一种高饱和磁通密度低损耗NiCuZn软磁铁氧体材料及其制备方法与流程

一种高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及软磁铁氧体材料技术领域，具体涉及一种高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料及其制备方法。


背景技术：

2.软磁铁氧体材料是电子信息产业的重要支撑性材料，尤其是随着电子设备向高频化、小型化、大功率化、高集成化等方向发展的趋势。为了满足器件的小型化，软磁材料使用频率越来越高，但是由于电源需要输出更高能量密度，而输出电压越来越低，因此需要输出电流越来越高，这就要求软磁材料具有较高的饱和磁通密度，使之在大电流下不饱和。
3.软磁铁氧体材料主要分为两大类——mnzn系和nicuzn系。其中mnzn系软磁铁氧体具有较高的饱和磁通密度，如中国专利cn110111361a可实现1mhz下bs达471mt。然而mnzn系材料主要用于mhz以下的频段，而nicuzn系则主要用于1mhz以上的射频微波频段。此外nizn铁氧体还具有较高的电阻率，可以显著降低材料工作中的涡流产生的损耗，可以在较高的频率下正常工作，拥有较高的截止频率，因此可以具有较宽的工作频率范围，更加符合电子产品器件高频化的要求。近年来，高性能nicuzn系铁氧体材料的研发备受国内外企业重视，如韩国younghwa开发的yn202材料，μi为1300+20％，bs为360mt，居里温度为160℃，是当前高密度安装电子设备中十分重要的材料。但是随着电子、通讯行业的快速发展，也对nizn铁氧体的饱和磁通密度提出了更高的要求，研发高频、高饱和磁通密度的nicuzn铁氧体材料是目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料及其制备方法，本发明是一种高频、高饱和磁通密度、低损耗的nicuzn系铁氧体材料，其材料具有高bs低损耗。
5.本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
6.一种高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料，其原料组分包括主成分和辅助成分；
7.其中，以重量百分比计，主成分包括：fe2o3:64wt％～67wt％，zno:12wt％～18wt％，nio:12％～19wt％，余量为cuo；
8.辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的0.01wt％～2wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.01wt％～0.05wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.01wt％～0.03wt％。
9.优选的，所述高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的磁导率范围为387～421，饱和磁通密度380～509mt，比损耗系数小于20
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。
10.优选的，包括如下过程：
11.将fe2o3粉末、zno粉末、nio粉末、cuo粉末、v2o5粉末、moo3粉末和co2o3粉末进行球磨混匀，得到混合料a；
12.将所述混合料a烘干后进行预烧，得到预烧料；
13.将所述预烧料进行球磨、烘干、成型、烧结，得到所述高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料。
14.将fe2o3粉末、zno粉末、nio粉末、cuo粉末、v2o5粉末、moo3粉末和co2o3粉末进行球磨混匀时，采用无水乙醇作为分散剂，氧化锆球为磨料，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：(4-5)：1.5的质量比添加，球磨转速为395～405r/min，球磨时间为3～5h。
15.预烧温度为800℃-980℃，预烧时间为4～10h。
16.对预烧料进行二次球磨时，采用无水乙醇作为分散剂，氧化锆球为磨料，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：(4-5)：1.5的质量比添加，球磨转速为395～405r/min，球磨时间为5～7h。
17.对球磨、烘干后的预烧料成型时，向混合料中加入pva胶水进行造粒，之后筛选出60～120目的颗粒，然后将筛选出的颗粒压制成环状毛坯，压制时的压力为9mpa-12mpa；
18.加入的pva胶水的重量为混合料重量的4wt％～8wt％。
19.烧结过程中，烧结温度为1050℃-1180℃℃，保温时间为2～6h。
20.本发明具有如下有益效果：
21.本发明高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料，通过控制主成分、副成分的组成及含量，在较低的烧结温度下制备出高频铁氧体磁芯，其饱和磁通密度加高，比损耗系数较小，本发明的材料能在工作频率下稳定工作，其起始磁导率为387～421，比损耗系数在100khz下测试值＜20
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，1khz、4000a/m下测试饱和磁通密度bs为380～509mt，因此本发明在高频电子通讯行业具有很大的应用潜力。
附图说明
22.图1为实施例1所制备的高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的b-h曲线。
23.图2为实施例2所制备的高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的b-h曲线。
24.图3为实施例3所制备的高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的b-h曲线。
25.图4为实施例4所制备的高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的b-h曲线。
具体实施方式
26.下面结合附图和是实施例来对本发明做进一步的说明。
27.针对目前国内对高bs低损耗的nicuzn系铁氧体材料的技术空白和需求，本发明提供了高bs低损耗的nicuzn系铁氧体材料及其制备方法。首先，以fe2o3、zno、cuo以及nio为原材料，制定最优的配方范围；其次，深入地分析了nicuzn系铁氧体添加v2o5添加剂对nicuzn系材料超交换作用的作用机制，并制定添加剂配方；接着，选用锆球球磨粉料至5μm以下，制
备了高活性粉末；最后，在上述配方、添加剂及粉末制备工艺优化的前提下，结合特定的烧结制度，在低温下制备了高bs低损耗的nicuzn系铁氧体材料。
28.本发明的具体方案阐述如下：
29.本发明所涉及的高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料主成分按重量百分比，以氧化物计算:主成分包括：fe2o3:64wt％～67wt％，zno:12wt％～18wt％，nio:12％～19wt％，余量为cuo；辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的0.01wt％～2wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.01wt％～0.05wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.01wt％～0.03wt％；
30.本发明上述高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
31.步骤1：按照上述配方称料；
32.步骤2：一次球磨
33.将步骤1称好的料粉以无水乙醇为分散剂进行球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4-5：1.5的质量比添加，球磨转速为395～405r/min，球磨时间为3～5h，并对球磨浆料进行烘干。
34.步骤3：预烧
35.将步骤2所得球磨料在800℃-980℃箱式马弗炉中进行预烧4～10h。
36.步骤4：二次球磨
37.将步骤3中得到的料粉以无水乙醇为分散剂进行二次球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4-5：1.5的质量比添加，球磨转速为395～405r/min，球磨时间为5～7h，对球磨后的浆料进行烘干。
38.步骤5：压制成型
39.将步骤4所得料粉按重量比加入4wt％～8wt％pva胶水，混匀，造粒后，将造好的球形颗粒使用60目及120目的筛网筛选，取60目、120目筛网之间的粉料，将上述粉料用30t全自动粉末成型机冷压成型为环状毛坯，成型压力为9mpa-12mpa。
40.步骤6：烧结
41.将步骤5所得坯件置于烧结炉内1050℃-1180℃烧结，保温时间为2～6h。
42.实施例1：
43.本实施例高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
44.步骤1：配方称料
45.主成分按重量百分比，以氧化物计算:主成分包括：fe2o3:64wt％，zno:13wt％，nio:19％，余量为cuo；辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的0.06wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.01wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.01wt％。
46.步骤2：一次球磨
47.将步骤1称好的料粉以无水乙醇为分散剂进行球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4：1.5的质量比添加，球磨转速为395r/min，球磨时间为3h，并对球磨浆料进行烘干。
48.步骤3：预烧
49.将步骤2所得球磨料在800℃箱式马弗炉中预烧4h。
50.步骤4：二次球磨
51.将步骤3中得到的料粉以无水乙醇为分散剂进行二次球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4：1.5的质量比添加，氧化锆球为磨料进行球磨，球磨转速为395r/min，球磨时间为5h，对球磨后的浆料进行烘干。
52.步骤5：压制成型
53.将步骤4所得料粉按重量比加入8wt％pva胶水，混匀，造粒后，将造好的球形颗粒使用60目及120目的筛网筛选，取60目、120目筛网之间的粉料，将上述粉料用30t全自动粉末成型机冷压成型为样环坯体，成型压力为9mpa。
54.步骤6：烧结
55.将步骤5所得坯件置于烧结炉内烧结，在1050℃保温2h。
56.对实施例1所制备样品进行磁性能及密度测试，数据如表2所示，实施例1所制备样品的b-h曲线入图1所示，从图1可以看出，实施例1所制备样品的bs为380mt。
57.实施例2：
58.本实施例高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
59.步骤1：配方称料
60.主成分按重量百分比，以氧化物计算:主成分包括：fe2o3:67wt％，zno:12wt％，nio:16％，余量为cuo；辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的0.01wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.02wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.02wt％。
61.步骤2：一次球磨
62.将步骤1称好的料粉以无水乙醇为分散剂进行球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：5：1.5的质量比添加，球磨转速为398r/min，球磨时间为5h，并对球磨浆料进行烘干。
63.步骤3：预烧
64.将步骤2所得球磨料在850℃箱式马弗炉中预烧6小时。
65.步骤4：二次球磨
66.将步骤3中得到的料粉以无水乙醇为分散剂进行二次球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：5：1.5的质量比添加，球磨转速为398r/min，球磨时间为7h，对球磨后的浆料进行烘干。
67.步骤5：压制成型
68.将步骤4所得料粉按重量比加入7wt％pva胶水，混匀，造粒后，将造好的球形颗粒使用60目及120目的筛网筛选，取60目、120目筛网之间的粉料，将上述粉料用30t全自动粉末成型机冷压成型为样环坯体，成型压力为10mpa。
69.步骤6：烧结
70.将步骤5所得坯件置于烧结炉内烧结，在1180℃保温6h。
71.对实施例2所制备样品进行磁性能及密度测试，数据如表2所示，实施例2所制备样
品的b-h曲线入图2所示，从图2可以看出，实施例2所制备样品的bs为422mt。
72.实施例3：
73.本实施例高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
74.步骤1：配方称料
75.主成分按重量百分比，以氧化物计算:主成分包括：fe2o3:66wt％，zno:18wt％，nio:12％，余量为cuo；辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的2wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.05wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.03wt％。
76.步骤2：一次球磨
77.将步骤1称好的料粉以无水乙醇为分散剂进行球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4.5：1.5的质量比添加，球磨转速为405r/min，球磨时间为4h，并对球磨浆料进行烘干。
78.步骤3：预烧
79.将步骤2所得球磨料在980℃箱式马弗炉中预烧10h。
80.步骤4：二次球磨
81.将步骤3中得到的料粉以无水乙醇为分散剂进行二次球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：4.5：1.5的质量比添加，球磨转速为405r/min，球磨时间为7h，对球磨后的浆料进行烘干。
82.步骤5：压制成型
83.将步骤4所得料粉按重量比加入4wt％pva胶水，混匀，造粒后，将造好的球形颗粒使用60目及120目的筛网筛选，取60目、120目筛网之间的粉料，将上述粉料用30t全自动粉末成型机冷压成型为样环坯体，成型压力为11mpa。
84.步骤6：烧结
85.将步骤5所得坯件置于烧结炉内烧结，在1160℃保温4小时。
86.对实施例3所制备样品进行磁性能及密度测试，数据如表2所示，实施例3所制备样品的b-h曲线入图3所示，从图3可以看出，实施例3所制备样品的bs为438mt。
87.实施例4：
88.本实施例高饱和磁通密度低损耗nicuzn软磁铁氧体材料的制备方法，包括以下步骤：
89.步骤1：配方称料
90.主成分按重量百分比，以氧化物计算:主成分包括：fe2o3:65wt％，zno:17wt％，nio:17％，余量为cuo；辅助成分包括v2o5、moo3和co2o3，以重量百分比计，v2o5的含量为主成分总重量的0.1wt％，moo3的含量为主成分总重量的0.03wt％，co2o3的含量为主成分总重量的0.01wt％。
91.步骤2：一次球磨
92.将步骤1称好的料粉以无水乙醇为分散剂进行球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：5：1.5的质量比添加，球磨转速为399r/min，球磨时间为5h，并对球磨浆料进行烘干。
93.步骤3：预烧
94.将步骤2所得球磨料在920℃箱式马弗炉中预烧8小时。
95.步骤4：二次球磨
96.将步骤3中得到的料粉以无水乙醇为分散剂进行二次球磨，氧化锆球为磨料进行球磨，粉末：氧化锆球：无水乙醇按1：5：1.5的质量比添加，球磨转速为399r/min，球磨时间为6h，对球磨后的浆料进行烘干。
97.步骤5：压制成型
98.将步骤4所得料粉按重量比加入6wt％pva胶水，混匀，造粒后，将造好的球形颗粒使用60目及120目的筛网筛选，取60目、120目筛网之间的粉料，将上述粉料用30t全自动粉末成型机冷压成型为样环坯体，成型压力为12mpa。
99.步骤6：烧结
100.将步骤5所得坯件置于烧结炉内烧结，在1120℃保温3h。
101.对实施例4所制备样品进行磁性能及密度测试，数据如表2所示，实施例4所制备样品的b-h曲线入图4所示，从图4可以看出，实施例4所制备样品的bs为509mt。
102.各实施例原料的配比如表1所示：
103.表1
104.成分fe2o3znoniocuov2o5moo3：co2o3实施例164wt％13wt％19％wt％余量0.06wt％0.01wt％0.01wt％实施例267wt％12wt％16％wt％余量0.01wt％0.02wt％0.02wt％实施例366wt％18wt％12wt％余量2wt％0.05wt％0.03wt％实施例465wt％17wt％17％wt％余量0.1wt％0.03wt％0.01wt％
105.经过以上工艺制备出的高bs低损耗的nicuzn系铁氧体材料，起始磁导率μi、比损耗系数tanδ/μi用keysight4980al精密lcr表，饱和磁感应强度bs.剩余磁感应强度br和矫顽力hc用iwatsusy-8218b-h分析仪测试，密度(ρ)用阿基米德原理测试，其性能指标如表2所示:
106.表2
[0107][0108]
从上述表格可以看出，本专利所述功率器件用低损耗nicuzn铁氧体材料最优性能如下：初始磁导率(μi)为421，bs在1khz、4000a/m下测试为509mt，比损耗系数(tanδ/μi)≤20
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[0109]
应当理解，本发明的实施并不局限于上面的实施例，对本发明所做的任何形式的变通或改变均在本发明保护范围。