高直流叠加特性MnZn铁氧体材料及制备方法

文档序号:8957444阅读:446来源:国知局
高直流叠加特性MnZn铁氧体材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁氧体材料技术,尤其是涉及高直流叠加特性MnZn铁氧体材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] MnZn铁氧体材料具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等优点,被广泛应用 于汽车电子、新能源、绿色照明、平板显示等领域。随着电子技术的快速发展,要求铁氧体 材料在高温下的损耗要小,而且要求在直流偏磁化场下对铁氧体材料的磁导率特性、损耗 特性的影响要小。因为在电力电子器件如开关电源、AC-DC变换器、DC-AC逆变器、高清晰 度彩电以及高分辨率显示器中,叠加直流的环境会对磁心的磁导率、损耗等磁性能会产生 较大影响。而开关电源等电子器件的一个重要发展方向就是向高温低损耗、高直流叠加和 小型高效化发展,特别是在高温和直流叠加的环境也能够正常工作,用其制作的电子器件, 可实现高温和叠加较大直流条件下高效、稳定、可靠地工作。一方面,应用于开关电源的磁 性元件,其线圈电流中存在直流分量,磁心的反复磁化产生的损耗受直流偏置的影响而 增大。在叠加直流的环境中,Brockmeyer测试了两种功率铁氧体3F3和N27的功率损耗, 它们的损耗随直流偏置场的增大而增大(Ansgar Brockmeyer. Experimental evaluation of the influence of DC-premagnetization on the properties of power electronic ferrites[A]. APEC'96 Proc. [C]. 454-460.)。开关电源变压器正常工作时,磁心由于产生 磁滞损耗和涡流损耗等而放出热量,导致磁心温度逐渐升高。一般地,变压器工作后,温度 会升高到l〇〇°C附近,所以,要求磁心在这一温度附近的损耗要低,否则,叠加直流引起的损 耗也将会导致磁心温度升高,损耗随温度升高而大幅度增大,磁心温升更快,最终导致变压 器不能高效可靠工作,甚至烧毁。另一方面,行输出变压器平滑扼流圈以及枕校变压器等 在有直流叠加的状态下,工作的磁心须具有良好的直流叠加特性。MnZn铁氧体材料的性能 会由于叠加直流偏置场而发生变化,其中最明显的表现就是磁导率随叠加直流的变化而 变化,对应相同的交流磁场强度,环形铁氧体磁心的磁导率随着直流偏置场的增大而减小 (李智华,罗恒廉,费鸿俊.直流偏置对功率铁氧体性能影响的研究[J].电工电能新技 术,2001,20 (1) : 30-34.)。因此,在叠加有较大直流的变压器中,为保证变压器稳定可靠并 且有效工作,选择磁导率下降趋势越缓慢的磁心越好。现在,越来越多的公司和厂家对磁心 直流叠加已有更高的要求,如韩国三星,日本松下等国外公司对直流叠加性能都十分重视。 所以,兼具高温低损耗、高直流叠加特性的MnZn铁氧体材料,其市场需求是巨大的。
[0003] 近年来,越来越多的公司和研发机构十分重视高温低损耗、高直流叠加特性MnZn 铁氧体材料的研发,如广东江门冶金材料有限公司研发的?25mmX C> 15mmX8mm环形样 品,未叠加直流时,磁心室温下磁导率为2305,叠加直流大小为150mA时,其磁导率降至 1242。东磁公司研发的高直流叠加材料DMR4KDC的小磁环,在温度为25°C,频率为100kHz, 电压为IOOmV~200mV,线圈匝数为26匝,叠加8mA直流的条件下测试,测得的电感比值 L SniA/L。基本都在88 %左右,并保证在宽温0~70°C范围内其电感值的跌落不超过25 %。专 利(公开号10033613. 6)公布了一种高温低损耗、具有优良直流叠加特性的材料,在100°C、 100kHz、200mT 下,其质量功耗值为 73. 2mW/g ;100°C、lkHz、0. 3V、气隙为 0. 4mmX2、线圈匝 数为112匝时,叠加直流大小分别为0A、I. 5A、I. 7A,测试后得到电感比值L1VM5P L u/L。 分别为 88. 25%、84. 67%。专利(公开号 10518405. 6)公布了一种在 25°C、100kHz、200mT 测试条件下,?25_X ? 15_X8mm标准样环的功率损耗Pev〈520kW/m3,100°C时的功率损耗 P cv〈310kW/m3;以及用此样环材质烧结出来的所有PQ40磁心样品,绕40匝线圈、垫0. 35mm 气隙片、25°C、IkHz、IV交流基础上向电感线圈上叠加直流,测得各个叠加电流对应的电感 值,得到磁心对应的临界电流为4. 7A,而传统磁心对应的临界电流为4. 4A,进一步拓宽了 器件工作的临界电流范围。

【发明内容】

[0004] 本发明所要解决的技术问题是,提供一种MnZn铁氧体材料及制备方法,其材料具 有高温低损耗、高直流叠加等特性。
[0005] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案是,高直流叠加特性MnZn铁氧体材 料,由主料和掺杂剂组成,主料按摩尔百分比,以氧化物计算,包括:53. 0 -55. Omol % Fe2O3, 38. 0 - 40.0 mol % MnO, 0 - I. 5mol % NiO,余量为 ZnO ;
[0006] 掺杂剂以预烧后的主料为计算基准,按重量百分比,以氧化物计算,包括: 0. 02 -0. 20wt% CaC03、0. 001 -0. 10wt% V205、0. 001 -0. 06wt% Bi203、0. 01 -0. 40wt% C〇203、 0. 01 - 0. 09wt% ZrO2^0.0 1 - 0. 20wt% Ge02〇
[0007] 本发明还提供高直流叠加特性MnZn铁氧体材料的制备方法,其特征在于,包括下 述步骤:
[0008] 1)主料配方
[0009]采用 53. 0 - 55. Omol % Fe203, 38. 0 - 40.0 mol % MnO, 0 -1. 5mol % NiO,余量为 ZnO;
[0010] 2) -次球磨
[0011] 将以上料粉在球磨机内混合均匀,时间1 _ 3小时;
[0012] 3)预烧
[0013] 将步骤2)所得球磨料烘干,并在800~1000°C炉内预烧1 - 4小时;
[0014] 4)掺杂
[0015] 将步骤3)所得料粉按重量比加入以下掺杂剂:0. 02 - 0. 20wt % CaC03、 0? 001 -0? 10wt% V205、0. 001 -0? 06wt% Bi203、0. 01 -0? 40wt% C〇203、0. 01 -0? 09wt% Zr02、 0. 01 - 0. 20wt% GeO2;
[0016] 5)二次球磨
[0017] 在球磨机中按一定比例配好不同直径大小的超硬球磨介质,将步骤4)中得到的 料粉按照一定料球比例混合,在球磨机中球磨4 - 8小时,最终粉体粒径为0. 5~1. 0 y m ;
[0018]6)成型
[0019] 将步骤5)所得料粉按重量比加入8 - 12wt%有机粘合剂PVA,混勾,造粒后,压制 成 ? 25mm X C> 1 Srnm X 8mm 环形还件;
[0020] 7)烧结
[0021] 将步骤6)所得坯件置于气氛烧结炉内烧结,在1000°C-125(rC温度段,体积比O2/ N2= 1/999,在1250°C - 1350°C保温8小时,O 2/N2= 5/95 ;在降温段进行平衡气氛烧结。
[0022] 8)测试
[0023] 将步骤7)所得样品进行电磁性能测试。
[0024]用 Agilent E4980A Precision LCR Meter 和 42841A偏置电流源测试样品电感 L, 样品的起始磁导率根据下式计算:
[0026] 其中L为样品的电感,N为绕线匝数,h为样品厚度,D为样品外径,d为样品内径, f为测试频率。测试条件为:f = 1kHz,U = 0. 25V,绕线匝数为10匝。
[0027] 用IWATSU SY-8232 B-H分析仪测试样品的损耗,测试条件为:f = 100kHz,BBni= 200mT,T = 25°C _120°C。
[0028] 本发明的MnZn铁氧体材料的制备技术,其技术指标如下:
[0029]起始磁导率 P1:2400±10%
[0030]饱和磁感应强度 BBs:彡 565mT(25°C );彡 465mT(100°C )
[0031] 居里温度Tc:彡260 °C
[0032]损耗 PL(100kHz200mT):彡 6701^/1113(25。(:);彡 340kW/m3(10(TC );
[0033]密度 Clni:彡 4. 95g/cm3;
[0034]高居里温度(Tc彡 260°C )、宽温高 BBS(25°C,BBS> 565mT ;100°C,BBS> 465mT) 及较低损耗(100°(:、100诎22001111',?1彡 3401^/1113)等特性。
[0035]本发明针对现有技术设计的MnZn铁氧体所存在的宽温高Bs、高温低损耗、高直流 叠加特性三个关键参数难以同时满足的技术难题,提供了一种兼具宽温高Bs、高温低损耗、 高直流叠加特性的MnZn铁氧体材料及其制备方法。本发明的核心思想是:在主配方上,本 发明采用适量的NiO替代ZnO,由NiO形成的NiFe 2O4铁氧体的居里温度显著高于MnFe 204铁 氧体的居里温度,且被取代的ZnFe2O4铁氧体为反铁磁性。因此,适量NiO取代ZnO后可提 高材料的居里温度,提高提高磁性器件的可靠性;同时,NiO取代ZnO后,可增强材料的布里 渊函数温度特性,提升宽温Bs,进而提高材料的直流叠加特性。
[0036] 在掺杂剂上,采用CaC03、V205、Bi203、C〇203、Zr02、GeO2等掺杂剂的助熔和阻晶双 重作用,实现复合掺杂剂交互作用的控制,一方面提高液相烧结密度,增大磁化动力,降低 磁化阻力,提高磁导率,降低损耗,另一方面,控制晶粒尺寸不宜过大,提高材料的晶界电阻 率,进而提高材料的电阻率,达到降低损耗的目的。
[0037] 本发明提出的MnZn铁氧体材料可为汽车电子、新能源、绿色照明、平板显示等领 域解决如下三个方面关键技术问题:第一,高温低损耗,有利于器件在高温环境下工作,提 高器件的稳定性和高效性;第二,高直流叠加特性可拓宽器件工作的直流偏置场范围;高 居里温度和宽温高Bs,有利于提高器件工作的可靠性。
【具体
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