CN101857427B - 一种高频低损耗MnZn铁氧体材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高频低损耗MnZn铁氧体材料，该MnZn铁氧体材料包括主成分和辅助成分，其中所述主成分是53mol％-56mol％的氧化铁、34mol％-41mol％的氧化锰和6mol％-10mol％的氧化锌，其中氧化锰的含量以Mn计；所述辅助成分选自CaCO₃、SiO₂、Nb₂O₅、CoO、V₂O₅、SnO₂、TiO₂中的至少三种，基于所述主成分的总重量，CaCO₃是0.02wt％-0.08wt％、SiO₂是0.002wt％-0.01wt％、Nb₂O₅是0.02wt％-0.06wt％、CoO是0.03wt％-0.20wt％、V₂O₅是0.01wt％-0.05wt％、SnO₂是0wt％-0.20wt％、TiO₂是0wt％-0.10wt％。本发明还提供了一种高频低损耗MnZn铁氧体材料的制造方法。

Description

一种高频低损耗MnZn铁氧体材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种MnZn铁氧体材料及其制造方法，并且尤其涉及一种高频低损耗MnZn铁氧体材料及其制造方法。

背景技术

随着电视、计算机及各类通信行业的高速发展，对各种电感器、滤波器、变压器磁芯材料的要求趋向于高频化、低损耗化，因此世界各大公司竞相进行研究，近20年间已将功率类材料从PC30、PC40提高到更低功耗的PC44和更高频的PC50。这类高性能产品广泛地应用于高清晰度数字电视、高分辨率计算机显示器、脉冲编码调制数字通信(PCM)和WDM及DWDM光纤通信设备。

MnZn功率铁氧体主要用作变压器磁芯，进行能量的传输和转换。一副磁芯传输的功率大小可以表示为： $P=f\·\mathrm{Ve}{\∫}_{\mathrm{Br}}^{\mathrm{Bw}}H\·\mathrm{dB},$ 可见，工作频率f越高、磁芯的有效体积Ve越大，则传输的功率就越大。换言之，传输额定的功率，若工作频率越高，磁芯的有效体积就可以越小。考虑铜损、波形等因素，一个变压器传输的功率大小为： $P=f\·C\·\frac{\mathrm{PF}}{\sqrt{\mathrm{Pv}}}\·\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{Rth}}\·\sqrt{\frac{\mathrm{fcu}}{\mathrm{\ρcu}}}\·\sqrt{\frac{\mathrm{An}\·\mathrm{Ae}}{\mathrm{\λn}\·\mathrm{\λe}}},$ 可见，工作频率f越高，磁芯的损耗P_v越低，则变压器传输的功率就越大。综合考虑，传输额定的功率，若工作频率越高，磁芯的损耗越低，则所需磁芯的体积就越小，这样变压器就可以做得更小。MnZn铁氧体材料的高频低损耗，正是器件小型化、轻量化的基础。

铁氧体的损耗主要包括磁滞损耗，涡流损耗和剩余损耗三部分，当应用频率由中低频率(100kHz)提高到高频(500kHz)时，损耗特性发生了显著的变化：涡流损耗超过磁滞损耗占总损耗的一半以上，在总损耗中占主导地位，成为高频损耗的最主要部分。目前国内外的研究表明降低高频损耗主要采用的方法是向主配方中添加CaCO₃，SiO₂等高阻抗添加剂作为辅助成分，因其富集于晶界，能够形成高电阻晶界层，可达到降低高频损耗的目的，其烧结温度在1300℃到1450℃或略低于1450℃。但另一方面，由于SiO₂和主成分中的Fe₂O₃可以反应生成Fe₂(SiO₃)₃，而其熔点为1150℃，比铁氧体的烧结温度低，因此容易在烧结时出现晶粒异常长大现象，致使铁氧体性能恶化。

已经有很多人在研究高频低损耗MnZn铁氧体材料，但这些现有的MnZn铁氧体材料分别在60℃，100℃，120℃，500kHz，50mT条件下的损耗大都在100kW/m³以上，并且制造这些材料时所需的烧结温度设置在1300℃以上，烧结最高温度较高，不利于节省电能，降低生产成本。

因此，需要提供一种在高频表现出低损耗特性的MnZn铁氧体材料，以及需要一种制造其的改进方法，该方法使得烧结的最高保温温度设置大幅度降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种高频低损耗MnZn铁氧体材料。

本发明的MnZn铁氧体材料包括主成分和辅助成分，其中所述主成分是53mol％-56mol％的氧化铁、34mol％-41mol％的氧化锰和6mol％-10mol％的氧化锌，其中氧化锰的含量以Mn计；以及所述辅助成分选自CaCO₃、SiO₂、Nb₂O₅、CoO、V₂O₅、SnO₂、TiO₂中的至少三种，基于所述主成分的总重量，CaCO₃是0.02wt％-0.08wt％、SiO₂是0.002wt％-0.01wt％、Nb₂O₅是0.02wt％-0.06wt％、CoO是0.03wt％-0.20wt％、V₂O₅是0.01wt％-0.05wt％、SnO₂是0wt％-0.20wt％、TiO₂是0wt％-0.10wt％。

本发明还提供了一种MnZn铁氧体材料的制造方法，该方法包括步骤：

1)将Fe₂O₃、Mn₃O₄和ZnO按所述比例湿磨混合均匀并烘干；

2)将步骤1)所得粉料在800℃-920℃下预烧1-3小时；

3)向步骤2)所得的粉料中按所述比例添加至少三种所述辅助成分，再加入以占所述主成分总重量计的60wt％-120wt％的去离子水、0.5wt％-3wt％的分散剂、0.5wt％-3wt％的消泡剂一起进行球磨，使球磨后的粉料粒径达到1.0±0.2μm；

4)基于所述步骤3)所得的粉料的总重量，向所述步骤3)所得的粉料中添加7wt％-12wt％的有机粘合剂，混合均匀造粒得颗粒料；

5)采用50MPa-200MPa的压力，将颗粒料压制成生坯样品；

6)将步骤5)所得的生坯样品在1080℃-1260℃的烧结温度下烧结，并在所述烧结温度下保温3-5小时，然后冷却至180℃出炉，其中保温段氧分压为1％-15％，降温过程采用平衡氧分压。

所述有机粘合剂为聚乙烯醇。

本发明中使用的分散剂和消泡剂可以是本领域中常用的分散剂和消泡剂，如消泡剂可以选用正辛酸、硬脂酸等，分散剂可以选用聚丙酸、葡糖酸、柠檬酸等。

本发明方法中的平衡氧分压根据公式lg(P(O₂))＝a-b/T计算，其中a取值5-10，b取值10000～15000，T为绝对温度。

本发明的高频低损耗MnZn铁氧体，晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约5μm-12μm，经测试其磁性能，其磁性能指标如下：

1.本发明的高频低损耗MnZn铁氧体具有高于1500的起始磁导率。

2.本发明的高频低损耗MnZn铁氧体制成OR25×8-15mm标准样环，在5Ts，50mT，500kHz条件下测试损耗特性，在25℃，60℃，100℃，120℃损耗分别低于120kW/m³、70kW/m³、70kW/m³、90kW/m³。

本发明通过添加三种或三种以上的辅助成分CaCO₃、SiO₂、CoO、Nb₂O₅、V₂O₅、SnO₂、TiO₂，并对添加量进行优化组合，从而有效地解决了高频时的损耗问题。

本发明对具有助熔剂作用的添加剂及其添加量进行优化组合，有效地降低了烧结温度，使烧结的最高保温温度降低至1080℃-1260℃。在相对低的烧结温度下，晶粒生长均匀、致密，平均晶粒尺寸约5μm-12μm，大小合适，避免了晶粒的异常长大，从而制造出一种高频的MnZn铁氧体，尤其在高频表现出低损耗特性的MnZn铁氧体。

另外，本发明的烧结温度比现有技术中的低，从而节约能耗，降低了生产成本。

在下面的附图和描述中提出了本发明的一个或多个实施方案的细节。从说明书、附图以及从权利要求来看，本发明的其他特征、目的和优势将是明显的。

附图说明

图1为制成OR 25×8-15mm标准样环形式的根据本发明的高频低损耗MnZn铁氧体材料在不同烧结温度下的P_L/f～f曲线。

图2为根据本发明一个实施方案制造的高频低损耗MnZn铁氧体材料的SEM照片。

图3为在1280℃下烧结的比较样品的SEM照片。

具体实施方式

以下各实施例中的各物质均可从市场上购得。

实施例1：

用砂磨机将主成分为54.6mol％的Fe₂O₃、以Mn计37.9mol％的Mn₃O₄和7.5mol％的ZnO湿磨混合均匀置于干燥箱中烘干。用箱式电阻炉，将所得粉料在820℃下预烧2小时。然后将预烧后的粉料放入球磨机中，基于所述主成分的总重量，向所得粉料中添加辅助成分：0.04wt％的CaCO₃、0.006wt％的SiO₂、0.035wt％的Nb₂O₅、0.10wt％的CoO、0.04wt％的V₂O₅、0.06wt％的SnO₂和0.03wt％的TiO₂；再加入以占所述主成分总重量计的66wt％的去离子水、1wt％的分散剂、1wt％的消泡剂一起进行球磨。将此粉料球磨至平均粒度为1.0±0.2μm左右；基于球磨后的粉料的总重量，向该粉料中添加8wt％的聚乙烯醇溶液，混合均匀造粒，采用50-200MPa的压力将颗粒料压制成生坯样品；最后在用计算机程序控制的钟罩炉内，在1180℃的温度下烧结，并在烧结温度下保温4.5小时，在平衡气氛下冷却至180℃出炉，保温氧分压1.8％，降温过程采用平衡氧分压。

将前述制造的材料制成OR 25×8-15mm的标准样环，在5Ts，50mT，500kHz的条件下检测其磁性能。检测结果列在下面的表2中，即：起始磁导率：1573；在25℃，60℃，100℃，120℃损耗分别为107.4kW/m³、53.9kW/m³、58.0kW/m³、78.2kW/m³。

实施例2-8：

实施例2-8的各组分及烧结温度参见下面的表1，实施步骤同上述实施例1。将实施例2-8所制备的材料的磁性能检测结果列在下面的表2中。

比较实施例1：

比较实施例1的各组分及烧结温度参见下面的表1，实施步骤同上述实施例1。将比较实施例1所制备的材料的磁性能检测结果列在下面的表2中。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7	实施例8	比较实施例1*
										Fe2O3mol％	54.6	54.6	53.2	53.2	54.0	54.0	54.6	54.6	54.6
Mn3O4mol％(以Mn计)	37.9	37.2	37.3	37.3	39.5	36.5	36.9	36.9	36.9
										ZnOmol％	7.5	8.2	9.5	9.5	6.5	9.5	8.5	8.5	8.5
CaCO3wt％	0.04	0.03	0.05	0.05	0.05	0.04	0.04	0.04	0.04
										SiO2wt％	0.006	0.002	0.008	0.008	0.006	0.006	0.006	0.006	0.006
Nb2O5wt％	0.035	0.05	0.02			0.035	0.035	0.035	0.035
										CoOwt％	0.10	0.15	0.10		0.15	0.10	0.10	0.10	0.10
V2O5wt％	0.04	0.06	0.06			0.04	0.04	0.04	0.04
										SnO2wt％	0.06	0.06				0.08	0.06	0.06	0.06
TiO2wt％	0.03		0.06	0.010		0.03	0.03	0.03	0.03

烧结温度T(℃)

1180

1140

1160

1180

1240

1100

1160

1220

1280

注：^*表示烧结温度已超出本发明的优选烧结温度1080℃-1260℃的范围。

实施例1-8及比较实施例1的磁性能检测结果数据见下表2。

表2

注：^*表示烧结温度已超出本发明的优选烧结温度1080℃-1260℃的范围。

在1140℃和1280℃的烧结温度下，测试烧结样品磁性能的P_L/f～f曲线，如图1。从图中可以看出，烧结温度设置为1140℃的情况下，高频低损耗材料在高频下的损耗特性发生了显著的变化：涡流损耗的比重大幅度降低。而在烧结温度设置为1280℃时，材料在高频下的损耗中，涡流损耗却占了一大部分。要降低涡流损耗，就要提高材料、特别是晶界的电阻率，要求材料具有晶粒小、晶界厚的显微结构，这通过添加具有助熔剂性质的添加剂，从而有效地降低了烧结温度。

设置较低的烧结温度，同时在晶界中掺入高电阻的辅助成分，如SiO₂、CaCO₃、Nb₂O₅等有效地增大了晶界电阻率。

如同实施例1-8所述，合适的主配方添加了三种或三种以上所述的辅助成分和辅助成分添加量的优化组合，有效地解决了高频时的损耗问题。具有助熔剂作用的辅助成分，有效地降低烧结温度。在相对低的烧结温度下，晶粒生长均匀，大小合适，避免了晶粒的异常长大。图2为实施例3的SEM图，由该图可以看出，晶粒均匀致密，平均晶粒尺寸约5μm-12μm。

如图3所示，对比实施例1中，设置烧结温度1280℃，晶粒异常长大，气孔多，均匀性差，材料的磁导率提高，但高频损耗严重变差。

从上述结果可以看出，相比现有技术制造的MnZn铁氧体材料，本发明的高频低损耗MnZn铁氧体材料表现出高于1500的起始磁导率；在50mT，500kHz条件下，不同的温度点都表现出了低损耗特性。

虽然已经阐释和描述了本发明的优选实施方案，但是并不表明各实施方案阐释和描述了本发明的所有可能形式。更确切地说，使用在说明书中的词汇是描述性的词汇，而不是限制性的词汇，且应该理解，可以进行各种变化而并不偏离由下述权利要求界定的本发明的主旨和范围。

Claims (5)

1.一种高频低损耗MnZn铁氧体材料，其特征在于：所述MnZn铁氧体材料包括主成分和辅助成分，其中所述主成分是53mol％-56mol％的氧化铁、34mol％-41mol％的氧化锰和6mol％-10mol％的氧化锌，其中氧化锰的含量以Mn计；以及

所述辅助成分选自CaCO₃、SiO₂、Nb₂O₅、CoO、V₂O₅、SnO₂、TiO₂中的至少三种，基于所述主成分的总重量，CaCO₃是0.02wt％-0.08wt％、SiO₂是0.002wt％-0.01wt％、Nb₂O₅是0.02wt％-0.06wt％、CoO是0.03wt％-0.20wt％、V₂O₅是0.01wt％-0.05wt％、SnO₂是0wt％-0.20wt％、TiO₂是0wt％-0.10wt％。

2.如权利要求1所述的MnZn铁氧体材料，其特征在于：所述铁氧体材料具有高于1500的起始磁导率。

3.如权利要求1所述的MnZn铁氧体材料，其特征在于：所述材料在5Ts，50mT，500kHz的条件下，25℃，60℃，100℃，120℃的损耗分别低于120kW/m³、70kW/m³、70kW/m³、90kW/m³。

4.一种如权利要求1所述的高频低损耗MnZn铁氧体材料的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将Fe₂O₃、Mn₃O₄和ZnO按比例湿磨混合均匀并烘干；

2)将步骤1)所得粉料在800℃-920℃下预烧1-3小时；

3)向步骤2)所得的粉料中按比例添加至少三种所述辅助成分，再加入以占所述主成分总重量计的60wt％-120wt％的去离子水、0.5wt％-3wt％的分散剂、0.5wt％-3wt％的消泡剂一起进行球磨，使球磨后的粉料粒径达到1.0±0.2μm；

4)基于所述步骤3)所得的粉料的总重量，向所述步骤3)所得的粉料中添加7wt％-12wt％的有机粘合剂，混合均匀造粒得颗粒料；

5)采用50MPa-200MPa的压力，将颗粒料压制成生坯样品；

6)将步骤5)所得的生坯样品在1080℃-1260℃的烧结温度下烧结，并在所述烧结温度下保温3-5小时，然后冷却至180℃出炉，其中保温段氧分压为1％-15％，降温过程采用平衡氧分压。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述步骤4)中的所述有机粘合剂为聚乙烯醇。

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