专利名称：一种低频无极灯用铁氧体材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铁氧体，尤其涉及一种低频无极灯用铁氧体材料及其制备方法。
背景技术：
无极灯(又称电磁感应灯)，使用的是电磁振荡激活发光原理。无极灯由频率发生器(低频或高频)、耦合器和灯泡(或灯管)三部分组成，其工作原理是将电磁场能量以感应方式耦合到灯泡内，使灯泡内的气体被击穿形成等离子体，等离子体受激原子返回基态时，辐射出254nm紫外线，使灯泡壁上的荧光粉受激而发出可见光。与传统的电光源相比，无极灯具有很多明显的优点由于采用电磁感应耦合方式工作，取消了传统的灯丝和电极，无极灯寿命长达10万小时以上，是白炽灯的100倍，节能灯的12倍，高压钠灯的4倍； 发光效率高，比白炽灯节能70%以上，比高压汞灯、高压钠灯、金商灯节能50%以上，具有极低的运行成本和维护成本；绿色环保，采用固态汞齐和无铅玻璃，使用的材料98 %以上都可以循环利用，特别符合世界环保要求；电磁兼容和电磁干扰符合GB17743-1999标准; 无频闪、光衰小，光线稳定，利于消除人眼疲劳，有益视力健康，是真正的“绿色照明”；采用汞合金技术，无灯丝预热，在-50°C _+280°C范围内，正常启动工作和再启动时间均小于0.5 秒，完全消除了灯丝启动的弊端，即开即亮，适合各种环境和场所照明，开关达3万次以上， 安全无故障；适应温度范围宽，功率因数高达95%以上，节能降耗效果显著。无极灯已成为国际公认的第四代节能环保新光源。无极灯电磁能量转换的核心部件采用铁氧体磁心，对铁氧体材料电磁性能要求很高，否则无极灯根本无法正常工作。无极灯通常由两种工作频段，一种在高频，一种在低频。 高频无极灯工作频率在2. 65MHz左右，通常使用MSi铁氧体磁心，高频无极灯通常体积较小，发光功率较小。而低频无极灯工作在中低频率状态下，一般200 300KHz范围，通常使用MnSi铁氧体磁心，低频无极灯体积可以做得较大，发光功率较大(可达数千瓦))，适用于道路、桥梁、隧道、商场、广场等比较宽广的大型照明区域。低频无极灯对MnSi铁氧体材料性能要求极高，要求铁氧体材料在极低的温度 (_50°C以下)仍然能够启动电磁振荡，即要求铁氧体材料在-50°C以下具有足够的磁导率； 又要求铁氧体在相当高的工作温度以上)能够维持电磁振荡，保持正常工作，这就要求铁氧体必须具有很高的居里温度以上)；为了尽量降低铁氧体磁心的温升，并提高铁氧体磁心电磁能量转换效率，要求铁氧体材料在200 300KHz的频率范围内具有较低的功耗。上述这些要求对于传统的MnSi铁氧体材料很难实现，现有的MnSi铁氧体材料现状是目前MnSi铁氧体材料工作频率范围，主要分为2类，一是工作在IOOKHz左右的低频功率铁氧体材料，另一个是工作在500KHz左右的高频功率铁氧体材料。目前现有的铁氧体材料中，工作频率在IOOKHz左右具有良好特性的低频锰锌铁氧体材料，其性能为-50°C起始磁导率< 1100，居里温度只有230°C左右，尽管低频功耗较低，在100KHz、200mT、10(TC条件下，功耗在300mw/cm3左右，但其高频功耗较大，在200KHz、100mT、100°C条件下，功耗达到250mw/cm3左右，在300KHz、100mT、100°C条件下，功耗达到 450mw/cm3左右，这种铁氧体材料由于低温磁导率以及居里温度较低，容易导致低温(_50 V 以下)下无法起振(灯无法点亮)，高温以上)容易停振(灯熄灭)，同时，由于高频功耗较大，很容易导致铁氧体磁心在中高频工作状态下，温升过大，当铁氧体磁心温度达到230°C (该铁氧体的居里温度)以上时，就会停振(灯熄灭)。因此，该铁氧体材料无法应用在低频无极灯上。目前现有的铁氧体材料中，工作频率在500KHZ左右具有良好特性的高频锰锌铁氧体材料，其性能为在_50°C起始磁导率< 900，居里温度只有240°C左右，尽管高频功耗较低，在 500KHz、50mT、100°C 条件下，功耗在 80mw/cm3 左右，在 300KHz、100mT、100°C 条件下，功耗为310mw/cm3左右；但其低频功耗较大，在100KHz、200mT、100°C条件下，功耗高达 700mw/cm3左右，在200KHz、100mT、100°C条件下，功耗达到200mw/cm3左右。这种铁氧体材料由于低温磁导率以及居里温度较低，容易导致低温(_50°C)下无法起振(灯无法点亮)， 高温以上)容易停振(灯熄灭)，同时，由于低频功耗较大，很容易导致铁氧体磁心在低频工作状态下，温升过大，当铁氧体磁心温度达到(该铁氧体的居里温度)以上时，就会停振(灯熄灭)。因此，该铁氧体材料也无法应用在低频无极灯上。由上述可以看出，传统的MnSi功率铁氧体材料，无法应用在低频无极灯上。必须开发出一种新的铁氧体材料，该铁氧体材料在较低的温度(_50°C以下)具有足够的磁导率、居里温度必须在280°C以上、同时，该铁氧体材料在200 300KHz的频率范围内必须具有较低的功耗。
发明内容
基于上述现状，本发明目的是提出一种能够成功应用在低频无极灯上的铁氧体材料及其制备方法，该材料在25°C起始磁导率为2700士25%，在-50°C起始磁导率> 1500， 居里温度彡 290°C，在 100KHz、200mT、100°C条件下，功耗小于;350mw/cm3，在 200KHz、100mT、 100°C条件下，功耗小于180mw/cm3，在300KHz、100mT、100°C条件下，功耗小于290mw/cm3。 该铁氧体材料具有优良的电磁性能，能够完全满足低频无极灯对铁氧体材料各种性能的要求。本发明的技术方案是一种低频无极灯用铁氧体材料，该铁氧体材料包括主成分和辅助成分，主成分包含换算为(摩尔比)Te2O3 55 59mol %，ZnO 4 8mol %，余量为 MnO ；辅助成分包括CaO、SiO2, NaCl, CuO以及SrCO3，所述辅助成分相对于主成分总量含量如下(重量比):Ca0 :0. 06 0. 25wt%,Si02 :0. 01 0. 03wt%,NaCl :0. 01 0. 15wt%, CuO :0. 03 0. 25wt%, SrCO3 :0. 01 0. 15wt%。下面，对本发明的主成分和辅助成分的数值范围的限定理由进行说明。当Fii2O3的组成小于55mol %，或ZnO的组成小于^iol %时，在低温_50°C下，不易获得较高的起始磁导率。当狗203的组成大于59mol%，尽管在低温下可以获得较高的起始磁导率，但是功耗明显加大。此外，当ZnO的组成大于Smol %时，铁氧体居里温度难以提高。众所周知，MnZn功率铁氧体材料功耗主要由磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗组成，这三种损耗在不同的频率范围，扮演不同的角色，当工作频率小于250KHz时，磁滞损耗占主导地位；当工作频率大于250KHZ时，涡流损耗占主导地位。本发明铁氧体材料由于工作在200 300KHz范围，处于上述2种铁氧体工作频率的临界位置，必须选择并确定好铁氧体材料的主成分及辅助成分的含量以及精确控制铁氧体的显微结构，从而使磁滞损耗、 涡流损耗以及剩余损耗三者之和取得理想的最小值。本发明紧紧围绕这一思想去展开， 通过大量的试验发现，MnZn功率铁氧体材料在不同频率下的功耗与铁氧体显微结构，即晶粒发布与大小以及晶界组成有很大的关系。本发明通过加入适量的CaO、SiO2, NaCl, CuO, SrCO3,并严格控制烧结工艺，本发明发现当铁氧体晶粒尺寸控制在6 9 μ m范围内，能够使铁氧体在200 300KHz范围内，获得最低的功耗。本发明涉及的铁氧体，作为辅助成分，加入了 0. 06 0. 25wt%&Ca0、0. 01 0. 03wt%的SiO2，主要是为了提高铁氧体晶界电阻率，从而降低铁氧体的涡流损耗；加入 0. 01 0. 15wt%的NaCl，主要是为了调整铁氧体中1 "的含量，从而达到控制铁氧体材料_50°C起始磁导率以及最低功耗点的位置；加入0. 03 0. 25wt %的CuO主要是为了促进铁氧体晶粒的生长，使铁氧体晶粒尺寸控制在合理的范围内；加入0. 01 0. 15wt% SrCO3 主要是为了防止铁氧体晶粒异常生长，从而有效降低铁氧体功耗。本发明一种低频无极灯用铁氧体材料的制备方法，其特征包括以下步骤1〕将主成分F%03、Mn3O4, ZnO加入预先加有去离子水的砂磨机或球磨机中进行研磨、然后再经过喷雾干燥造粒、在回转窑或箱式炉中800 850°C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或球磨机中进行研磨，得到铁氧体料浆，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士0. 2g/cm3的铁氧体毛坯，铁氧体毛坯可以是各种形状。将毛坯在真空烧结炉或钟罩炉或N2保护推板窑内，在氧分压为0. 5 5%的平衡气氛中，在1200 1250°C温度下烧结4 7小时。通过这样的制造方法，就能容易地，并且低成本地制造本发明的铁氧体材料。本发明的有益效果是获得了一种低频无极灯用铁氧体材料。利用本发明方法制备的铁氧体特征是该材料在25°C起始磁导率为2700士25%，在-50°C的起始磁导率彡1500，居里温度彡290°C，在100KHz、200mT、100°C条件下，功耗小于:350mw/cm3，在 200KHz、100mT、100°C条件下，功耗小于 180mw/cm3，在 300KHz、100mT、100°C条件下，功耗小于 290mw/cm3。
具体实施例方式以下，基于实施方式说明本发明。原材料称量按主成分配方称取原材料，原材料为 ^203、Ζη0以及Mn3O415主成分配方包含换算为(摩尔比):狗203 55 59mol %，ZnO 4 Snol %，余量为MnO ；2) 一次砂磨将称量好的原材料放入砂磨机中，进行湿式砂磨，料浆含水量 30% 50%，砂磨时间0. 5 1. 0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，预烧温度为800 850 0C ；5)辅助成分添加添加下列辅助成分，辅助成分相对于主成分总量含量如下(重
5量百分比):CaO :0. 06 0. 25wt%,Si02 :0. 01 0. 03wt%,NaCl :0. 01 0. 15wt%,Cu0 0. 03 0. 25wt%, SrCO3 :0. 01 0. 15wt%。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，进行湿式砂磨，料浆含水量30% 50%，砂磨时间2. 0 3. 0小时；；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)成型将二次喷雾干燥造粒铁氧体粉料进行压制成密度为3. 0 士0. 2g/cm3的铁氧体毛坯；9)烧结将毛坯在真空烧结炉或钟罩炉或N2保护推板窑内，按以下烧结温度曲线和气氛控制从室温到600°C，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°C /hr,空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到200 30(TC /hr,空气气氛；烧结温度1200 1250°C，保温4 7小时，烧结平衡氧分压为0. 5 5%;保温结束到1100°C 左右的降温阶段，氧含量控制在0. 01 0. 3%，降温速率100 150°C /hr ；从1100°C开始， 快速降温到室温，降温速率150 250°C /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。实施例1 按主成分配方=Fe2O3 :58mol %，ZnO :8mol %，MnO :34mol %，称取 Fe2O3^ Mn3O4和&ι0。投入预先加有去离子水的砂磨机中研磨，砂磨时间0.5小时，将料浆在一次喷雾造粒后，在850°C预烧2小时。随后预烧料投入预先加有去离子水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CaO 0. 18wt%, Si02 :0. 025wt%, NaCl 0. 055wt%, CuO :0. 05wt %, SrCO3 :0. 035wt%o砂磨时间2. 0小时，控制砂磨的平均粒径为1.0 士 0.2μπι。最后进行二次喷雾得到MnSi铁氧体颗粒料粉。取该颗粒料成型压制 Φ25πιπιΧ Φ15πιπιΧ7. 5mm、密度大约为3. 0士0. 2g/cm3的圆环。烧结按以下烧结温度曲线和气氛控制从室温到600°C，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°C /hr，空气气氛；排胶结束后，升温速率提高到150 300°C /hr，空气气氛；烧结温度1230°C，保温5小时，平衡氧分压为3% ；从保温结束到1100°C左右的降温阶段，氧含量控制在0. 01 0. 2%，降温速率100 150°C /hr ；从1100°C开始，快速降温到室温，降温速率150 250°C /hr，氧含量控制在0. 01%以下。获得的铁氧体材料性能性能见表1。实施例2 按主成分配方=Fe2O3 :55mol %，ZnO :5mol %，MnO :40mol %，称取 Fe2O3^ Mn3O4和&ι0。投入预先加有去离子水的砂磨机中研磨，砂磨时间0. 5小时，将料浆在一次喷雾造粒后，在860°C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，砂磨过程中相对所述主成分含量，加入CaO 0. 12wt%,Si02 :0. 01wt%, NaCl :0. 025wt%,Cu0 :0. 15wt%,SrCO3 :0. 05wt%。砂磨时间 1. 5 小时，控制砂磨的平均粒径为1.0 士 0.2μπι。最后进行二次喷雾得到MnSi铁氧体颗粒料粉。取该颗粒料成型压制 Φ 25mmX Φ 15mmX7. 5mm、密度大约为3. 0士0. 2g/cm3的圆环，烧结方法与实施例1完全相同。获得的铁氧体材料性能见表1。表 权利要求
1. 一种低频无极灯用铁氧体材料，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狗203 55 59mol%，ZnO 4 8mol%，余量为MnO ；辅助成分含量以氧化物计算为:CaO :0. 06 0. 25wt%, SiO2 :0. 01 0. 03wt%, NaCl :0. 01 0. 15wt%,Cu0 :0. 03 0. 25wt%, SrCO3 :0. 01 0. 15wt% ；该铁氧体材料性能特征在于在25°C起始磁导率为2700士25%，在-50°C的起始磁导率彡1500，居里温度彡290°C，在1001(泡、2001111\1001条件下，功耗小于35011^/0113，在 200KHz、100mT、100°C条件下，功耗小于 180mw/cm3，在 300KHz、100mT、100°C条件下，功耗小于 290mw/cm3。
全文摘要
本发明公开了一种低频无极灯用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Fe2O355～59mol％，ZnO4～8mol％，余量为MnO；辅助成分含量以氧化物计算为CaO0.06～0.25wt％、SiO20.01～0.03wt％、NaCl0.01～0.15wt％、CuO0.03～0.25wt％、SrCO30.01～0.15wt％。该铁氧体材料性能特征在于在25℃起始磁导率为2700±25％，在-50℃的起始磁导率≥1500，居里温度≥290℃，在100KHz、200mT、100℃条件下，功耗小于350mw/cm3，在200KHz、100mT、100℃条件下，功耗小于180mw/cm3，在300KHz、100mT、100℃条件下，功耗小于290mw/cm3。
文档编号C04B35/622GK102311261SQ20111022612
公开日2012年1月11日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者陆明岳 申请人:临沂中瑞电子有限公司