CN104193317B - 抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法 - Google Patents

抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法，属于电子陶瓷材料及其制备技术领域。该铁氧体材料的主相为尖晶石结构，分子结构表达式为Ni0.30-xZn0.47+xCu0.18Co0.05Fe1.95O4，其中x的取值范围为0～0.05。在上述NiCuZn铁氧体材料的基础上，同时采用Bi2O3、SnO2、SiO2和CaCO3作为掺杂剂，其中Bi2O3：0.5～1wt％，SnO2：0.8～1.2wt％，SiO2：0.1～0.2wt％，CaCO3：0.1～0.2wt％。本发明得到的铁氧体兼顾了高起始磁导率和抗直流偏置磁场的要求，可广泛应用于抗大直流偏置磁场或大功率的叠层片式电感器中。

Description

抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷材料及其制备技术领域，具体涉及一种具有良好的抗直流偏置特性的低温烧结NiCuZn铁氧体材料及其制备方法。
背景技术
叠层片式LTCC铁氧体电感器件凭借其体积小、成本低、屏蔽性能优良、可靠性高、易于实现表贴等优异特性，在移动通信、计算机、汽车电子、电视、广播卫星等领域获得广泛应用。近年来，随着电子产品大数据量的传输和处理速度的提高，对片式LTCC电感器件的功率需求也越来越大，因此对该器件的耐电流能力提出了更高的技术要求，以满足小尺寸大功率的要求。特别是在现代电路系统中，越来越多的电子设备如电感器、转换器、磁珠、变压器等需要工作在直流偏置条件下，这些器件的直流偏置叠加特性对电路系统的效率有非常大的影响。同时在一些特殊的实际电路应用中，直流叠加特性会对器件的电磁性能产生很大的负面影响，因此对叠层片式电感的直流偏置特性的研究也显得尤为重要。
为了研发出高性能的抗直流偏置LTCC叠层电感器件，一方面可以从器件的结构设计上着手，而另一更重要的方面则是研发出具有更好抗直流偏置特性的低温烧结铁氧体材料。目前，在LTCC叠层片式电感器件中应用的铁氧体材料基本都是采用低温烧结的NiCuZn铁氧体材料，因此，如何通过优化材料的配方、选择合适的掺杂剂、选择合适的工艺条件及方法来改进低温烧结NiCuZn铁氧体材料的磁电性能及抗直流偏置特性成为了迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以尖晶石NiCuZn铁氧体为主晶相组成的，具有良好抗直流偏置特性的低温烧结铁氧体材料及其制备方法，可实现900℃低温烧结，制备的低温烧结铁氧体材料起始磁导率μi为65～70，其H70％(当铁氧体磁芯上承载直流偏置磁场使得其增量磁导率下降到其起始磁导率的70％时所对应的偏置磁场的大小称为H70％，是工程应用上衡量铁氧体材料抗直流偏置特性的主要技术指标)可达770～850A/m，相比常规的具有同等起始磁导率的低温烧结NiCuZn铁氧体材料H70％有30％以上的提升。基于该材料研制的叠层片式电感器件不仅可承受更大的直流偏置磁场的叠加，而且也可用在更大功率的应用场合。
本发明的技术方案如下：
一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料，其特征在于，该铁氧体材料的主相为尖晶石结构，其分子结构表达式为Ni0.30-xZn0.47+xCu0.18Co0.05Fe1.95O4，其中x的取值范围为0～0.05。在上述NiCuZn铁氧体材料的基础上，同时采用Bi2O3、SnO2、SiO2和CaCO3作为掺杂剂，其中Bi2O3：0.5～1wt％，SnO2：0.8～1.2wt％，SiO2：0.1～0.2wt％，CaCO3：0.1～0.2wt％。
作为一种优选，添加的掺杂剂Bi2O3：0.5wt％，SnO2：1wt％，SiO2：0.15wt％，CaCO3：0.15wt％。
所述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料由分析纯的原料NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3按摩尔比NiO：ZnO：CuO：Co2O3:Fe2O3＝(0.30-x):(0.47+x):0.18:0.025:0.975(x＝0～0.05)的比例配制构成。
一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：以NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3为初始原料，按摩尔比NiO：ZnO：CuO：Co2O3:Fe2O3＝(0.30-x):(0.47+x):0.18:0.025:0.975(x＝0～0.05)的比例折算出NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3的质量，进行称料、混料、一次球磨后烘干；
步骤二：将步骤一所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；
步骤三：将步骤二所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后加入预烧料重量百分比0.5～1wt％Bi2O3和0.8～1.2wt％SnO2和0.1～0.2wt％SiO2和0.1～0.2wt％CaCO3四种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤四：在步骤三得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10％～15％的PVA溶液进行造粒并压制成圆环形；
步骤五：将步骤四所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温4小时，最后随炉冷却至室温得到所述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料。
作为一种优选，所述步骤三中在粗粉碎后的预烧料中加入预烧料重量百分比0.5wt％Bi2O3和1wt％SnO2和0.15wt％SiO2和0.15wt％CaCO3四种掺杂剂。
本发明首先在NiCuZn铁氧体材料的主配方设计上优化了Ni和Zn离子的比例，确保最终铁氧体材料的起始磁导率适中，且能够较好的兼顾磁导率和抗直流偏置磁场的特性。同时将主配方中Cu离子的含量优化确认为0.18，并引入0.05摩尔含量的Co离子的替代，可以确保得到的材料能够较好的兼顾低温烧结、低损耗和较高起始磁导率等特性。同时，在材料掺杂改性过程中，同时复合掺入了4种掺杂改性剂，分别发挥不同的作用：其中0.5wt％Bi2O3掺入的主要目的是促进材料的低温烧结；1wt％SnO2掺入的主要目的是抑制晶粒生长、拓展晶界宽度以及均匀化晶粒等，能够在材料起始磁导率下降不太大的前提下，很好的提高材料体系的矫顽力，通过增大退磁场的影响来提高材料的抗直流偏置特性；0.15wt％SiO2和0.15wt％CaCO3掺入的目的是能够快速的细化和均匀化晶粒，抑制掺杂剂渗入晶粒内部，同时显著提升材料体系的电阻率，降低材料体系的磁损耗。通过以上材料配方的优化设计并结合4种掺杂改性剂的组合添加效果，可以使最终获得的铁氧体材料体系不仅能实现900℃的低温烧结，而且具有较高的起始磁导率以及很高的H70％值，非常适合于抗偏置和大功率叠层片式电感器、变压器的研发和生产。
本发明提供的抗直流偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的主要优点在于：
1、本发明提供的抗直流偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料，其起始磁导率μi在65～70之间；且抗直流偏置磁场H70％可高达770～850A/m，其H70％比常规同等起始磁导率的低温烧结NiCuZn铁氧体材料提高了30％以上，很好地兼顾了高起始磁导率和抗直流偏置磁场的综合要求，可广泛应用于研发生产抗大直流偏置磁场或大功率的叠层片式电感器、变压器，有效提升单位磁芯材料可承载的功率，有利于进一步提升LTCC电感器件或模块的封装密度。
2、本发明提供的抗直流偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料具有较低的磁损耗，在900℃低温烧结时在1～10MHz频率范围其品质因数均超过120。
3、本发明提供的抗直流偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的生产原料便宜，工艺简单，操作方便且成本低。
附图说明
图1为本发明抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的制备工艺流程图。
图2为实施例得到的低温烧结NiCuZn铁氧体材料的增量磁导率随偏置磁场变化的曲线。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明做进一步的说明。
一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料，其特征在于，该铁氧体材料的主相为尖晶石结构，其分子结构表达式为Ni0.30Zn0.47Cu0.18Co0.05Fe1.95O4。在上述NiCuZn铁氧体材料的基础上，同时采用Bi2O3、SnO2、SiO2和CaCO3作为掺杂剂，其中添加Bi2O3：0.5wt％，SnO2：1wt％，SiO2：0.15wt％，CaCO3：0.15wt％。
一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：以NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3为初始原料，按摩尔比NiO：ZnO：CuO：Co2O3:Fe2O3＝0.30:0.47:0.18:0.025:0.975的比例折算出NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3的质量，进行称料、混料、一次球磨后烘干；
步骤二：将步骤一所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；
步骤三：将步骤二所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后加入预烧料重量百分比0.5wt％Bi2O3和1wt％SnO2和0.15wt％SiO2和0.15wt％CaCO3四种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤四：在步骤三得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10％的PVA溶液进行造粒，并采用液压机压制成圆环形，成型压力为10MPa，保压时间为2分钟；
步骤五：将步骤四所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温4小时，最后随炉冷却至室温即得到所述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料样品。
其中，步骤一中所述的NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3原料均为分析纯。
步骤一中所述一次球磨时，料：球：水＝1:3:1.2，球磨时间为6h，一次球磨后烘干的温度为100℃。
步骤三中所述二次球磨时，料：球：水＝1:3:1.2，球磨时间为6h，二次球磨后烘干的温度为100℃。
实施例得到的抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的性能为：起始磁导率μi约为65，H70％值约为845A/m，在1～10MHz时品质因数均超过了120，能够很好的兼顾材料高起始磁导率、高抗偏置磁场以及低损耗的特性要求。

Claims (4)

1.一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料，其特征在于，该铁氧体材料的主相为尖晶石结构，其分子结构表达式为Ni0.30-xZn0.47+xCu0.18Co0.05Fe1.95O4，其中x的取值范围为0～0.05；在上述NiCuZn铁氧体材料的基础上，同时采用Bi2O3、SnO2、SiO2和CaCO3作为掺杂剂，其中Bi2O3：0.5～1wt％，SnO2：0.8～1.2wt％，SiO2：0.1～0.2wt％，CaCO3：0.1～0.2wt％；
上述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料采用以下步骤制备得到：
步骤一：以NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3为初始原料，按摩尔比NiO：ZnO：CuO：Co2O3:Fe2O3＝(0.30-x):(0.47+x):0.18:0.025:0.975的比例折算出NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3的质量，其中，x的取值范围为0～0.05，进行称料、混料、一次球磨后烘干；
步骤二：将步骤一所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；
步骤三：将步骤二所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后加入预烧料重量百分比0.5～1wt％Bi2O3和0.8～1.2wt％SnO2和0.1～0.2wt％SiO2和0.1～0.2wt％CaCO3四种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤四：在步骤三得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10％～15％的PVA溶液进行造粒并压制成圆环形；
步骤五：将步骤四所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温4小时，最后随炉冷却至室温即得到所述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料。
2.根据权利要求1所述的抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料，其特征在于，所述掺杂剂Bi2O3：0.5wt％，SnO2：1wt％，SiO2：0.15wt％，CaCO3：0.15wt％。
3.一种抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤一：以NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3为初始原料，按摩尔比NiO：ZnO：CuO：Co2O3:Fe2O3＝(0.30-x):(0.47+x):0.18:0.025:0.975的比例折算出NiO、ZnO、CuO、Co2O3、Fe2O3的质量，其中，x的取值范围为0～0.05，进行称料、混料、一次球磨后烘干；
步骤二：将步骤一所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；
步骤三：将步骤二所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后加入预烧料重量百分比0.5～1wt％Bi2O3和0.8～1.2wt％SnO2和0.1～0.2wt％SiO2和0.1～0.2wt％CaCO3四种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；
步骤四：在步骤三得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10％～15％的PVA溶液进行造粒并压制成圆环形；
步骤五：将步骤四所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温4小时，最后随炉冷却至室温即得到所述抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料。
4.根据权利要求3所述的抗偏置低温烧结NiCuZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中在粗粉碎后的预烧料中加入预烧料重量百分比0.5wt％Bi2O3和1wt％SnO2和0.15wt％SiO2和0.15wt％CaCO3四种掺杂剂。
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