CN102390986B - 一种低功耗MnZn铁氧体材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗MnZn铁氧体材料及其制备方法。其特征在于：该铁氧体材料包括主成分及辅助成分，主成分含量以氧化物计算为：Fe₂O₃：51～55mol％，ZnO：8～16mol％，余量为MnO；辅助成分含量以氧化物计算为：SiO₂：0.005～0.035wt％、CaO：0.03～0.15wt％、In₂O₃：0.01～0.08wt％、WO₃：0.01～0.05wt％。该铁氧体材料性能特征在于：在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mw/cm3；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT。

Description

一种低功耗MnZn铁氧体材料

技术领域

本发明涉及一种MnZn铁氧体，尤其涉及一种低功耗MnZn铁氧体材料及其制备方法。

背景技术

随着电子整机向数字化、多功能化以及小型化方向发展，电子***正向网络化、高速化和宽带方向发展，因此，对磁性材料特别是MnZn铁氧体材料性能提出了越来越高的要求。未来几年，随着汽车电子的迅猛发展以及下一代互联网、新一代移动通信、数字电视的逐步实现商用，大大拓展了对高性能MnZn铁氧体材料磁心市场需求。

汽车电子按照功能大致可分为两大类，即车体电子控制***和车载电子控制***(如车载CD/DVD音响***、GPS导航***等)。随着消费者对汽车操作性、舒适性和安全性要求的不断提高，汽车电子正在向智能化、集成化、信息化、网络化等方向发展。据权威机构预测，现在轿车内的电子设备约占整车价值的22％，到2010年将上升至35％。在一些豪华轿车上，电子产品甚至将占到整车成本的50％以上。因此汽车电子被公认为当今最有发展潜力的电子产业之一。

另一方面，随着综合业务数据网(ISDN)、局域网(LAN)、宽域网(WAN)等网络通信以及航空航天、卫星通信及卫星导航等领域技术快速发展，成为市场容量庞大的电子信息产业。

由于上述领域电子技术飞跃发展，要求MnZn铁氧体材料具有更低的功耗，更高的饱和磁通密度以及较高的起始磁导率，以便进一步减小电子元器件的体积，从而使电子整机能够进一步小型化。而传统的性能优良的铁氧体材料，还不能满足上述要求。

本发明通过大量实验，研究出一个新的MnZn铁氧体材料体系，并通过添加微量元素，对铁氧体材料显微结构及其性能进行优化和改性，从而得到了一种低功耗、高饱和磁通密度MnZn铁氧体材料，满足了现代电子技术飞速发展的需求。

发明内容

本发明目的是：提出一种低功耗MnZn铁氧体材料及制备方法。尤其是使材料的性能指标达到：在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mw/cm³；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT。

本发明的技术方案是：一种低功耗MnZn铁氧体材料，该铁氧体材料包括主成分Fe₂O₃、ZnO、MnO及添加辅助成分，主成分配方为：Fe₂O₃：51～55mol％，ZnO：8～16mol％，MnO：30～39mol％；所述辅助成分包括SiO₂、CaO、In₂O₃、WO₃。

本发明一种低功耗MnZn铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：1〕将主成分按配方Fe₂O₃：51～55mol％，ZnO：8～16mol％，MnO：30～39mol％；混合、研磨、干燥、预烧，得到经预烧的主成分；2〕经预烧的主成分同添加的辅助成分一起进行混合兼研磨制得平均粒径为0.9～1.3μm的混合材料，随后进行干燥；C〕将干燥颗粒在压机下压制得到密度为3.0±0.2g/cm³的毛坯，将毛坯放入钟罩炉内，在氧分压为1～8％的平衡气氛中，在1250～1290℃温度下烧结2～5小时，即获得铁氧体成品。

本发明的铁氧体材料配方体系，通过配合相应的制备方法使铁氧体成品获得如下性能指标：在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mw/cm³；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT。

一种低功耗MnZn铁氧体材料制备方法的具体步骤：1〕将主成分Fe₂O₃、Mn₃O₄、ZnO加入预先加有去离子水的砂磨机中进行砂磨、然后再经过喷雾干燥造粒、在回转窑或箱式炉中800～1000℃预烧，得到铁氧体预烧料；2〕将铁氧体预烧料同辅助成分一道加入预先加有去离子水的砂磨机中进行砂磨，得到平均粒径为1.0±0.3μm的铁氧体料浆，随后加入10％的PVA溶液(浓度为10％)进行喷雾干燥造粒，得到铁氧体粉料；3〕将铁氧体粉料经压机压制得到密度为3.0±0.2g/cm³的铁氧体毛坯，将毛坯在钟罩炉内，在氧分压为1～8％的平衡气氛中，在1250～1290℃温度下烧结2～5小时。

作为实用性较强的一种具体实施例，产品中相对所述主成分总量，所述辅助添加成分以其各自标准物计的含量如下，SiO₂：0.005～0.035wt％、CaO：0.03～0.15wt％、In₂O₃：0.01～0.08wt％、WO₃：0.01～0.05wt％。

研究结果表明，SiO₂的含量最好控制在0.005～0.05wt％之间，当SiO₂的含量小于0.005wt％时，对改善功耗效果不明显，而当SiO₂的含量大于0.035wt％时，铁氧体材料功耗明显上升。铁氧体中CaO含量不能太高，过量的CaO会导致铁氧体晶粒不连续生长，从而使铁氧体材料功耗明显增大，并使材料起始磁导率下降。当CaO含量小于0.03wt％时，改善铁氧体材料功耗性能效果不明显。在本发明中加入的CaO最佳含量为0.03～0.15wt％。

本发明经过大量实验研究发现，采用In₂O₃和WO₃组合，其作为辅助成分与SiO₂和CaO一起添加，可以进一步改善铁氧体材料的显微结构，降低MnZn铁氧体材料的功耗，本发明发现加入0.01～0.08wt％的In₂O₃以及0.01～0.05wt％的WO₃效果最佳。

本发明的有益效果是：通过本发明获得了一种在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mw/cm³；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT的高性能MnZn铁氧体材料，满足了现代电子技术飞速发展的需求。

具体实施方式

以下，基于实施方式说明本发明。

1)原材料混合：按以下述原料配方：Fe₂O₃：51～55mol％，ZnO：8～16mol％，MnO：30～39mol％称取原材料；

2)一次砂磨：

将称量好的原材料放入砂磨机中，并在事前加入等重量的去离子水，砂磨0.5小时；

3)一次喷雾干燥造粒：

在原材料料浆中加入约10％PVA溶液(浓度为10％)，进行一次喷雾干燥造粒；

4)预烧：将一次喷雾干燥造粒粉料通过回转窑进行预烧，烧温度为850～900℃；

5)杂质(成分)添加：添加下列辅助成分：SiO₂：0.005～0.035wt％、CaO：0.03～0.15wt％、In₂O₃：0.01～0.08wt％、WO₃：0.01～0.05wt％。

6)二次砂磨：将铁氧体预烧料及上述辅助成分放入砂磨机中，并在事先加入等重量的去离子水，砂磨1.5小时，使预烧料的平均粒度小于1.3μm；

7)二次喷雾干燥造粒：

在铁氧体料浆中加入约10％PVA溶液(浓度为10％)，进行二次喷雾干燥造粒；

8)成型：对二次喷雾干燥造粒铁氧体粉料进行压制成铁氧体毛坯；

9)烧结：将铁氧体毛坯放入钟罩炉内，按以下烧结温度曲线和气氛控制：从室温到600℃，此为排胶阶段，升温较为平缓，这有利于排胶充分，升温速率100～150℃/hr，空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到200～300℃/hr，空气气氛；在氧分压为1～8％的平衡气氛中，在1250～1290℃温度下烧结2～5小时。保温结束到1100℃左右的降温阶段，氧含量控制在0.01～0.3％，降温速率100～150℃/hr；从1100℃开始，快速降温到室温，降温速率150～250℃/h，氧含量控制在0.01％以下。

上述配方和制备方法完全能使铁氧体材料达到本发明所述性能参数。以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，为进一步说明本发明的有益效果，列举了比较例1，其中：比较例1对应的是一种传统的性能优良的MnZn铁氧体材料，其主要用于开关电源变压器或者是扼流圈用有关领域。其性能特征是：在100℃、100KHz、200mT条件下的功耗为285mW/cm³；100℃条件下的饱和磁通密度通常在420mT左右；25℃条件下的起始磁导率为2450左右。

实施例1：称取53.1mol％Fe₂O₃、34.9mol％MnO(原料形态为Mn₃O₄)、12mol％ZnO。投入预先加有去离子水的砂磨机中研磨，控制平均粒径0.8±0.2μm，一次喷雾后在900±20℃温度下用电热式回转窑进行预烧。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分含量，加入纯水35％、分散剂0.008％和消泡剂0.005％，并加入添加剂：SiO₂：0.035wt％、CaO：0.085wt％、WO₃：0.05wt％、In₂O₃：0.03wt％，控制砂磨的平均粒径为1.0±0.2μm。最后进行二次喷雾得到MnZn铁氧体颗粒料粉。取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm、密度大约为3.0±0.2g/cm³的圆环，将铁氧体毛坯放入钟罩炉内，烧结按按以下烧结温度曲线和气氛控制：从室温到600℃，此为排胶阶段，升温较为平缓，这有利于排胶充分，升温速率50～150℃/hr，空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到150～300℃/hr，空气气氛；在氧分压为2.5％的平衡气氛中，在1260℃温度下烧结4小时；从保温结束到1100℃左右的降温阶段，氧含量控制在0.05～2％，降温速率100～150℃/hr；从1100℃开始，快速降温到室温，降温速率150～250℃/h，氧含量控制在0.01％以下。产品相关性能列于表1中。

实施例2：称取54.5mol％Fe₂O₃、35.5mol％MnO(原料形态为Mn₃O₄)、10mol％ZnO。投入预先加有去离子水的砂磨机中研磨，控制平均粒径0.8±0.2μm，一次喷雾后在900±20℃温度下用电热式回转窑进行预烧。随后预烧料投入砂磨机进行二次砂磨，砂磨过程中相对所述主成分含量，加入纯水35％、分散剂0.008％和消泡剂0.005％，并加入添加剂：SiO₂：0.02wt％、CaO：0.05wt％、WO₃：0.03wt％、In₂O₃：0.05wt％，，控制砂磨的平均粒径为1.0±0.2μm。最后进行二次喷雾得到Mn-Zn铁氧体颗粒料粉。取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm、密度大约为3.0±0.2g/cm³的圆环，将铁氧体毛坯放入钟罩炉内，烧结按按以下烧结温度曲线和气氛控制：从室温到600℃，此为排胶阶段，升温较为平缓，这有利于排胶充分，升温速率50～150℃/hr，空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到150～300℃/hr，空气气氛；在氧分压为3.0％的平衡气氛中，在1280℃温度下烧结4小时；从保温结束到1100℃左右的降温阶段，氧含量控制在0.05～2％，降温速率100～150℃/hr；从1100℃开始，快速降温到室温，降温速率150～250℃/h，氧含量控制在0.01％以下。产品相关性能列于表1中。

比较例1：按主成分配方(摩尔比)：Fe₂O₃：53.5mol％，ZnO：12.5mol％，MnO：34.0mol％，称取Fe₂O₃、Mn₃O₄和ZnO。投入预先加有去离子水的砂磨机中研磨，料浆含水量40％，砂磨时间0.5小时，将料浆在一次喷雾造粒后，在900度下用电热式回转窑进行预烧。随后预烧料投入预先加有去离子水砂磨机进行二次砂磨，料浆含水量30％，砂磨过程中相对所述主成分含量，加入CaO：0.03wt％、SiO₂：0.01wt％、Nb₂O₅：0.03wt％、ZrO₂：0.03wt％，砂磨时间1.5小时，控制砂磨的平均粒径为1.1±0.3μm。最后进行二次喷雾得到MnZn铁氧体颗粒料粉。取该颗粒料成型压制φ25mm×φ15mm×7.5mm的圆环，毛坯密度控制为3.0±0.2g/cm³，烧结按按以下烧结温度曲线和气氛控制：从室温到600℃，此为排胶阶段，升温较为平缓，这有利于排胶充分，升温速率50～150℃/hr，空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到150～300℃/hr，空气气氛；烧结温度1325℃，保温3小时，平衡氧分压为5％；从保温结束到1100℃左右的降温阶段，氧含量控制在0.05～2％，降温速率100～150℃/hr；从1100℃开始，快速降温到室温，降温速率150～250℃/h，氧含量控制在0.01％以下。获得的磁环性能为：材料在25℃下的磁导率为2450；在100℃条件下的饱和磁通密度是420mT；在100℃、100KHz、200mT条件下的功耗为285mW/cm³。此为用于传统开关电源变压器，性能优良的高频低功耗铁氧体材料。

表1

由表1可见，与传统铁氧体材料相比，本发明的铁氧体材料具有更低的功耗，较高的饱和磁通密度以及较高的起始磁导率。在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mw/cm³；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT。该铁氧体材料，满足了现代电子技术飞速发展的需求。

Claims (1)

1.一种低功耗MnZn铁氧体材料，其特征在于：该铁氧体材料包括主成分及辅助成分，主成分含量以氧化物计算为：Fe₂O₃：51～55mol％，ZnO：8～16mol％，余量为MnO；辅助成分含量以氧化物计算为：SiO₂：0.005～0.035wt％、CaO：0.03～0.15wt％、In₂O₃：0.01～0.08wt％、WO₃：0.01～0.05wt％；

该铁氧体材料性能特征在于：在25℃条件下，材料的起始磁导率为2800±25％；在100KHz、200mT、100℃条件下，材料的功耗小于220mW/cm³；在100℃条件下，材料的饱和磁通密度大于430mT。