CN102693807A

CN102693807A - 一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体及其制备方法

Info

Publication number: CN102693807A
Application number: CN2012100418954A
Authority: CN
Inventors: 吕飞雨; 王朝明
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: CN102693807B

Abstract

本发明属于软磁领域，具体涉及一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，由主成分和辅助成分组成，其中，主成分及含量以氧化物计算为：Fe₂O₃:52～53mol%、MnO:36～37mol%、ZnO:10～12mol%；按主成分总重量计的辅助成分为：CaCO₃ :0.01～0.07wt％、SnO₂：0.01～0.2wt%、Nb₂O₅：0.01～0.04wt%、ZrO₂：0.01～0.04wt%、Co₂O₃：0.2～0.55wt%、V₂O₅：0.01～0.05wt%中的四种以上。本发明还提供了所述铁氧体的制备方法。本发明解决了传统的功率材料已经不能满足电子产品的要求，尤其是对高温功耗方面的要求，在25℃-140℃宽的温度范围内都具有较低的功耗。

Description

一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体及其制备方法

技术领域

本发明属于软磁领域，涉及一种锰锌铁氧体及其制备方法，尤其涉及一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体及其制备方法。

背景技术

随着通讯、计算机、网络等电子信息产业的高速发展，对高性能软磁铁氧体的需求的与日俱增。目前，工业化生产的软磁铁氧体材料主要有锰锌功率铁氧体、镍锌铁氧体和镁锰锌铁氧体等三大类，从产量来说锰锌铁氧体当居首位，占60％以上。因此，锰锌功率铁氧体的未来发展动向更为引人关注。而作为广泛应用于各类通讯及电子领域的低功耗锰锌功率铁氧体，对功率材料的要求也是越来越高，特别是宽温要求，传统的功率材料已经不能满足开关电源变压器等电子产品的要求，尤其是汽车电子领域，对高温功耗有很高的要求，特别是120-140℃的功耗要求，而本发明的超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体将在DMR95宽温低功耗材料的的基础上进行开发，使之在很宽的温度范围内(25℃-140℃)都具有较低的功耗，功耗温度曲线非常平缓；当其应用在汽车电子领域，使在常温及高温140℃条件下效果比所有功率材料性能大大提高，同时功率材料的饱和磁通密度进一步提高，满足了市场对该材料综合特性的要求，市场前景喜人。本发明与公开号为CN101964233A和CN102219487A等的发明公开的宽温低损耗铁氧体材料是采用完全不同的技术方案在宽温范围内实现低损耗的。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的首先是提供一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，第二个目的是提供所述铁氧体的制备方法。

为实现本发明的目的，发明人提供下述技术方案：

一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，由主成分和辅助成分组成，其中，主成分及含量以氧化物计算为：Fe₂O₃：52～53mol％、MnO：36～37mol％、ZnO：10～12mol％；按主成分总重量计的辅助成分为：CaCO₃：0.01～0.07wt％、SnO₂：0.01～0.2wt％、Nb₂O₅：0.01～0.04wt％、ZrO₂：0.01～0.04wt％、Co₂O₃：0.2～0.55wt％、V₂O₅：0.01～0.05wt％中的四种以上。

作为优选方案，根据本发明所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，其中，所述的辅助成分及含量以氧化物计算为：CaCO₃：0.03～0.06wt％、SnO₂：0.01～0.08wt％、Nb₂O₅：0.015～0.03wt％、ZrO₂：0.01～0.03wt％、Co₂O₃：0.25～0.4wt％、V₂O₅：0.01～0.04wt％中的四种以上。

实验研究发现，本发明的技术方案中，同时添加其他辅助成分CaCO₃：0.03～0.06wt％、SnO₂：0.01～0.08wt％、Nb₂O₅：0.015～0.03wt％、ZrO₂：0.01～0.03wt％、Co₂O₃：0.25～0.4wt％或V₂O₅：0.01～0.04wt％中的几种或多种组合，可以获得25℃-160℃的温度范围内功耗保持很低的特性，进一步优化铁氧体的性能，本发明优选方案与基础方案相比，其材料具备更优的性能。

众所周知，MnZn功率铁氧体的损耗是由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成的。为了得到在25℃～160℃宽温条件下都有低损耗，通过添加Co₂O₃可以生成K1正值很大的CoFe₂O₄，由于Co²⁺的K1值很大，比Fe²⁺的K1值大200倍，所以组成中CoFe₂O₄含量的多少在很大程度上决定了材料的II峰位置。由于Co²⁺不仅对K₁有影响，而且会使K2增加，如果Fe²⁺或Co²⁺过量的话，会导致高温下K1值远大于零，而且随着温度的升高，K₁值增大，对应的μi～T曲线在高温区明显下降，出现较大的负温度系数，综合利用Fe²⁺和Co²⁺对K1的补偿作用，若Fe²⁺和Co²⁺的比例适当，K1值可能有多个补偿点，对应的μi～T曲线在较宽的温度范围较平坦，由此可获得宽温低温度系数材料，另外磁滞系数与磁导率有一定的对应关系，磁导率高的材料磁滞系数亦小，相反磁导率低的材料磁滞系数大，而磁导率与K1的倒数呈正比，显然，磁滞系数与K1有着内在的联系，调节Fe²⁺与Co²⁺的含量，使K1值趋近于零，减小磁滞系数，提高磁导率就可获得较小的磁滞损耗。另外添加Sn、Zr、Nb、Ca、V等元素优化晶界、细化晶粒，改善材料的损耗系数。

当然仅仅这样优化MnZn功率铁氧体的成分配方，对性能改善是不够，还需要在优化材料的成分基础上采用合适的制备方法。发明人特别是在烧结工艺进行了更深入的研究，通过对烧结温度、保温时间、升温降温速率及在氧含量的精确控制等方面做了大量试验。

本发明还提供上述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，依次包括下述步骤：

(1)配料、混料：按比例称取主成分原料，然后在砂磨机中加入去离子水或蒸馏水进行砂磨，砂磨的时间为30～60分钟；

(2)一次喷雾造粒：将混好的料浆进行喷雾造粒，除去料浆中的水分制备成颗粒料，

(3)预烧：将上述颗粒料进行预烧，预烧温度为750℃～850℃，预烧时间为3～9小时；

(4)二次砂磨：在上述预烧料中加入按比例称好的辅助成分，然后将粉料加入去离子水或蒸馏水后放入砂磨机中进行二次砂磨，二次砂磨时间为1～3小时；

(5)喷雾造粒和成型：将上述的二次砂磨料进行喷雾造粒，制成粒径为50～200μm的颗粒，然后成型为坯件；

(6)烧结：将上述成型后的坯件在1250℃～1320℃的温度下进行烧结，烧结后即形成超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体。本发明的烧结温度一般比常规功率材料的烧结温度(1300-1360℃)低，可大大降低能耗。

作为优选，根据本发明所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其中，所述的步骤(4)中二次砂磨处理后的料浆中固态悬浮物的平均粒度为0.9～1.15μm。

作为优选，根据本发明所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其中，所述的步骤(6)中的烧结过程是在氧气和氮气的混合气体环境下进行，其中在致密化区的氧分压的范围为：0.005～0.01％，保温段氧分压的范围为：2～6％。

作为优选，根据本发明所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其中，所述的步骤(6)中烧结的致密化区升温速率在0.5～3℃/分钟。

作为优选，根据本发明所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其中，步骤(6)中保温时间为5～8小时。

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，本发明的优点是：

1、发明人通过优化材料成分和制备方法得到一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体。该超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体在100kHz、200mT的条件下，25℃功耗≤390mW/cm³，120℃功耗≤330mW/cm³，140℃功耗≤400mW/cm³，在1194A/m、50Hz的条件下，25℃的饱和磁通密度≥540mT。这样就能很好的满足器件对MnZn功率铁氧体宽温低损耗要求。

2.本发明所涉及的生产工艺具有生产成本低、工艺稳定的特点，能制造出具有超宽温低损耗高磁通密度特性的MnZn功率铁氧体。

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

(1)、配料、混料：以表1所示的主成分含量称取Fe₂O₃、MnO、ZnO原材料，称重后在砂磨机中加入去离子水进行砂磨，砂磨的时间为40分钟；(2)一次喷雾造粒：将混好的料浆进行喷雾造粒，使料浆达到30％的含水量，除去料浆中的水分制备成颗粒料；(3)预烧：将上述颗粒料在回转窑进行预烧，预烧温度为800℃，预烧时间为8小时；(4)二次砂磨：在上述预烧料中加入按比例称好的辅助成分原料(按主成分总重量计的辅助成分组成为：CaCO₃：0.03wt％、SnO₂：0.02wt％、Nb₂O₅：0.03wt％、ZrO₂：0.01wt％、Co₂O₃：0.3wt％、V₂O₅：0.01wt％。)，然后将粉料加入去离子水后放入砂磨机中进行二次砂磨，二次砂磨时间为2小时，得到固体悬浮物平均粒径为0.9～1.0μm的二次砂磨料；(5)喷雾造粒和成型：在上述的二次砂磨料中加入重量比为20∶1的PVA和消泡剂正辛醇后，进行喷雾造粒，制成粒径为60μm的颗粒；然后成型为H25*15*8的坯件；(6)烧结：将上述成型后的坯件在1280℃的温度下进行烧结，烧结过程是在氧气和氮气的混合气体环境下进行，其中，致密化区的氧分压的范围为：0.01％，致密化区升温速率在3℃/分钟；保温时间为5小时，保温段氧分压为6％，烧结后即形成超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体。

通过X荧光分析仪，检测铁氧体的最终组成与设计组成一致。用IWATSU-8232交流B-H分析仪在100kHz、200mT条件下测试铁氧体的功耗；用IWATSU-8258交流B-H分析仪在50Hz、1194A/m条件下测试铁氧体的饱和磁通密度。

表1

从表1看出，主成分含量在本发明范围内，铁氧体的饱和磁通密度高，功耗低。25℃下的饱和磁通密度在540mT以上；25℃下的功耗在390mW/cm³以下、120℃下的功耗在330mW/cm³以下、140℃下的功耗在400mW/cm³以下。当主配方偏离本发明，则存在饱和磁通密度降低或功耗增大的倾向。

实施例2

铁氧体的制备工艺与实施例1相同。只是主成分配方中Fe₂O₃、MnO、ZnO的含量固定为52.5mol％的Fe₂O₃、36.5mol％的MnO和11mol％的ZnO。辅助成分的含量如表2所示。

表2

从表2可以看出，当辅助成分的含量在本发明范围内，铁氧体的功耗低；当辅助成分的含量偏离本发明范围时，则存在功耗增大的倾向。

实施例3

铁氧体的组成与试验编号103#相同，制备工艺与实施例1相同。只是保温时间和最高温的氧分压如表3所示。

表3

从表3可以看出，当保温时间少，氧分压不在范围内，则存在饱和磁通密度降低或功耗增大的倾向。

实施例4

铁氧体的组成与试验编号103#相同，制备工艺与实施例1相同。只是在致密化段的升温速率如表4所示。

表4

从表4可以看出，当升温速率高于3℃/min时，铁氧体的饱和磁通密度大大降低，功耗也有一定的升高。

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

1. 一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，由主成分和辅助成分组成，其特征在于，主成分及含量以氧化物计算为：Fe₂O₃: 52～53mol%、MnO: 36～37mol%、ZnO: 10～12mol%；按主成分总重量计的辅助成分为：CaCO₃ :0.01～0.07wt％、SnO₂：0.01～0.2wt%、Nb₂O₅：0.01～0.04wt%、ZrO₂：0.01～0.04wt%、Co₂O₃：0.2～0.55wt%、V₂O₅：0.01～0.05wt%中的四种以上。

2.如权利要求1所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体，其特征在于，所述的辅助成分及含量以氧化物计算为：CaCO₃ : 0.03～0.06wt％、SnO₂：0.01～0.08wt%、Nb₂O₅：0.015～0.03wt%、ZrO₂：0.01～0.03wt%、Co₂O₃：0.25～0.4wt%、V₂O₅：0.01～0.04wt%中的四种以上。

3.权利要求1-2之一所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法依次包括下述步骤：

（1）配料、混料：按比例称取主成分原料，然后在砂磨机中加入去离子水或蒸馏水进行砂磨，砂磨的时间为30～60分钟；

（2）一次喷雾造粒：将混好的料浆进行喷雾造粒，除去料浆中的水分制备成颗粒料，

（3）预烧：将上述颗粒料进行预烧，预烧温度为750℃～850℃，预烧时间为3～9小时；

（4）二次砂磨：在上述预烧料中加入按比例称好的辅助成分，然后将粉料加入去离子水或蒸馏水后放入砂磨机中进行二次砂磨，二次砂磨时间为1～3小时；

（5）喷雾造粒和成型：将上述的二次砂磨料进行喷雾造粒，制成粒径为50～200μm的颗粒，然后成型为坯件；

（6）烧结：将上述成型后的坯件在1250℃～1320℃的温度下进行烧结，烧结后即形成超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体。

4.如权利要求3所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中二次砂磨处理后的料浆中固态悬浮物的平均粒度为0.9～1.15μm。

5.如权利要求3所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其特征在于，所述的步骤（6）中的烧结过程是在氧气和氮气的混合气体环境下进行，其中在致密化区的氧分压的范围为：0.005～0.01％，保温段氧分压的范围为：2～6％。

6. 如权利要求3或5所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其特征在于，所述的步骤（6）中烧结的致密化区升温速率在0.5～3℃/分钟。

7.如权利要求3所述的一种超宽温低损耗高磁通密度MnZn功率铁氧体的制备方法，其特征在于，步骤（6）中保温时间为5～8小时。