆进行喷雾造粒并成型，

（5）步骤（4）得到的成型体在控制氧分压的条件下于保温温度下烧结，还包括在平衡O₂－N₂的气氛下进行的冷却阶段，其中在1000℃～保温温度的升温阶段升温速率为4-7℃/分钟，氧分压浓度为0.2%以下，保温温度为1300-1350℃，烧结的时间为2-8个小时。

2.根据权利要求1所述的NiMnZn铁氧体材料，其特征在于，所述的步骤（3）中Na₂O以NaCl或Na₂CO₃的形式加入。