JP2021011421A - 低損失ガーネットフェライト材料の調製方法 - Google Patents

低損失ガーネットフェライト材料の調製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】合理的な配合材料及びプロセスの改善により材料中の多空隙粗粒の構造の形成を効果的に抑制し、材料の磁気損失を減らすことができる低損失ガーネットフェライト材料の調製方法を提供する。【解決手段】配合のステップ(1)と、1次ボールミリングのステップ(2)と、予備焼結のステップ(3)と、2次ボールミリングのステップ(4)と、造粒のステップ(5)と、プレス成形のステップ(6)と、焼結のステップ(7)とを含む。造粒には、ナノTiO2、ナノSiO2及びポリビニルアルコールを用いて調製したナノ変性接着剤が使用され、造粒前に、真空加圧条件で2次ボールミリングした材料をナノ変性接着剤と均一に混合する。【選択図】なし

Description

本発明は、フェライト材料の技術分野に関し、特に低損失ガーネットフェライト材料の調製方法に関する。
マイクロ波フェライトは、電子情報産業において重要な材料であり、レーダー、通信システム、及び民生用電子システムなどの分野においてマイクロ波デバイスの基材として広く使用されている。近年、技術の進歩に伴い、マイクロ波デバイスは、その特性により高い要件が求められ、主に高出力化、低損失化、小型化、及び高安定化などへ発展している。その中でも、低損失フェライト材料は、マイクロ波デバイスの動作中の損失を減らすのに有利であり、ますます多くの研究者の注目を集めている。
イットリウム鉄ガーネットフェライトは、代表的なガーネットフェライト材料であり、その優れた特性のために広く使用及び研究されており、低誘電損失、低磁気損失の特徴を有し、低損失マイクロ波デバイスの製造において開発することが期待できる。しかしながら、純粋なイットリウム鉄ガーネットフェライトのすべての特性は、マイクロ波デバイスへの性能の要件を満たすには不十分である。低損失でマイクロ波デバイスの動作要件を満たすフェライト材料を開発するために、イットリウム鉄ガーネットフェライトの配合材料及び調製プロセスを改善する必要がある。
本発明の目的は、従来技術の欠陥を解決して、合理的な配合材料及びプロセスの改善により材料中の多空隙粗粒の構造の形成を効果的に抑制し、材料の磁気損失を減らすことができる低損失ガーネットフェライト材料の調製方法を提供することである。
本発明は、以下の技術案によって実現される。
低損失ガーネットフェライト材料の調製方法であって、
原料として、Y 44〜46重量部、Fe 50〜52重量部、CaCO 2〜3重量部、ZrO 1〜1.2重量部、ZnO 0.4〜0.5重量部、SnO 0.1〜0.2重量部、In 0.1〜0.2重量部を秤量する、配合のステップ(1)と、
ステップ(1)で秤量した原料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を(1〜1.5):(3〜4):1として湿式ボールミリングし、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける、1次ボールミリングのステップ(2)と、
1次ボールミリングした材料を、1150〜1250℃で3〜4h予備焼結し、次に、常温に冷却させる、予備焼結のステップ(3)と、
予備焼結した材料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を(0.5〜0.8):(3〜4):1として湿式ボールミリングし、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける、2次ボールミリングのステップ(4)と、
ナノTiO 0.5〜1重量部、ナノSiO 0.3〜0.5重量部及びポリビニルアルコール0.5〜1重量部を水10〜15重量部に加えてナノ変性接着剤を調製し、次に、真空加圧条件で2次ボールミリングした材料と均一に混合した後、造粒して30〜40メッシュのペレットを形成する、造粒のステップ(5)と、
ペレットを成形型に投入して、プレスしてブランクを得る、プレス成形の(6)と、
ブランクを炉に入れて焼結し、冷却させると、低損失ガーネットフェライト材料を得る、焼結のステップ(7)とを含む。
好ましくは、前記ステップ(2)では、1次ボールミリングにおいて、回転数は、250〜350r/minであり、時間は、6〜8hである。
好ましくは、前記ステップ(3)では、冷却のステップは、具体的には、まず、3〜5℃/minの降温速度で温度を900〜950℃に下げて0.5〜1h保温し、次に20〜30℃/minの降温速度で常温まで冷却させる。
好ましくは、前記ステップ(4)では、2次ボールミリングにおいて、回転数は、400〜450r/minであり、時間は、3〜4hである。
好ましくは、前記ステップ(5)では、ナノTiOの平均粒子径は、50−60nmであり、ナノSiOの平均粒子径は、20−30nmである。
好ましくは、前記ステップ(5)では、ナノ変性接着剤の製造方法は、具体的には、まず、ポリビニルアルコール0.05〜0.1重量部を秤量して水に加え、80〜90℃で完全に溶解させ、次に、ナノTiO、ナノSiOを加えて均一に超音波分散させ、最後に、残りのポリビニルアルコールを加えて、90〜95℃でさらに完全に溶解させると、完成する。
好ましくは、前記ステップ(5)では、真空加圧で均一に混合する処理のステップは、具体的には、まず、2次ボールミリングした材料を真空加圧タンクに投入して、−0.095〜−0.085MPaとなるまで真空吸引して1−2h保持し、次に、ナノ変性接着剤をタンクに注入して、1−1.5MPaまで加圧して2−4h保圧し、取り出した後、200−300r/minで1−2h撹拌する。
好ましくは、前記ステップ(6)では、プレス成形圧力は、60〜80MPaである。
好ましくは、前記ステップ(7)では、焼結のステップは、具体的には、まず、10〜15℃/minの昇温速度で700〜800℃まで加熱し、20〜30min保温した後、30〜40℃/minの昇温速度で1300〜1450℃まで加熱し、2〜3h保温して焼結し、次に、40〜50℃の降温速度で400〜500℃に冷却させて、1〜1.5h保温し、次に常温まで炉冷する。
本発明の利点は、以下のとおりである。
(1)本発明の配合材料のうち、ZrOは、材料の磁気結晶異方性を低下させて、さらに磁気損失を低下させ、Inは、結晶化を促進し、SnOは、焼結過程で液相焼結を発生させ、結晶粒の増大を促進することができ、両方の共同作用により材料の緻密性を向上させ、ZnOは、Y及びFeと反応して別の相を生成して、材料の緻密性を向上させ、SiO、TiOは、結晶粒の異常成長を抑制する役割を果たし、材料をより均一で緻密にし、これら原料を配合することによって、緻密度を向上させることで磁気損失を低下させ、さらに、SiOは、CaCOとCaSiOを形成し、TiOは、CaCOとCaTiOを形成することができ、この両方は、共同で粒界において高抵抗層を形成し、これは、材料の抵抗率向上、渦電流損失の低下に有利である。
(2)本発明では、造粒前に、真空加圧条件で2次ボールミリングした材料をナノ変性接着剤と均一に混合することによって、真空加圧によってポリビニルアルコールの材料との浸透性を向上させて、ポリビニルアルコールを材料と均一で強固に結合することで、焼結するときにポリビニルアルコールの分解、排出速度を制限して、接着剤の過大な排出速度を回避し、それにより空隙の形成を減少させて、材料をより緻密にする一方、ナノTiO、ナノSiOを緊密で均一に材料の表面に分布させ、それにより焼結するときにより均一な絶縁層を形成し、材料の抵抗率向上、渦電流損失の低下により有利となる。
前記のとおり、本発明では、配合材料及びプロセスを改良することにより、調製したガーネットフェライト材料の抵抗率を増大して、格子欠陥を減少させ、空隙率を低下させ、微細構造を規則的で均一且つ緻密にして、材料の損失を効果的に減少させることができる。
実施例1
低損失ガーネットフェライト材料の調製方法は、下記ステップを含む。
(1)配合:原料として、Y 44重量部、Fe 50重量部、CaCO 2重量部、ZrO 1重量部、ZnO 0.4重量部、SnO 0.1重量部、In 0.1重量部を秤量する。
(2)1次ボールミリング:ステップ(1)で秤量した原料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を1:3:1として回転数250r/minで湿式ボールミリングを6h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(3)予備焼結:1次ボールミリングした材料を1150℃で3h予備焼結し、次に、まず3℃/minの降温速度で温度を900℃に下げて0.5h保温し、次に20℃/minの降温速度で常温に冷却させる。
(4)2次ボールミリング:予備焼結した材料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を0.5:3:1として回転数400r/minで湿式ボールミリングを3h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(5)造粒:平均粒子径50nmのナノTiO 0.5重量部、平均粒子径20nmのナノSiO 0.3重量部、及びポリビニルアルコール0.5重量部を、水10重量部に加えて、ナノ変性接着剤を製造し、まず、2次ボールミリングした材料を真空加圧タンクに加えて−0.095MPaとなるまで真空吸引して1h保持し、次に、ナノ変性接着剤をタンクに注入して、1MPaまで加圧して2h保圧し、取り出した後、200r/minで1h撹拌し、その後、造粒して30メッシュのペレットを形成し、ナノ変性接着剤の製造方法は、具体的には、まず、ポリビニルアルコール0.05重量部を秤量して水に加え、80℃で完全に溶解させ、次に、ナノTiO、ナノSiOを加えて均一に超音波分散させ、最後に、残りのポリビニルアルコールを加えて、90℃でさらに完全に溶解させる。
(6)プレス成形:ペレットを成形型に投入して、60MPaの圧力でプレスし、ブランクを得る。
(7)焼結:ブランクを炉に入れて、まず、10℃/minの昇温速度で700℃まで加熱して20min保温し、次に、30℃/minの昇温速度で1300℃まで加熱し、2h保温して焼結した後、40℃の降温速度で400℃に冷却させて1h保温し、次に、常温まで炉冷すると、低損失ガーネットフェライト材料を得る。
実施例2
低損失ガーネットフェライト材料の調製方法は、下記ステップを含む。
(1)配合:原料として、Y 45重量部、Fe 51重量部、CaCO 2.5重量部、ZrO 1.15重量部、ZnO 0.44重量部、SnO 0.12重量部、In 0.15重量部を秤量する。
(2)1次ボールミリング:ステップ(1)で秤量した原料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を1.2:3.5:1として回転数300r/minで湿式ボールミリングを7h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(3)予備焼結:1次ボールミリングした材料を1200℃で3.5h予備焼結し、次に、まず4℃/minの降温速度で温度を920℃に下げて0.6h保温し、次に25℃/minの降温速度で常温に冷却させる。
(4)2次ボールミリング:予備焼結した材料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を0.6:3.6:1として回転数440r/minで湿式ボールミリングを3.5h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(5)造粒:平均粒子径55nmのナノTiO 0.8重量部、平均粒子径25nmのナノSiO 0.4重量部、及びポリビニルアルコール0.8重量部を、水12重量部に加えて、ナノ変性接着剤を製造し、まず、2次ボールミリングした材料を真空加圧タンクに加えて−0.09MPaとなるまで真空吸引して1.5h保持し、次に、ナノ変性接着剤をタンクに注入して、1.2MPaまで加圧して3h保圧し、取り出した後、250r/minで1.5h撹拌し、その後、造粒して35メッシュのペレットを形成し、ナノ変性接着剤の製造方法は、具体的には、まず、ポリビニルアルコール0.08重量部を秤量して水に加え、85℃で完全に溶解させ、次に、ナノTiO、ナノSiOを加えて均一に超音波分散させ、最後に、残りのポリビニルアルコールを加えて、92℃でさらに完全に溶解させる。
(6)プレス成形:ペレットを成形型に投入して、70MPaの圧力でプレスし、ブランクを得る。
(7)焼結:ブランクを炉に入れて、まず、14℃/minの昇温速度で750℃まで加熱して25min保温し、次に、35℃/minの昇温速度で1400℃まで加熱し、2.5h保温して焼結した後、45℃の降温速度で450℃に冷却させて1.2h保温し、次に、常温まで炉冷すると、低損失ガーネットフェライト材料を得る。
実施例3
低損失ガーネットフェライト材料の調製方法は、下記ステップを含む。
(1)配合:原料として、Y 46重量部、Fe 52重量部、CaCO 3重量部、ZrO 1.2重量部、ZnO 0.5重量部、SnO 0.2重量部、In 0.2重量部を秤量する。
(2)1次ボールミリング:ステップ(1)で秤量した原料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を1.5:4:1として回転数350r/minで湿式ボールミリングを8h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(3)予備焼結:1次ボールミリングした材料を1250℃で4h予備焼結し、次に、まず5℃/minの降温速度で温度を950℃に下げて1h保温し、次に30℃/minの降温速度で常温に冷却させる。
(4)2次ボールミリング:予備焼結した材料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を0.8:4:1として回転数450r/minで湿式ボールミリングを4h行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける。
(5)造粒:平均粒子径60nmのナノTiO 1重量部、平均粒子径30nmのナノSiO 0.5重量部、及びポリビニルアルコール1重量部を、水15重量部に加えて、ナノ変性接着剤を製造し、まず、2次ボールミリングした材料を真空加圧タンクに加えて−0.085MPaとなるまで真空吸引して2h保持し、次に、ナノ変性接着剤をタンクに注入して、1.5MPaまで加圧して4h保圧し、取り出した後、300r/minで2h撹拌し、その後、造粒して40メッシュのペレットを形成し、ナノ変性接着剤の製造方法は、具体的には、まず、ポリビニルアルコール0.1重量部を秤量して水に加え、90℃で完全に溶解させ、次に、ナノTiO、ナノSiOを加えて均一に超音波分散させ、最後に、残りのポリビニルアルコールを加えて、95℃でさらに完全に溶解させる。
(6)プレス成形:ペレットを成形型に投入して、80MPaの圧力でプレスし、ブランクを得る。
(7)焼結:ブランクを炉に入れて、まず、15℃/minの昇温速度で800℃まで加熱して30min保温し、次に、40℃/minの昇温速度で1450℃まで加熱し、3h保温して焼結した後、50℃の降温速度で500℃に冷却させて1.5h保温し、次に、常温まで炉冷すると、低損失ガーネットフェライト材料を得る。
比較例1
化学式YFe12に従って、常法によりフェライト材料を調製した。調製方法は、具体的には、以下のとおりである。
化学式に従ってYとFe原料を秤量し、遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を1:3:1として湿式ボールミリングを行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛けて、1150℃で3h予備焼結し、常温に冷却させた後、遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を0.5:3:1として湿式ボールミリングを行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛けて、粉末材料を得て、さらに、粉末材料の重量の10%に相当する5質量%のポリビニルアルコール接着剤を加えて均一に混合した後、造粒して30メッシュのペレットを形成し、60MPaでプレスし、ブランクを得て、炉に入れて、焼結温度1300℃の条件で5h焼結し、冷却させて、フェライト材料を得た。
比較例2
原料として、Y 44重量部、Fe 50重量部、CaCO 2重量部、ZrO 1重量部、ZnO 0.4重量部、SnO 0.1重量部、In 0.1重量部、平均粒子径50nmのナノTiO 0.5重量部、平均粒子径20nmのナノSiO 0.3重量部を秤量して、常法によりフェライト材料を調製した。調製方法は、具体的には、以下のとおりである。
原料を秤量して遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を1:3:1として湿式ボールミリングを行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛けて、1150℃で3h予備焼結し、常温に冷却させた後、遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を0.5:3:1として湿式ボールミリングを行い、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛けて、粉末材料を得て、さらに、5質量%のポリビニルアルコール水溶液の接着剤10重量部を加えて均一に混合した後、造粒して30メッシュのペレットを形成し、60MPaでプレスして、ブランクを得て、炉に入れて、焼結温度1300℃の条件で5h焼結し、冷却させて、フェライト材料を得た。
実施例1−3及び比較例1−2で製造されたフェライト材料について、誘電損失(tanδε)及び強磁性共鳴線幅(ΔH)のテストを行い、そのうち、誘電損失のテストは、IEC60556の基準に準じ、テストの周波数は、10.7GHzであり、強磁性共鳴線幅のテストは、IEC60556の基準に準じ、テストの周波数は、9.3GHzである。テストの結果は、下記表に示される。
以上から明らかなように、本発明で調製されたフェライトは、低い磁気損失及び誘電損失を有し、このことから、本発明の調製方法は、ガーネットフェライト材料の損失を効果的に低下できることが示されている。

Claims (9)

  1. 低損失ガーネットフェライト材料の調製方法であって、
    原料として、Y 44〜46重量部、Fe 50〜52重量部、CaCO 2〜3重量部、ZrO 1〜1.2重量部、ZnO 0.4〜0.5重量部、SnO 0.1〜0.2重量部、In 0.1〜0.2重量部を秤量する、配合のステップ(1)と、
    ステップ(1)で秤量した原料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を(1〜1.5):(3〜4):1として湿式ボールミリングし、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける、1次ボールミリングのステップ(2)と、
    1次ボールミリングした材料を、1150〜1250℃で3〜4h予備焼結し、次に、常温に冷却させる、予備焼結のステップ(3)と、
    予備焼結した材料を遊星ボールミルに加えて、原料、ボール及び水の質量比を(0.5〜0.8):(3〜4):1として湿式ボールミリングし、ボールミリングが終了した後、乾燥させてふるいに掛ける、2次ボールミリングのステップ(4)と、
    ナノTiO 0.5〜1重量部、ナノSiO 0.3〜0.5重量部及びポリビニルアルコール0.5〜1重量部を水10〜15重量部に加えてナノ変性接着剤を調製し、次に、真空加圧条件で2次ボールミリングした材料と均一に混合した後、造粒して30〜40メッシュのペレットを形成する、造粒のステップ(5)と、
    ペレットを成形型に投入して、プレスして、ブランクを得る、プレス成形のステップ(6)と、
    ブランクを炉に入れて焼結し、冷却させると、低損失ガーネットフェライト材料を得る、焼結のステップ(7)とを含むことを特徴とする調製方法。
  2. 前記ステップ(2)では、1次ボールミリングにおいて、回転数は、250〜350r/minであり、時間は、6〜8hであることを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  3. 前記ステップ(3)では、冷却のステップは、具体的には、まず、3〜5℃/minの降温速度で温度を900〜950℃に下げて0.5〜1h保温し、次に20〜30℃/minの降温速度で常温まで冷却させることを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  4. 前記ステップ(4)では、2次ボールミリングにおいて、回転数は、400〜450r/minであり、時間は、3〜4hであることを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  5. 前記ステップ(5)では、ナノTiOの平均粒子径は、50−60nmであり、ナノSiOの平均粒子径は、20−30nmであることを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  6. 前記ステップ(5)では、ナノ変性接着剤の製造方法は、具体的には、まず、ポリビニルアルコール0.05〜0.1重量部を秤量して水に加え、80〜90℃で完全に溶解させ、次に、ナノTiO、ナノSiOを加えて均一に超音波分散させ、最後に、残りのポリビニルアルコールを加えて、90〜95℃でさらに完全に溶解させると、完成することを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  7. 前記ステップ(5)では、真空加圧で均一に混合する処理のステップは、具体的には、まず、2次ボールミリングした材料を真空加圧タンクに投入して、−0.095〜−0.085MPaとなるまで真空吸引して1−2h保持し、次に、ナノ変性接着剤をタンクに注入して、1−1.5MPaまで加圧して2−4h保圧し、取り出した後、200−300r/minで1−2h撹拌することを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  8. 前記ステップ(6)では、プレス成形圧力は、60〜80MPaであることを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
  9. 前記ステップ(7)では、焼結のステップは、具体的には、まず、10〜15℃/minの昇温速度で700〜800℃まで加熱し、20〜30min保温した後、30〜40℃/minの昇温速度で1300〜1450℃まで加熱し、2〜3h保温して焼結し、次に、40〜50℃の降温速度で400〜500℃に冷却させて、1〜1.5h保温し、次に常温まで炉冷することを特徴とする請求項1に記載の低損失ガーネットフェライト材料の調製方法。
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