CN104496445A

CN104496445A - 一种软磁磁致伸缩铁氧体材料及其制造方法

Info

Publication number: CN104496445A
Application number: CN201410522383.9A
Authority: CN
Inventors: 陈军林; 陈新彬
Original assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Current assignee: Hengdian Group DMEGC Magnetics Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-04-08

Abstract

本发明公开了一种高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs的软磁磁致伸缩铁氧体材料及其制造方法。该软磁磁致伸缩铁氧体材料由主成分和添加物组成，所述主成分及其含量为Fe₂O₃：50-58mol％，NiO：36-42mol，ZnO：0.1-4.5mol％，CuO：1-8mol％，Co₂O₃：0.2-8mol％；所述添加物为Mn₃O₄，SiO₂，Bi₂O₃，TiO₂，CaCO₃中的两种以上。本发明的有益效果是：能在40KH～43KHz的频率范围内使用，具有高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs的优点；还具有以下特点(1)变形量及产生的应力大；(2)响应速度快；(3)软磁性；(4)可在低磁场下驱动；(5)居里温度高；(6)在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感；(7)高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。

Description

一种软磁磁致伸缩铁氧体材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及磁性材料相关技术领域，尤其是指一种软磁磁致伸缩铁氧体材料及其制造方法。

背景技术

由于磁致伸缩材料的长度可随外磁场的交变反复伸长和缩短，能产生机械波，因而能够实现电能(或电磁信息)与机械能、声能(或机械位移信息、声信息)之间的转换，所以被广泛应用于功率电声换能器，电-机换能器，传感器和电子器件等。

就应用而言，目前在市场上构成竞争的是具有价格优势的压电陶瓷类设备，但与传统的压电陶瓷(PZT)的性能相比，磁致伸缩材料具有明显的优势：磁致伸缩材料可以在低压下使用，而压电陶瓷的驱动电压高达几千到几万伏高压；磁致伸缩材料能够产生5-10倍于压电陶瓷的应变；磁致伸缩材料居里温度高适用于高温环境，而压电陶瓷在工作温度以上就会极化而永久失效；磁致伸缩材料可以承受高达200MPa的压力，能适用于高压力的执行器，大功率的声学换能器，而压电陶瓷无法承受高压力。

可见磁致伸缩材料已渐渐形成了替代压电陶瓷的趋势。

发明内容

本发明主要解决一种软磁铁氧体磁棒在特定输出频率(40-43)KHz下的能量传递问题，同时解决该铁氧体磁棒的饱和磁化强度Ms和负的磁致伸缩系数λs问题，提供了一种高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs的软磁磁致伸缩铁氧体材料及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种软磁磁致伸缩铁氧体材料，其特征是，由主成分和添加物组成，所述主成分及其含量为Fe₂O₃：50-58mol％，NiO：36-42mol，ZnO：0.1-4.5mol％，CuO：1-8mol％，Co₂O₃：0.2-8mol％；所述添加物为Mn₃O₄，SiO₂，Bi₂O₃，TiO₂，CaCO₃中的两种以上。

发明人通过大量的试验研究发现，通过合理控制主成份的配比，并配以适当的添加物，同时通过NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃的一种或几种分二次添加，就可以获得一种在40KHz～43KHz频率范围内使用，具有特定的高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs的铁氧体材料。在上述主成份范围中，当Fe₂O₃含量小于50mol％，则得不到所希望的高饱和磁化强度Ms，若含量大于58mol％，则磁致伸缩系数λs过大；当NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃的含量大于设定上限时，容易出现非磁性的杂相，从而降低磁性能；而含量小于下限时，难以起到离子代换的作用。

作为优选，按主成份总重量计的添加物含量为Mn₃O₄：0.05-1.2wt％，SiO₂：0.08-4.9wt％，Bi₂O₃：0.01-0.5wt％，TiO₂：0.01-0.8wt％，CaCO₃：0.01-5.6wt％。上述添加物主要是通过固相反应与铁氧体作用改变铁氧体晶粒的生长行为来控制晶粒的大小、形状及分布，从而改善软磁铁氧体的磁性能。当它们的含量低于下限值时，起不到控制晶粒生长和致密化的作用，饱和磁化强度Ms在40KHz～43KHz频率范围内的波动比较大；当它们的含量高于上限值时，则容易引起晶粒的异常生长，使磁性能恶化，无法稳定饱和磁化强度Ms在40KHz～43KHz频率范围内的波动。

此外，本发明还提供了上述软磁磁致伸缩铁氧体材料的制造方法，具体操作步骤如下：

(1)一次球磨：将主成分各组分按配比进行混合，将所得的混合物通过湿法一次球磨，一次球磨后的颗粒料的平均粒度在0.8-1.5μm；

(2)预烧：将一次球磨后的颗粒料在空气中进行预烧，预烧温度控制在900℃-1250℃，保温0.5-4小时；

(3)二次球磨：将预烧后的颗粒料与添加物一起进行湿法二次球磨，二次球磨后的颗粒料的平均粒度在0.8-1.2μm；

(4)成型及烧结：将二次球磨后的颗粒料烘干，加入预烧料重量10-13wt％的聚乙烯醇溶液，混合均匀后造粒，压制成型，在空气中进行烧结，烧结温度控制在1100-1300℃，保温2-6小时，得到软磁磁致伸缩铁氧体材料。

作为优选，所述主成分中NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃中的一种或几种组分分两次添加，分别在步骤(1)的一次球磨工艺中和步骤(3)的二次球磨工艺中添加。NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃中的一种或几种组分分两次添加，一部分可以继续起到离子代换的作用，另一部分停留在晶界表面，构成晶界成分，起到助熔剂的作用，防止晶粒进一步长大，可以稳定饱和磁化强度Ms在特定频率范围内的波动，稳定共振频率。

作为优选，所述主成分中NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃中的一种或几种组分，第一次在步骤(1)的一次球磨工艺时添加的比例≥80％，第二次在步骤(3)的二次球磨工艺时剩余部分与添加物一起添加。

作为优选，所述聚乙烯醇溶液的浓度为10-15wt％。

本发明的有益效果是：能在40KH～43KHz的频率范围内使用，具有高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs的优点；还具有以下特点(1)变形量及产生的应力大；(2)响应速度快；(3)软磁性；(4)可在低磁场下驱动；(5)居里温度高；(6)在使用气氛中磁致伸缩特性对温度的变化不敏感；(7)高可靠性；(8)环保性优良，兼备市场竞争力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

将主成分和添加物按照表1所示以规定量配比。

制备方法为：

(1)一次球磨：将主成分各组分按配比进行混合，将所得的混合物通过湿法一次球磨，一次球磨后的颗粒料的平均粒度在0.8-1.5μm。

(2)预烧：将一次球磨后的颗粒料在空气中进行预烧，预烧温度控制在1050℃，保温4小时。

(3)二次球磨：将预烧后的颗粒料与添加物一起进行湿法二次球磨，二次球磨后的颗粒料的平均粒度在0.8-1.2μm。

(4)成型及烧结：将二次球磨后的颗粒料烘干，加入预烧料重量11wt％的浓度为12％的聚乙烯醇溶液，混合均匀后喷雾造粒，于7MPa的压力下压制成型，成型尺寸为外径25mm、内径15mm、高度为7mm的环形体。在空气中进行烧结，烧结温度控制在1250℃，保温6小时，得到环形磁芯。

其中，NiO分两次添加，第一次在一次球磨时添加，添加的比例为80％，剩余部分第二次在二次球磨时与添加物一起添加。

对环形磁芯，测量饱和磁感应强度(Bs)、磁致伸缩系数(λs)。其中：饱和磁感应强度(Bs)、磁致伸缩系数(λs)的测量按照以下要领进行：

饱和磁感应强度(Bs)是在环形磁芯上内、外两层各缠绕55圈和10圈；

磁致伸缩系数(λs)是表示磁致伸缩的长度改变，而且改变的数值随磁场的增加而增加，最后达到饱和。用迈克耳孙干涉仪测量磁致伸缩。棒形的样品置于磁化线圈内，样品两端通过黄铜做的伸长件夹紧，迈克耳孙干涉仪的反射镜装在末端。当磁棒被磁化或缩短时，干涉条纹便在视场中移动，从移动通过去的条纹数目便可以计算出磁致伸缩。磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数λs(或应变)来描述，

λs＝(L_H-L_o)/L_o

L_o为原来的长度，L_H为物质在外磁场作用下伸长(或缩短)后的长度。

其结果示于下述表1。

表1

实施例2：

将主成分和添加物按照表2所示以规定量配比。

制备方法为：

(2)预烧：将一次球磨后的颗粒料在空气中进行预烧，预烧温度控制在1050℃，保温0.5小时。

(4)成型及烧结：将二次球磨后的颗粒料烘干，加入预烧料重量13wt％的浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液，混合均匀后喷雾造粒，于7MPa的压力下压制成型，成型尺寸为外径25mm、内径15mm、高度为7mm的环形体。在空气中进行烧结，烧结温度控制在1300℃，保温2小时，得到环形磁芯。

其中，NiO、ZnO分两次添加，第一次在一次球磨时添加，添加的比例为90％，剩余部分第二次在二次球磨时与添加物一起添加。

对环形磁芯，测定饱和磁感应强度(Bs)、磁致伸缩系数(λs)。其中：饱和磁感应强度(Bs)、磁致伸缩系数(λs)的测定按照以下要领进行：

λs＝(L_H-L_o)/L_o

其结果示于表2。

表2

实施例3：

将主成分和添加物按照表3所示以规定量配合。

制备方法为：

(2)预烧：将一次球磨后的颗粒料在空气中进行预烧，预烧温度控制在1110℃，保温2.5小时。

(3)二次球磨：将预烧后的颗粒料与副成份一起进行湿法二次球磨，二次球磨后的颗粒料的平均粒度在0.8-1.2μm。

(4)成型及烧结：将二次球磨后的颗粒料烘干，加入预烧料重量12wt％的浓度为12wt％的聚乙烯醇溶液，混合均匀后喷雾造粒，于7MPa的压力下压制成型，成型尺寸为外径25mm、内径15mm、高度为7mm的环形体。在空气中进行烧结，烧结温度控制在1250℃，保温3小时，得到环形磁芯。

其中，NiO、ZnO、CuO分两次添加，第一次在一次球磨时添加，添加的比例为95％，剩余部分第二次在二次球磨时与添加物一起添加。

λs＝(L_H-L_o)/L_o

其结果示于下述表3。

表3

由表1、表2、表3可知，本发明通过合理的控制主成份的配比，并配以适当的添加物，同时NiO、ZnO、CuO的一种或几种分二次添加，能在40KH～43KHz的频率范围内使用，具有高饱和磁化强度Ms、负磁致伸缩系数λs特点的软磁磁致伸缩铁氧体材料。

Claims

1.一种软磁磁致伸缩铁氧体材料，其特征是，由主成分和添加物组成，所述主成分及其含量为Fe₂O₃：50-58mol％，NiO：36-42mol，ZnO：0.1-4.5mol％，CuO：1-8mol％，Co₂O₃：0.2-8mol％；所述添加物为Mn₃O₄，SiO₂，Bi₂O₃，TiO₂，CaCO₃中的两种以上。

2.根据权利要求1所述的一种软磁磁致伸缩铁氧体材料，其特征是，按主成份总重量计的添加物含量为Mn₃O₄：0.05-1.2wt％，SiO₂：0.08-4.9wt％，Bi₂O₃：0.01-0.5wt％，TiO₂：0.01-0.8wt％，CaCO₃：0.01-5.6wt％。

3.一种如权利要求1或2所述软磁磁致伸缩铁氧体材料的制造方法，其特征是，具体操作步骤如下：

4.根据权利要求3所述的软磁磁致伸缩铁氧体材料的制造方法，其特征是，所述主成分中NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃中的一种或几种组分分两次添加，分别在步骤(1)的一次球磨工艺中和步骤(3)的二次球磨工艺中添加。

5.根据权利要求4所述的软磁磁致伸缩铁氧体材料的制造方法，其特征是，所述主成分中NiO、ZnO、CuO、Co₂O₃中的一种或几种组分，第一次在步骤(1)的一次球磨工艺时添加的比例≥80％，第二次在步骤(3)的二次球磨工艺时剩余部分与添加物一起添加。

6.根据权利要求3所述的软磁磁致伸缩铁氧体材料的制造方法，其特征是，在步骤(4)的成型及烧结工艺中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为10-15wt％。