CN102167573A - 一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料及制备方法，其主相为尖晶石结构，组成包括Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃，其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为48mol％～56mol％；ZnO为15mol％～22mol％；NiO为20mol％～33mol％；Co₂O₃为0.001mol％～0.004mol％。本发明通过采用合适的配方和适当的工艺参数，制备出了具有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低的新型镍锌软磁铁氧体材料，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。

Description

一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一中镍锌铁氧体材料的生产技术，特别是一种一体式高频无极灯电感耦合器专用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，激励电源产生一个2MHz以上的高频电流，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，它激发灯泡壁上的荧光粉发出可见光。

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。

目前，国内无极灯技术仍然普遍停留在Philips公司90年代末的水平上，由于几个主要关键问题未解决，产品至今仍以分体式为主：1、目前所用电感耦合器磁芯在工作频率下功耗偏大，造成产品发热严重；2、一体化后产品的发热较为集中，导致最内部的电感耦合器的工作温度通常在200℃左右，为了保持稳定工作，就需要电感耦合器内的磁芯能够在-60℃～240℃超宽温范围内具有极佳温度稳定性。上述这些技术限制造成了产品小型化困难、造价过高、容易产生电磁辐射等问题，例如135W的无极灯市场价格就超过500元人民币。这些因素正是无极灯迟迟无法打开市场进行普及的重要原因。

因此，推出一种具有较高电阻率，在2.5MHz～3MHz频率范围内具有极低的电磁损耗，在-60℃～240℃超宽温范围内具有极佳温度稳定性，且品质因素高的高频功率NiZn铁氧体材料，并将其应用于制备电感耦合器是解决高频无极灯小型化和一体化的关键技术之一。

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-60℃～240℃超宽温范围内具有极佳温度稳定性，初始磁导率的比温度系数小于3×10^-6，品质因素Q在230以上，且在2.5MHz～3MHz频率范围内具有极低的电磁损耗的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料及制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料，其主相为尖晶石结构，组成包括Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃，其特征是其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为48mol％～56mol％；ZnO为15mol％～22mol％；NiO为20mol％～33mol％；Co₂O₃为0.001mol％～0.004mol％。其特征是它还包含有占总重量0.05wt％～0.15wt％的作为烧结助熔剂的经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其中纳米MnCO₃添加量为占总重量0.2wt％～0.5wt％；纳米CaCO₃添加量为占总重量0.02wt％～0.05wt％。

本发明提供的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料的制备方法，其特征在于方法的步骤如下：

a)一次球磨：

将称好的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃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；

b)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1020℃～1180℃，预烧时间为1.5小时～3.5小时，预烧后随炉冷却；

c)杂质添加：

选用经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅作为烧结助熔剂，其添加量为：0.05wt％～0.15wt％；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其添加量分别为0.2wt％～0.5wt％和0.02wt％～0.05wt％；

d)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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为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。

e)成型烧结：

将二次球磨好的预烧料烘干，加入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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1200℃～1300℃之内，保温0.5小时～1小时，然后将烧结温度控制在1100℃～1200℃之内，保温时间为1小时～3小时，随炉冷却到室温即可。

本发明提供的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料，具有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低，能够应用于制备一体式高频无极灯功率耦合器，在-60℃～240℃超宽温范围内具有极佳温度稳定性，初始磁导率的比温度系数小于3×10^-6，在高频无极灯工作的2.5MHz～3MHz频率范围内具有极低的电磁损耗，其品质因素Q均在230以上。如此良好的温度稳定性使得由其制备的电感耦合器的电感波动率(ΔL/L)在3％以内，这能够保证一体化高频无极灯平稳工作，有利于无极灯的小型化和一体化。此外，本发明提供的具有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低，能够应用于制备一体式高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料的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经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米级别的V₂O₅、MnCO₃和CaCO₃作为添加剂，这将导致添加剂使用量的减小，有助于改善镍锌铁氧体的电磁损耗特性。

本发明通过采用合适的配方和适当的工艺参数，制备出了具有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低的新型镍锌软磁铁氧体材料，该材料非常适合用于制备性能优良的一体化高频无极灯功率耦合器。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。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

本实施例提供的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料，其主相为尖晶石结构，组成包括Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃，其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为48mol％～56mol％；ZnO为15mol％～22mol％；NiO为20mol％～33mol％；Co₂O₃为0.001mol％～0.004mol％，它还包含有占总重量0.05wt％～0.15wt％的作为烧结助熔剂的经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其中纳米MnCO₃添加量为占总重量0.2wt％～0.5wt％；纳米CaCO₃添加量为占总重量0.02wt％～0.05wt％。

本实施例提供的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料的制备方法，其步骤如下：

a)一次球磨：

将称好的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃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；

b)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1020℃～1180℃，预烧时间为1.5小时～3.5小时，预烧后随炉冷却；

c)杂质添加：

选用经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅作为烧结助熔剂，其添加量为：0.05wt％～0.15wt％；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其添加量分别为0.2wt％～0.5wt％和0.02wt％～0.05wt％；

d)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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为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。

e)成型烧结：

将二次球磨好的预烧料烘干，加入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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1200℃～1300℃之内，保温0.5小时～1小时，然后将烧结温度控制在1100℃～1200℃之内，保温时间为1小时～3小时，随炉冷却到室温即可。

在上述1020℃～1180℃预烧温度制备过程中，预烧结束后，原材料已全部反应生成尖晶石结构晶体，不存在其他杂相。经过二次球磨后，粉料颗粒平均粒度在1.00μm～1.60μm之间。本实施例的预烧温度为1020℃～1180℃、烧结采取二段冲击烧结法得到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1.00μm～2.20μm之间。

原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃。

预烧时的温度范围为1020～1180℃，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、MnCO₃和CaCO₃粉末作为添加杂质，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。而如果选用纳米尺级别的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。

而纳米MnCO₃和CaCO₃粉末添加后，Mn²⁺进入尖晶石晶格内，与Fe²⁺形成补偿效果，并控制Fe²⁺和Fe³⁺的含量；而Ca²⁺会进入晶界形成高电阻率的玻璃相，有效改善材料高频特性，特别是涡流损耗能够得到很好的改善。

然而，纳米粉体材料由于具有极高的表面能，特别容易团聚，因此在使用之前必须进行表面改性，在本发明中，我们采用硅烷偶联剂作为表面改性剂对其进行表面改性，以此改善其分散性。此外，为了进一步加强纳米颗粒的分散效果，本实施例还采用了分步添加法：即将预烧料放入球磨机中进行二次球磨过程中，纳米V₂O₅、MnCO₃和CaCO₃粉末分成五等份逐次加入，每次添加的间隔时间为10分钟。

预烧料二次球磨后的颗粒平均粒度为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。

下面通过进一步的细化举例认识本发明：

实施例2

1)原材料的选择：本发明提供的有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低，能够应用于制备一体式高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料的原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为56mol％、ZnO为15mol％、NiO为28.999mol％和Co₂O₃为0.001mol％。

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1020℃，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：选用经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅、纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为杂质添加，其添加量分别为0.15wt％、0.2wt％、0.05wt％。

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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为4小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1300℃之内，保温0.5小时，然后将烧结温度控制在1100℃之内，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，温度系数在高低温箱内测试，测量的温度范围为-60℃～240℃。

样品的磁性能和密度测试结果如下表所示：

表1：烧结样品的磁性能和密度的测试结果：

从表中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为68；在2.65MHz频率下品质因素Q高达235；在1MHz、10mT测试条件下功耗仅为217kw/m³；在-60℃～240℃超宽温范围内比温度系数仅为2.8×10^-6的优良电磁特性。由此可见该材料在高频无极灯工作范围不但具备高的品质因素、低的功耗，而且在很宽的温度范围内温度特性非常优异，特别适合一体式高频无极灯电感耦合器应用。

实施例3

1)原材料的选择：本发明提供的有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低，能够应用于制备一体式高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料的原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为48mol％、ZnO为22mol％、NiO为29.994mol％和Co₂O₃为0.004mol％。

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1180℃，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：选择经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅、纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为杂质添加，其添加量分别为0.05wt％、0.5wt％、0.02wt％。

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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为2小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1300℃之内，保温1小时，然后将烧结温度控制在1200℃之内，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，温度系数在高低温箱内测试，测量的温度范围为-60℃～240℃。

样品的磁性能和密度测试结果如下表所示：

表2：烧结样品的磁性能和密度的测试结果：

从表中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为70；在2.65MHz频率下品质因素Q高达247；在1MHz、10mT测试条件下功耗仅为231kw/m³；在-60℃～240℃超宽温范围内比温度系数仅为2.3×10^-6的优良电磁特性。由此可见该材料在高频无极灯工作范围不但具备高的品质因素、低的功耗，而且在很宽的温度范围内温度特性非常优异，特别适合一体式高频无极灯电感耦合器应用。

实施例4：

1)原材料的选择：本发明提供的有超宽温高稳定性和在高频大电流下电磁损耗极低，能够应用于制备一体式高频无极灯功率耦合器的镍锌铁氧体材料的原材料选择工业纯的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃。

2)成份设计与称料：按照Fe₂O₃为54mol％、ZnO为20mol％、NiO为25.997mol％和Co₂O₃为0.003mol％。

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1120℃，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：选择经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅、纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为杂质添加，其添加量分别为0.10wt％、0.3wt％、0.04wt％。

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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为3小时，要求球磨后的粉料颗粒平均粒度在1.00～1.60μm之间。

7)成型烧结：将二次球磨好的预烧料烘干，加入11wt％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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1200℃之内，保温0.75小时，然后将烧结温度控制在1150℃之内，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，温度系数在高低温箱内测试，测量的温度范围为-60℃～240℃。

样品的磁性能和密度测试结果如下表所示：

表3：烧结样品的磁性能和密度的测试结果：

从表中可以看到，制备出的镍锌铁氧体样品具有初始磁导率为78；在2.65MHz频率下品质因素Q高达251；在1MHz、10mT测试条件下功耗仅为199kw/m³；在-60℃～240℃超宽温范围内比温度系数仅为2.1×10^-6的优良电磁特性。由此可见该材料在高频无极灯工作范围不但具备高的品质因素、低的功耗，而且在很宽的温度范围内温度特性非常优异，特别适合一体式高频无极灯电感耦合器应用。

Claims (3)

1.一种一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料，其主相为尖晶石结构，组成包括Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃，其特征是其组成含量以氧化物计算为：Fe₂O₃为48mol％～56mol％；ZnO为15mol％～22mol％；NiO为20mol％～33mol％；Co₂O₃为0.001mol％～0.004mol％。

2.根据权利要求1所述的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料，其特征是它还包含有占总重量0.05wt％～0.15wt％的作为烧结助熔剂的经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其中纳米MnCO₃添加量为占总重量0.2wt％～0.5wt％；纳米CaCO₃添加量为占总重量0.02wt％～0.05wt％。

3.一种如权利要求1或2所述的一体式高频无极灯电感耦合器专用镍锌铁氧体材料的制备方法，其特征在于方法的步骤如下：

a)一次球磨：

将称好的Fe₂O₃、ZnO、NiO和Co₂O₃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；

b)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1020℃～1180℃，预烧时间为1.5小时～3.5小时，预烧后随炉冷却；

c)杂质添加：

选用经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米V₂O₅作为烧结助熔剂，其添加量为：0.05wt％～0.15wt％；经过硅烷偶联剂进行了表面改性的纳米MnCO₃和CaCO₃粉末作为改良添加剂，其添加量分别为0.2wt％～0.5wt％和0.02wt％～0.05wt％；

d)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，杂质分成五等份进行分次添加，每次添加间隔时间为10分钟，总的球磨时间为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；

e)成型烧结：

将二次球磨好的预烧料烘干，加入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，烧结工艺采取二段冲击烧结法，首先烧结温度升高到1200℃～1300℃之内，保温0.5小时～1小时，然后将烧结温度控制在1100℃～1200℃之内，保温时间为1小时～3小时，随炉冷却到室温即可。