宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料及制备方法

技术领域

本发明涉及铁氧体电子材料领域，特别是涉及一种宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料及制备方法。

背景技术

随着电子作息产业的不断迅速发展，作为目前产量最大，应用最广泛的软磁铁氧体材料，已广泛应用于各种电子元器件中。世界各大铁氧体公司竞相提高锰锌铁氧体材料技术性能，以适应不用的应用领域，在变频空调、无极灯照明电子、电力电子、IT产业、通讯、家用电子等用户的苛求下，一种要求材料具有更高的Bs，更好的直流叠加特性，更低的功率损耗，更宽的使用频率和更宽的温度适应范围，因此，锰锌铁氧体材料的研究已进入到了宽温、高直流叠加、高Bs、更低的功率损耗领域。分析市场上各材料制造厂家所推出的材料，不难看出各材料厂家都在寻求一种宽温、低损耗材料，以取代众多的高频低功耗铁氧体材料。

绿色环保电磁感应无极灯的广泛使用及性能提高，促进了该材料的不断开发与投产，在低频200～300kHz中低频率状态下广泛使用。但是存在如何兼顾内置和外置两种结构下使用无极灯效率达到最佳同时要求在-40℃下具有足够的磁导率，同时要求发热要小，损耗低；另一方面电子产品在工作中总有电流成分，为防止电子产品不因有电流的存在而影响正常使用，因此还需要材料有足够的Bs、直流叠加特性。

作为使用最广泛的电源变压器、办公自动化、家用电子、通信等要求具有宽温、低损耗、高磁导率、高直流叠加是不可缺少的组件，无极灯及车载电子要求在宽温、高频范围内损耗和磁导率变化小，具有高稳定性和高可靠性。车载电子中等开关电源中都有大电流或直流偏场的场合下使用，这种要求都需要材料有足够大的饱和磁通密度Bs与剩磁Br的差值，从而影响有较好的叠加特性。

如中国专利申请（CN101183582A）公开的一种高饱和Bs低损耗的锰锌功率铁氧体材料，它通过优化配方和掺杂，特别是加入2～4mol%Ni0得到BS（100度下大于460T）高频功耗500kHz、50mT、100度下小于150kW/m³、但没有提及宽温宽频和居里点高低，因而其应用范围有限。

另外在中国专利申请（CN1749209A）公开了一种高饱和磁通密度、低损耗锰锌铁氧体材料及其制备方法，它通过掺杂和工艺控制，得到了100kHz、200mT、45℃时低于245kw/m³的功耗和1194A/m、50mT、25℃时饱和磁通密度高于535mT的结果，但同样没有提及宽温和宽频、居里温度，因而其使用范围相当有限。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料及制备方法，所制成的成品具有高的起始磁导率、且在25度～140度功耗相当，在25℃～140℃温度范围内功耗曲线平坦，剩磁小，叠加特性好、同时在高频500kHz、50mT、100度测试条件下功耗损耗小于300kw/m³， 在1MHz，30mT，100℃测试条件功耗损耗小于500kw/m³，居里温度达到260℃以上。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料，其主成分按质量百分比，以氧化物计算：Fe₂0₃为69.5～73%，Zn0为5～10%；其余为Mn₃0₄；Fe₂0₃、Mn₃0₄和Zn0之和为100%；

添加剂以主成分的总质量为基础计，按质量百分比，以氧化物计算包括：Ca0:0.01~0.08%、Nb₂0₅:0.015~0.09%、V₂0₅:0.02~0.1%、Ti0₂:0.03~0.2%、C0₂0₃:0.06~0.7%、Zr0₂:0.003~0.13%、K₂C0₃:0.01~0.1%、Ni0:0.04~0.5%。

在本发明一个较佳实施例中，所述主成分按质量百分比，以氧化物计算：Fe₂0₃:71.5%，Mn₃0₄:23.5%，Zn0:5%，所述添加剂按质量百分比，以氧化物计算：Ca0:0.05%、Nb₂0₅:0.05%、V₂0₅:0.02%、Ti0₂:0.08%、C0₂0₃:0.18%、Zr0₂:0.015%、K₂C0₃:0.05%、Ni0:0.08%。

本发明的另一目的是提供一种宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：

1）、Fe₂0₃为69.5～73%，Zn0为5～10%，余量为Mn304，用星形球磨机混合均匀，制成主成分粉料；

2）、将步骤1）所得的主成分粉料在800～1000℃下进行预烧；保温时间为2～4.5小时；

3）、将步骤2）所得的粉料按质量比加入如下添加剂：

Ca0:0.02~0.06%、Nb₂0₅:0.02~0.06%、V₂0₅:0.03~0.1%、Ti0₂:0.04~0.15%、C0₂0₃:0.08~0.2%、Zr0₂:0.005~0.10%、K₂C0₃:0.01~0.04%、Ni0:0.05~0.2%，并进行第二次星形球磨，制成二次星形球磨粉料；

4）、将步骤3）所得的二次星形球磨粉料烘干后造粒、成型，制成样品坯件；

5）、将步骤4）所得的样品坯件在氮气保护烧结窑炉中进行烧结，制成磁芯。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤4）：将步骤3）所得的二次星形球磨粉料按质量比加入8～12%的PVA有机粘合剂，并混合均匀，造粒后，在试验室10吨压机上将粉料压制成样品坯件。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤5）为：将步骤4）成型所得的样品坯件放在氮气保护烧结窑中进行烧结，在升温段1150～1250℃按氧含量为1%左右进行致密化，在1320～1350℃保温4～6个小时，在保温段氧分压为4～7%，降温段为平衡气氛烧结。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤1）中制成的所述主成分粉料的平均粒径范围达到0.7～1.1微米；所述步骤3）中制成的所述二次星形球磨粉料的平均粒径达到0.7～1.0微米。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤4）中，压制形成的所述样品坯件的密度为3.0±0.05g/cm³，所述步骤5）中烧结制成的所述磁芯密度为4.85±0.05g/cm³。

在本发明一个较佳实施例中，所述主成分按质量百分比，以氧化物计算：Fe₂0₃:71.5%，Mn₃0₄:23.5%，Zn0:5%，所述添加剂按质量百分比，以氧化物计算：Ca0:0.05%、Nb₂0₅:0.05%、V₂0₅:0.02%、Ti02:0.08%、C0₂0₃:0.18%、Zr0₂:0.015%、K₂C0₃:0.05%、Ni0:0.08%。

本发明的有益效果是：

本发明宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料通过上述配方及复合添加钙氧化物、钛氧化物和钴氧化物、钒氧化物、镍氧化物，使所述铁氧体具有3500±25%的起始磁导率，且在25～140℃温度区域内谷点功率损耗达270kw/m³，Tc大于260℃，在500KHZ、50mT、100度测试条件下功耗损耗小于300kw/m³， 在1MHz，30mT，100℃测试条件功耗损耗小于500kw/m³。

本发明宽温高叠加低功耗Mn-Zn软磁铁氧体材料的制备方法，通过优化的主成分和优化的复合掺杂以及适当的降低平均粒径，增加材料的活性，形成均匀的、一致性好、无另相的微观结构，同时通过优化的烧结工艺温度、气氛曲线，形成气孔率低、密度大的铁氧体。

综上所述，本发明制备的宽温、高频、高居里温度低损耗铁氧氧体材料，可用于无极灯电磁藕合器，在车载电子等电子材料中，其独特性能为：

众多的高频低功耗宽温材料的居里温度绝大多数为Tc大于230℃，个别可达270℃左右，有的高温功耗太高，部分在超低温如-35℃时磁导率太低，无极灯无法启动。本发明宽温、高频、高居里温度很好的解决了该问题的出现。

另一方面，本发明将低功耗锰锌铁氧体材料高频与低频功耗相差太大，无法兼顾的问题很好的解决使用该类似产品可500kHz、1MHz两个频率都能满足用户的要求。

利用本发明的材料和制备方法所制成的产品不仅用于家用电子、通信、光电、汽车电子等领域，更用于无极灯用电磁藕合器磁芯市场以及车载电子、强电、变频空调等新领域。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一：

称取53mol的Fe₂0₃、38.5mol的Mn0其余为Zn0，其中Mn0原料形态为四氧化三锰，使用中钢天源-2型，其Mn%大于71%，铁红采用国产宝钢铁红，纯度大于99.2%，氧化锌为上海京华，其纯度大于99.7%，将上述原料混合后，一并投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为0.7～1.0微米，电热箱烘干后在900±30℃温度下用电热式回转窑进行预烧，预烧后进行二次砂磨，在砂磨过程中，加入纯水、分散剂、消泡剂，并加入添加剂，相对所述主成分总量，所述添加剂中各物质的质量百分比含量分别是：Ca0:0.05%、Nb₂0₅:0.015%、V₂0₅:0.06%、Ti0₂:0.06%、C0₂0₃:0.2%、Zr0₂:0.03%、K₂C0₃:0.4%、Ni0:0.3%控制平均粒径为0.7～1.0微米，最后进行二次喷雾得到锰锌铁氧体颗粒粉料。

取该颗粒料成型压制T25*15*12（mm）环形磁芯和EC4244磁芯，成型密度为3.0±0.05g/cm³，在1320～1380℃氮气保护保温4～6小时，降温区按布来克方程式进行平衡气氛下冷却。

经上述过程所制备的磁芯，经美国AW2335功耗仪、TH2828S、TH1773、日本理研BHS-40直流特性测试仪、恒温箱和电阻率测试仪等仪器测得在磁芯的相关特性如表1和表2。

实施例二

称取53.8mol的Fe20₃、39.5mol的Mn0其余为Zn0，其中Mn0原料形态为四氧化三锰，使用中钢天源-2型，其Mn%大于71%，铁红采用国产宝钢铁红，纯度大于99.2%，氧化锌为上海京华，其纯度大于99.7%，将上述原料混合后，一并投入砂磨机中搅拌，控制平均粒径为0.7～1.0微米，电热箱烘干后在880±30℃温度下用电热式回转窑进行预烧，预烧后进行二次砂磨，在砂磨过程中，加入纯水、分散剂、消泡剂，并加入添加剂，相对所述主成分总量，所述添加剂中各物质的质量百分比含量分别是：Ca0:0.02%、Nb₂0₅:0.05%、V₂0₅:0.02%、Ti0₂:0.02%、C0₂0₃:0.3%、Zr0₂:0.05%、K₂C0₃:0.2%、Ni0:0.7%控制平均粒径为0.7～1.0微米，最后进行二次喷雾得到锰锌铁氧体颗粒粉料。

取该颗粒料成型压制T25*15*12（mm）环形磁芯和EC4244磁芯，成型密度为3.0±0.05g/cm³，在1320～1380℃氮气保护保温4～6小时，降温区按布来克方程式进行平衡气氛下冷却。

经上述过程所制备的磁芯，经美国AW2335功耗仪、TH2828S、TH1773、日本理研BHS-40直流特性测试仪、恒温箱和电阻率测试仪等仪器测得在磁芯的相关特性如表1和表2。

表1  本发明环形磁芯材料性能

                   表2 本发明以EC4244为例的叠加特性

由表1和表2可见，本发明的锰锌系铁氧体通过对主成分及副成分进行调整，具体为Ti0₂和C0₂0₃联合补偿作用的加强，宽温特性明显；掺杂体系如Ni0加入使用Tc的提高，同时气氛控制及致密化工艺使用该材料具有较高的起始磁导率，在25～140℃温度区域内的功耗比较平坦，100℃功耗小于280 mw/cm³，高频功耗较低，直流叠加优良，居里温度大于260℃ 。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。