CN102751065A - 宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，涉及电子材料技术。本发明由主成分和添加剂组成，其中，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO；以预烧反应后的主成分的质量为参照，添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。本发明的晶粒均匀致密，气孔较少，具有较好的宽温、宽频低损耗特性。

Description

宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，特别涉及宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料技术领域。

背景技术

电子整机系统向小型化、表面贴装化、大功率化及高温度稳定性方向发展，对应用于其中的低损耗铁氧体材料提出了更高的要求。特别是新型节能电光源和环保节能汽车市场的兴起，如：无极灯、电磁感应灯、混合动力汽车、电动汽车和燃料电池车等，它们需要DC-DC转换器工作在温度波动较宽的条件下。这就迫切需要研制出一种宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，且其必须同时具有较高磁导率(μ_i)和高饱和磁感应强度(B_s)等特性。为了提高变压器的传输功率，实现电子器件的小型化，需要磁芯工作在较高的磁感应强度下。为了降低MnZn铁氧体在宽温、宽频范围内的总损耗，则需要对宽温、宽频下具有低损耗特性的材料的总损耗进行分离，分析其损耗组成、比例及其与温度和频率的关系，进而采取相应的措施来降低特定的损耗，从而更有效的降低材料的总损耗。

发明的内容：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料及其制备方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，一种宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料。其特征在于，由主成分和添加剂组成。其中，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO；

以预烧反应后的主成分的质量为参照，添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。

进一步的说，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：52.0mol%Fe₂O₃，10.5mol%ZnO，0.06mol%CoO，0.12mol%SnO₂，37.32mol%MnO；添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt%CaO，0.04wt%Bi₂O₃，0.06wt%TiO₂，0.03wt%Nb₂O₅，0.05wt%Ta₂O₅。

本发明还提供一种宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料制备方法，包括以下步骤：

1）主成分的混合；

将由51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO组成的主成分放入球磨机中，加入等重量的去离子水，球磨1~2小时。

2）预烧；

将步骤1）混合均匀的粉料在900~1050℃于空气气氛中预烧，保温2~4小时。

3）掺入添加剂；

将步骤2）所得粉料按重量百分比加入以下添加剂0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。

4）二次球磨；

将步骤3）所得粉料放入球磨机中，加入等重量的去离子水，再次球磨2~4小时，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级（﹤1μm）。

5）成型、烧结；

将步骤4）所得粉料按重量百分比加入10~15wt%浓度为10%的聚乙烯醇溶液，混合均匀后造粒，在压机上将粒状粉料压制成型，放入钟罩炉内烧结，在900~1100℃缓慢升温，其中该升温段的氧分压为0.01~0.2%，在1280~1350℃保温4~6小时，其中保温段氧分压为2~6%，降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

经过以上工艺制备出的高性能MnZn功率铁氧体材料，晶粒均匀致密，气孔较少，具有较好的宽温、宽频低损耗特性。

MnZn功率铁氧体的总损耗（P_L）由三部分组成，分别为：磁滞损耗（P_h）、涡流损耗（P_e）和剩余损耗（P_r）。通过对总损耗进行分离可分别得到各部分的损耗值，典型温度下各种损耗在总损耗中所占的比例如表1所示。

表1典型温度下各种损耗所占总损耗的比例

随着频率和温度的升高，磁滞损耗在总损耗中的比例下降。在100kHz，80℃时，磁滞损耗占总损耗的44.3%，在150kHz，80℃时，则下降为34.2%；另外在100kHz，100℃时，磁滞损耗占总损耗的39.6%，在150kHz，100℃时，则下降为29.7%。涡流损耗在总损耗中的比例随温度和频率的升高逐渐增加。在100kHz，80℃时，涡流损耗占总损耗的比例为55.7%，此时涡流损耗已经成为主要损耗；在100kHz，100℃时，则上升为60.4%；在150kHz，80℃时，则变为65.8%。另外，在500kHz时，由于剩余损耗在高温、高频下急剧增大，因此，涡流损耗所占比例在高温时出现降低趋势。剩余损耗的比例随着温度和频率的升高而增加。由此可知，在不同温度和频率下，由于各种损耗所占比例不同，起主导作用的损耗机制也不同。在磁芯典型工作条件100kHz，200mT下，只存在磁滞损耗和涡流损耗。在高温下，涡流损耗在总损耗中所占份额超过磁滞损耗，逐渐成为总损耗的主要部分。

因此，基于典型工作磁感应强度B_m＝200mT，当频率低于100kHz时，要制得宽温低损耗材料，重点在于降低磁滞损耗，当频率为100~150kHz，磁滞损耗和涡流损耗需并重考虑，而当频率高于150kHz，需重点降低涡流损耗。

本发明的要点在于，通过引入五元主配方体系，同时在常规添加剂组合基础上引入低熔点的Bi₂O₃添加剂，调整亚微米粉体制备工艺，并在900~1100℃缓慢升温进行致密化烧结，实现对晶粒初生阶段的有效控制，最终在1280~1350℃温度下制备出宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体制备方法工艺流程图

图2制备的宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料扫描电镜照片

具体实施方式

本发明的宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，由主成分和添加剂组成。其中，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：

51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO；

以预烧反应后的主成分的质量为参照，添加剂按重量百分比，以氧化物计算：

0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。

作为一个实施例，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：52.0mol%Fe₂O₃，10.5mol%ZnO，0.06mol%CoO，0.12mol%SnO₂，37.32mol%MnO；添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt%CaO，0.04wt％Bi₂O₃，0.06wt%TiO₂，0.03wt%Nb₂O₅，0.05wt%Ta₂O₅。

按照图1所示，本发明的制备方法包括以下步骤：

1）主成分的混合；

将由51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO组成的主成分放入球磨机中，加入等重量的去离子水，球磨1~2小时。

2）预烧；

将步骤1）混合均匀的粉料在900~1050℃于空气气氛中预烧，保温2~4小时。

3）掺入添加剂；

将步骤2）所得粉料按重量百分比加入以下添加剂0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。

4）二次球磨；

将步骤3）所得粉料放入球磨机中，加入等重量的去离子水，再次球磨2~4小时，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级（﹤1μm）。

5）成型、烧结；

将步骤4）所得粉料按重量百分比加入10~15wt%浓度为10%的聚乙烯醇溶液，混合均匀后造粒，在压机上将粒状粉料压制成型，放入钟罩炉内烧结，在900~1100℃缓慢升温，其中该升温段的氧分压为0.01~0.2%，在1280～1350℃保温4~6小时，其中保温段氧分压为2~6%，降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

经过以上工艺制备出的高性能MnZn功率铁氧体材料，晶粒均匀致密，气孔较少，具有较好的宽温、宽频低损耗特性。

更具体的实施例如下：

1）主成分的混合；

将由52.0mol%Fe₂O₃，10.5mol%ZnO，0.06mol%CoO，0.12mol%SnO₂，37.32mol%MnO组成的主成分放入球磨机中，加入等重量的去离子水，球磨1小时，球磨介质为钢球。

2）预烧；

将步骤1）混合均匀的粉料在930℃于空气气氛中预烧，保温2小时。

3）掺入添加剂；

将步骤2）所得粉料按重量百分比加入以下添加剂：0.05wt%CaO，0.04wt%Bi₂O₃，0.06wt%TiO₂，0.03wt%Nb₂O₅，0.05wt%Ta₂O₅。

4）二次球磨；

将步骤3）所得粉料放入球磨机中，加入等重量的去离子水，再次球磨2小时，球磨介质为钢球，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级（﹤1μm）。

5）成型、烧结；

将步骤4）所得粉料按重量百分比加入15wt%浓度为10%的聚乙烯醇溶液，混合均匀后造粒，在压机上将粒状粉料压制成型，放入钟罩炉内烧结，在900~1100℃缓慢升温，其中该升温段的氧分压为0.1%，在1320℃保温5小时，其中保温段氧分压为5%，降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

经过以上工艺制备出的宽温、宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，晶粒均匀致密，气孔较少。在200mT条件下，材料的功耗P_L在宽温(25℃~120℃)、宽频(10~150kHz)范围内具有较低的值，磁导率μ_i为3300，饱和磁感应强度B_s达到530mT，居里温度T_c为220℃，电阻率为10.0Ω·m。

具体的性能指标如下所示：

起始磁导率(μ_i)：3300；

饱和磁感应强度(B_s)：530mT；

矫顽力(H_c)：＜9A/m；

居里温度(T_c)：220℃；

电阻率(ρ)：10.0Ω·m；

密度(d)：4.9g/cm³。

其中宽温、宽频范围内功率损耗见表2：

表2高性能MnZn功率铁氧体性能指标

Claims (4)

1.宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，其特征在于，由主成分和添加剂组成，其中，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO；

以预烧反应后的主成分的质量为参照，添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅。

2.如权利要求1所述的宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料，其特征在于，主成分按摩尔百分比，以氧化物计算：52.0mol%Fe₂O₃，10.5mol%ZnO，0.06mol%CoO，0.12mol%SnO₂，37.32mol%MnO；添加剂按重量百分比，以氧化物计算：0.05wt%CaO，0.04wt%Bi₂O₃，0.06wt%TiO₂，0.03wt%Nb₂O₅，0.05wt%Ta₂O₅。

3.宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）主成分的混合：

将由51~54mol%Fe₂O₃，9~13mol%ZnO，0.02~0.10mol%CoO，0.05~0.20mol%SnO₂，余量为MnO组成的主成分放入球磨机中，加入等重量的去离子水，球磨1~2小时；

2）预烧：

将步骤1）混合均匀的粉料在900~1050℃于空气气氛中预烧，保温2~4小时。

3）掺入添加剂：

将步骤2）所得粉料按重量百分比加入以下添加剂0.05~0.1wt%CaO，0.01~0.08wt%Bi₂O₃，0.03~0.08wt%TiO₂，0.02~0.05wt%Nb₂O₅，0.01~0.08wt%Ta₂O₅；

4）二次球磨：

将步骤3）所得粉料放入球磨机中，加入等重量的去离子水，再次球磨2~4小时，使球磨后的粉料粒径达到亚微米级；

5）成型、烧结。

4.宽温宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料制备方法，其特征在于，所述步骤5）为：

将步骤4）所得粉料按重量百分比加入10~15wt%浓度为10%的聚乙烯醇溶液，混合均匀后造粒，在压机上将粒状粉料压制成型，放入钟罩炉内烧结，在900~1100℃缓慢升温，其中该升温段的氧分压为0.01~0.2%，在1280~1350℃保温4~6小时，其中保温段氧分压为2~6%，降温过程的平衡氧分压按Morineau方程控制，进行平衡气氛烧结。

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