CN102690109B - 一种软磁镍铜锌铁氧体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于软磁领域,具体提供了一种软磁镍铜锌铁氧体材料,组成包括主成分和副成分,其中,所述的主成分包括氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜,主成分以各自的摩尔百分比含量是:Fe2O3:46.5~50.0mol%、NiO:12.0~17.0mol%、ZnO:27.0~31.0mol%、CuO:4.0~8.0mol%;所述副成分包括锰的氧化物和氧化铋,相对于所述的主成分总重量,所述副成分以其标准物MnO和Bi2O3计的重量百分比总量为0.1~1.0wt%。本发明材料在宽频50KHz~10MHz下,特别是在高频1MHz~10MHz下具有高的磁导率(μi≈300,f=1MHz)、高电阻率、低比损耗、低比温度系数等特性。
Description
技术领域
本发明属于软磁铁氧体材料领域,具体涉及一种软磁镍铜锌铁氧体材料及其制备方法。
背景技术
随着信息产业、通讯电子、汽车电子、测试仪表、家用电器等行业的迅猛发展,电子设备正向小型化、集成化、高频化等方向发展;低损耗镍铜锌软磁铁氧体材料需求量日益增大。国内外各软磁材料生产厂家开发出了磁导率从10到2500的一系列镍铜锌软磁铁氧体材料,应用频率从几KHz拓展到上千MHz。
下表为国内、外主要镍铜锌软磁铁氧体材料厂家磁导率μi在300左右的材料牌号及主要材料的性能指标。
国内外μi≈300镍锌铁氧体材料性能一揽表
从上表公布的材料特性中可以看出上述材料在高频(1MHz~10MHz)下使用时材料的比损耗有较大的差异:
1、在f=1MHz下TDK公司的SY20材料最小(tanδ/μi×10-6<31);在f=5MHz下TDK公司的SY20材料却比较大(tanδ/μi×10-6<600);
2、在f=2MHz下TDK公司的L14H和东磁的DN30B材料都比较小(tanδ/μi×10-6<90);
3、在f=3MHz下TDK公司的材料L11H最小(tanδ/μi×10-6<60);
综上所述,上述材料在频率为3MHz~10MHz使用时其比损耗较大。
公开号为CN102329129A的中国发明,提供了一种平板显示用高表面电阻镍铜锌铁氧体材料,与本发明存在实质性不同。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺点和不足,本发明的目的首先是提供一种适合在宽频(50KHz~10MHz)下使用的软磁镍铜锌铁氧体材料,第二个目的是提供所述铁氧体材料的制备方法。
为实现本发明的目的,发明人提供下述技术方案:
一种软磁镍铜锌铁氧体材料,组成包括主成分和副成分,其特征在于,所述的主成分包括氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜,主成分以各自的摩尔百分比含量是:Fe2O3:46.5~50.0mol%、NiO:12.0~17.0mol%、ZnO:27.0~31.0mol%、CuO:4.0~8.0mol%;所述副成分包括锰的氧化物和氧化铋,相对于所述的主成分总重量,所述副成分以其标准物MnO和Bi2O3计的重量百分比总量为0.1~1.0wt%。
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,尤其是控制Fe2O3和ZnO的含量,并配以适当的副成分,可以获得一种在宽频(50KHz~10MHz)下使用的变压器、电感器、滤波器等器件的镍铜锌软磁铁氧体材料,本发明材料还可用于抗EMI器件,本发明的材料特别是在高频(1MHz~10MHz)下具有高的磁导率(μi≈300,f=1MHz)、高电阻率、低比损耗、低比温度系数等特性。
上述主成分范围中,若Fe2O3含量小于46.5mol%,则得不到所希望的高饱和磁通密度;若Fe2O3含量大于50mol%,则材料的电阻率急剧下降、比损耗增大。若ZnO含量小于27mol%,则磁导率有所下降;若ZnO含量大于31mol%,则材料的居里温度降低。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料,其中,相对于所述的主成分总重量,所述的副成分锰的氧化物和氧化铋,以各自标准物计的重量百分比含量是:MnO:0~0.50wt%、Bi2O3:0.1~0.5wt%。
上述副成分MnO主要是在铁氧体烧结结反应时取代Fe2+,减少Fe2+←→Fe3+间的“蛙跃”现象,从而提高材料的电阻率。当它的含量低于下限值时,Fe2+←→Fe3+间的电子对无法有效的控制,使得材料的电阻率下降,而当它的含量高于上述上限值时,因MnO在空气中极易氧化,导致材料的性能恶化。
上述副成分Bi2O3,则起到降低烧结温度、促进晶粒均匀生长,以降低材料损耗的作用,当它的含量低于下限值时,烧结温度升高,晶粒易异常长大;而当它的含量高于上述上限值时,则容易引起晶粒异常生长,使材料的性能恶化。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料,其中,所述的副成分进一步包括Co2O3、V2O5、ZrO2、SiO2、TiO2、Nb2O5中的一种或几种,相对于所述的主成分总重量,这些副成分以其标准物计的重量百分比含量是:Co2O3:0.3~1.0wt%、V2O5:0.05~0.50wt%、ZrO2:0.01~0.2wt%、SiO2:0.05~0.50wt%、TiO2:0.01~0.2wt%、Nb2O5:0.005~0.1wt%。
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,起不到降低村料损耗的作用;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,使材料的性能恶化。
本发明还提供了上述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料的制备方法,依次包括下述步骤:
(1)将主成分及各副成分混合、振磨,然后在空气窑中进行预烧,保温,得到经过初步反应的预烧粉料,
(2)在预烧粉料中混入去泡剂进行砂磨,出料搅拌并加入粘结剂,经喷雾干燥得到平均粒径在80μm~300μm的颗粒料,
(3)在颗粒料中加入硬脂酸锌后压制成铁氧体坯件,将坯件放在1050~1150℃的空气窑中烧结,保温时间为100~150分钟,得到所述的软磁镍铜锌铁氧体材料。使得磁心在该环境下烧结时晶结均匀完整、反应完全,磁心的电磁性能和物理性能达到最佳。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料的制备方法,其中,所述的步骤(1)中预烧温度为900~1000℃,保温时间为120~180分钟。其目的是为了降低材料的收缩率,减少磁心开裂、变形;通过挥发排出原材料中残留的SO4 2-、Cl-等有害物质等。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料的制备方法,其中,所述的步骤(1)中副成分锰的氧化物以Mn3O4的形式加入。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料的制备方法,其中,所述的步骤(2)中去泡剂为正锌醇,用量为预烧粉料的0.1~0.5wt%;粘结剂为聚乙烯醇,用量为预烧粉料的0.7~1.2wt%。0.1~0.5wt%的正锌醇起到分散颗粒,减少颗粒团聚以及消除在砂磨时产生泡沫等作用;0.7%~1.2wt%的聚乙烯醇则使料浆在干燥时产生一定大小和强度的颗粒,以保证成型时粉料具有良好的流动性。
作为优选,根据本发明所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料的制备方法,其中,所述的步骤(3)中硬脂酸锌的用量为颗粒料的0.05~0.1wt%,它能起到润滑剂的作用,减少坯件与模具间的摩擦力,延长模具的使用寿命。
本发明通过限制材料主成分、副成分组成及含量,优化添加氧化物及控制预烧工艺和烧结工艺,实现了所提供的软磁镍铜锌铁氧体材料具有下列特性:
磁导率μi:300±25%(f=1MHz);
比温度系数αμr(×10-6):15~25(20~60℃);
饱和磁感应强度Bs(mT):≥320mT(H=2000A/m);
居里温度Tc(℃):≥150;
电阻R(Ω):≥109;
比损耗tanδ/μi(×10-6):<31(f=1MHz)
<300(f=5MHz)
本发明中,如无特别说明,出现的专业术语或名词,其含义是本领域通常所指的含义。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明的材料在宽频(50KHz~10MHz),特别是高频(1MHz~10MHz)下具有高的磁导率(μi≈300,f=1MHz)、低比损耗、高电阻率、高居里温度、低比温度系数等特性。
2、本发明主副原材料选取合理,均采用常规的原材料进行制作;
3、本发明制备工艺简单,采用通用的软磁铁氧体材料生产工艺设备。
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,所有的成份百分比均为重量单位,所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。
实施例1
以表1所示的主成分含量称取Fe2O3、NiO、ZnO和CuO原材料,相对于所述的主成分总重量,副成分以各自标准物计的重量百分比含量是:MnO:0.2wt%、Bi2O3:0.2wt%、Co2O3:0.3wt%、V2O5:0.05wt%、ZrO2:0.05wt%、SiO2:0.1wt%、TiO2:0.01wt%、Nb2O5:0.02wt%,副成分锰的氧化物MnO以Mn3O4的形式加入,将主成分原料及各副成分原料混合、振磨,然后在950℃的空气窑中预烧120分钟,得到经过初步反应的预烧粉料。按预烧粉料的重量计,向预烧粉料中加入0.2wt%的正锌醇进行砂磨,出料搅拌并加入0.8wt%的粘接剂聚乙烯醇,经喷雾干燥得到平均粒径在200μm的颗粒料。按颗粒料的重量计,在颗粒料中加入0.05wt%的硬脂酸锌后压制成铁氧体坯件,将坯件放在1080℃的空气窑中烧结,保温时间为120分钟,得到所述的软磁镍铜锌铁氧体材料。通过X荧光分析仪,检测铁氧体磁粉的最终组成与设计组成一致。
采用HP4291B仪表在U=0.5V,N=20Ts,T=25℃下检测磁粉的磁导率μi、比损耗tanδ/μi、比温度系数αμr、居里温度Tc;采用SY8258仪在H=2KA/m,T=25℃下测试饱和磁感应强度Bs;采用MS 8220仪在U=500V,T=25℃下测试表面电阻R。结果见表1。
表1
从表1看出,主成分含量在本发明范围内,磁心的饱和磁通密度高,比损耗低。25℃下的饱和磁通密度Bs在320mT以上;1MH下的比损耗tanδ/μi<31×10-6、5MH下的比损耗tanδ/μi<300×10-6;αμr<300×10-6(20~60℃)、表面电阻R>109Ω,居里温度Tc>150℃。当主配方偏离本发明,则存在tanδ/μi、αμr、表面电阻R、居里温度Tc中的某一项或几项性能指标变差。
实施例2
磁心的制备工艺与实施例1相同。只是主成分配方中Fe2O3、NiO、ZnO、CuO的含量固定为48.5mol%的Fe2O3、15.5mol%的NiO、30mol%的ZnO和6mol%的CuO。副成分的含量如表2所示。
表2
表3
从表2和表3可以看出,当副成分的含量在本发明范围内,磁心的比损耗较低,25℃下的饱和磁通密度在320mT以上;1MH下的比损耗tanδ/μi<31×10-6、5MH下的比损耗tanδ/μi<300×10-6;表面电阻R>109Ω,居里温度Tc>150℃。当副成分的含量偏离本发明范围时,则存在磁导率μi、饱和磁通密度Bs、tanδ/μi、αμr、表面电阻R中的某一项或几项性能指标变差。
实施例3
磁心的组成与试验编号102#相同,制备工艺与实施例1相同。只是烧结温度如表4所示。
表4
从表4可以看出,当烧结温度在1050~1150℃时,磁心的各性能指标较好,在1030℃烧结时其温度就偏低了,从而导致磁导率μi、饱和磁感应强度Bs、5MHz下的tanδ/μi等特性变差。
上述实施例只是用于说明和解释本发明的内容,不能构成对本发明范围的限制。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,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,并不能构成对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种软磁镍铜锌铁氧体材料,组成包括主成分和副成分,其特征在于,所述的主成分包括氧化铁、氧化镍、氧化锌和氧化铜,主成分以各自的摩尔百分比含量是:Fe2O3:46.5~50.0mol%、NiO:12.0~17.0mol%、ZnO:27.0~31.0mol%、CuO:4.0~8.0mol%;所述副成分包括锰的氧化物和氧化铋,相对于所述的主成分总重量,所述副成分以其标准物MnO和Bi2O3计的重量百分比总量为0.1~1.0wt%,以各自标准物计的重量百分比含量是:MnO:0~0.50wt%、Bi2O3:0.1~0.5wt%,所述的副成分进一步包括Co2O3、V2O5、ZrO2、SiO2、TiO2、Nb2O5中的一种或几种,相对于所述的主成分总重量,这些副成分以其标准物计的重量百分比含量是:Co2O3:0.3~1.0wt%、V2O5:0.05~0.50wt%、ZrO2:0.01~0.2wt%、SiO2:0.05~0.50wt%、TiO2:0.01~0.2wt%、Nb2O5:0.005~0.1wt%,
制备方法依次包括下述步骤:
(1)将主成分及各副成分混合、振磨,然后在空气窑中进行预烧,保温,得到经过初步反应的预烧粉料,所述的预烧温度为900~1000℃,保温时间为120~180分钟,
(2)在预烧粉料中混入去泡剂进行砂磨,去泡剂为正锌醇,用量为预烧粉料的0.1~0.5wt%;出料搅拌并加入粘接剂,粘结剂为聚乙烯醇,用量为预烧粉料的0.7~1.2wt%,经喷雾干燥得到平均粒径在80μm~300μm的颗粒料,
(3)在颗粒料中加入硬脂酸锌后压制成铁氧体坯件,硬脂酸锌的用量为颗粒料的0.05~0.1wt%,将坯件放在1050~1150℃的空气窑中烧结,保温时间为100~150分钟,得到所述的软磁镍铜锌铁氧体材料。
2.根据权利要求1所述的一种软磁镍铜锌铁氧体材料,其特征在于,所述的步骤(1)中副成分锰的氧化物以Mn3O4的形式加入。
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