CN104496455A - 功率型低温烧结NiZn铁氧体材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁氧体材料领域，其公开了一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料及制备方法，由主成分和辅助成分组成，所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。本发明的有益效果是：本发明的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，适于在LTCF片式功率器件中应用，其技术指标为：磁导率≤700、功耗Pv≤300kW/m³（20℃，1MHz，30mT）、饱和磁通密度Bs>320 mT（1.2KA/m）、烧结温度900℃左右。

Description

功率型低温烧结NiZn铁氧体材料及制备方法

技术领域

本发明涉及铁氧体材料领域，特别涉及一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料及制备方法。

背景技术

低温烧结铁氧体材料的磁损耗主要由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成，磁滞损耗是磁损耗分量中的主要损耗，也是材料功耗特性改善的主要目标。

目前在片式电感领域得到工程化应用的电感型低温共烧NiZn铁氧体材料(主要为NiCuZn系)，降低磁滞损耗通常采用在配方中加入适量高 Q离子Co，利用加钴带来的叵明伐效应冻结畴壁以提高高频Q值及磁损耗突增临界场hc，并控制Fe²⁺含量来降低K₁，使K₁≈0的K₁-T曲线谷点温度与P_hv-T曲线谷点温度相对应的方法；由于受低温共烧烧成温度条件（900℃左右）的限制，为降低烧结温度，通常采用NiZn高Cu配方配合添加低熔点物Bi₂O₃的方法来达到目的。通过已有技术只能制得电感型低温共烧NiZn铁氧体材料，该类低温共烧铁氧体材料因为通常采用NiZn高Cu加Co配方配合添加低熔点物Bi₂O₃降低烧结温度的方法来达到目的，普遍存在功率损耗大（Pv>500kW/m³（20℃，1MHz，30mT）），功率承受能力低，在大电流、高压通过时损耗高，发热量大等问题，只能用于常规小型化片式电感和小功率微磁变压器，不能用于对器件发热控制较为严格的大电流电感器、功率型微磁变压器、功率电源变换器、模块电源变压器等领域，在片式功率器件中的应用受到限制，而Ferroxcube公司典型的高温烧结功率铁氧体3F4材料Pv是130kW/m3（100℃，1MHz，30mT）、≤300kW/m3（20℃，1MHz，30mT）。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料及制备方法，用以解决现有技术材料在片式功率器件中的应用受到限制的问题。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计和制造一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，由主成分和辅助成分组成，所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

作为本发明的进一步改进：所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。

本发明同时提供了一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的制备方法，包括如下步骤：干法高频振混控制主成分和辅助成分的混料时间为（30～120）分钟；湿法磨主成分和辅助成分时间为（2～7）小时；预烧结温度为（700～900）℃。

作为本发明的进一步改进：所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

作为本发明的进一步改进：所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。

本发明的有益效果是：本发明的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，适于在LTCF片式功率器件中应用，其技术指标为：磁导率≤700、功耗Pv≤300kW/m³（20℃，1MHz，30mT）、饱和磁通密度Bs>320 mT（1.2KA/m）、烧结温度900℃左右。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，由主成分和辅助成分组成，所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。

本发明同时提供了一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的制备方法，包括如下步骤：干法高频振混控制主成分和辅助成分的混料时间为（30～120）分钟；湿法磨主成分和辅助成分时间为（2～7）小时；预烧结温度为（700～900）℃。

所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。

在一实施例中，功率型低温烧结NiZn铁氧体材料分子式及金属阳离子占位如下,

（Fe_1-XMa_X ）[Mb_{1- XFe（1+X-δ）}]O₄                      （1）

式中：

Ma—占据A位的金属阳离子，如Zn离子等；

Mb—占据B位的金属阳离子, 如Ni、Cu离子等。

从主配方设计上以尖晶石结构的NiCuZn系软磁铁氧体材料为功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的配方设计基础，工艺上采用陶瓷氧化物干法和湿法并用方案；主要原材料氧化物为粉末状NiO、ZnO、CuO、Fe₂O₃，分子式（1）配方中金属阳离子含量采用摩尔数值，纳米级杂质氧化物添加量采用质量百分含量。

从NiCuZn基础配方上采用添加Co冻结畴壁，以提高高频Q值、磁损耗突增临界场hc并配合配方优化技术控制Zn、Fe含量以提高材料Bs等方法。得出高Q、高饱和磁通密度Bs、高磁导率实施例配方中应控制Co离子含量≤0.015摩尔、Zn离子含量为（0.400~0.700）摩尔、Fe离子含量≤1.930摩尔。

从纳米级杂质添加技术上采用纳米级杂质种类选择、有效比例控制及组合掺杂等方法。得出了对材料功耗特性改善有益的纳米级杂质主要为Co₂O₃、CuO、V₂O₅等，无益但对降低烧结温度有益的低熔点助熔剂Bi₂O₃应严格控制并尽量避免使用，有益但效果不明显的SiO₂等最好不使用。得出实施例中对配方进行有益杂质添加，应控制Cu离子含量为（0.160～0.220）摩尔、Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.600%。

在一实施例中中，所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成为为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.015摩尔、Zn离子含量在（0.400~0.700）摩尔、Fe离子含量≤1.930摩尔。

从工艺上采用晶粒细化的方法。通过干法高频振混工艺控制原材料氧化物混料时间为（60±20）分钟（通常混料采用湿法球磨或砂磨,球磨混料时间一般在6～12小时，砂磨混料时间一般在2～4小时）,可对初颗粒原材料氧化物达到高速破碎效果并有效提高各原材料氧化物特别是CuO元的混和均匀性，促使固相反应完全；通过湿法超精细铁氧体颗粒制备工艺适当延长磨料时间为3～6小时 (通常磨料采用湿法砂磨,砂磨磨料时间一般在2～3小时,磨后粉料粒度大、粒度分布范围宽1μm～10μm，即使延长磨料时间也会因粉料包敷、团聚现象的出现而很难将粉料粒度、粒度分布磨细至满足LTCF流延工艺要求)，以细化粉料，减小粉料粒度、粒度分布范围窄0.5μm～3μm、提高粉料活性、降低反应激活能，有效降低烧结温度;通过高温预烧低温烧结技术确定合适的预烧结温度范围以控制晶粒过分生长，烧成后具有优异显微结构（晶粒细小、均匀完整、内部气孔少而分散、整体密度高、晶粒高纯度，无另相、异相掺杂、内应力等），能提高磁损耗突增临界场hc、避免高频产生畴壁位移导致弛豫与共振损耗、提高材料承受磁场的能力，达到降低损耗，改善材料功耗特性。得出实施例中采用晶粒细化的方法，应控制干法混料时间为（60±20）分钟、湿法磨料时间为（3～6）小时、预烧结温度为（800～880）℃，可达到材料低功率损耗和烧结温度在900℃左右的要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，其特征在于：由主成分和辅助成分组成，所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

2.根据权利要求1所述的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料，其特征在于：所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。

3.一种如权利要求1或2所述的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：干法高频振混控制主成分和辅助成分的混料时间为（30～120）分钟；湿法磨主成分和辅助成分时间为（2～7）小时；预烧结温度为（700～900）℃。

4.根据权利要求3所述的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于：所述主成分由粉末状氧化物NiO、ZnO、Fe₂O₃制备，辅助成分为纳米级杂质；所述主成分添加Co冻结畴壁，主成分中的金属离子摩尔比含量Co离子含量≤0.030摩尔、Zn离子含量≤0.800摩尔、Fe离子含量≤1.950摩尔。

5.根据权利要求3所述的功率型低温烧结NiZn铁氧体材料的制备方法，其特征在于：所述纳米级杂质包括但不限于Co₂O₃、CuO、V₂O₅氧化物，纳米级杂质中质量百分比含量为Co₂O₃含量≤0.300%、V₂O₅含量≤0.700%。