一种低功耗软磁Mn-Zn铁氧体及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铁氧体，具体涉及一种低功耗软磁Mn-Zn铁氧体及其制备方法。【背景技术】
[0002] 软磁铁氧体材料是一种在较弱的磁场作用下，很容易被磁化和退磁的铁氧体材 料。作为发展早、种类多、用途广泛的材料，软磁铁氧体已经成为经济发展中较为重要的产 品之一。近年来，随着计算机网络技术、通信技术和电力技术等电子信息技术的发展，传统 领域对性能优良的软磁铁氧体材料的需求不断增加。软磁铁氧体的应用也不断延伸至其它 的领域，业已成为各种通信设备、计算机、家用电器、汽车电子、电源装置、仪器仪表、航天工 业等不可缺少的一种基础材料。尖晶石型的Mn -Zn铁氧体是应用最多的软磁铁氧体材料， 其产量占软磁铁氧体材料的80%以上。
[0003] 由于工艺简单，配方准确，工业制备Mn-Zn铁氧体通常使用干法工艺。所谓的干法 即氧化物法，即选用一定配比的氧化铁、氧化锌和氧化锰等原料，经混合、球磨、干燥、预烧、 粉碎、掺杂、二次球磨、造粒、成型和烧结等工艺制备而成。干法工艺存在固有缺陷：采用氧 化物作为原料，由于各氧化物成分的反应活性不高，无法保证微观级别的混合均匀。在高温 阶段，虽然反应温度高达一千多度，但仍然无法避免各成分在扩散反应时速率的不同，从而 使材料的成分发生偏析，微观结构不够均匀。此外，在球磨时，氧化物容易团聚，使粉料的均 匀性下降。过长的球磨时间会生成过量铁并带入杂质。这些都导致了产品质量的不稳定， 限制了锰锌铁氧体材料的性能的进一步提升。目前国内许多磁性材料公司以及部分大学和 科研机构都在自主研发Mn-Zn铁氧体材料，但是受到设备、制备和烧结工艺等的限制，国内 的产品性能与国外著名公司相比，功耗仍然偏高（350kW/m 3左右，《超低功耗MnZn铁氧体研 制》，电子科技大学硕士论文，许志勇；《高温高Bs低功耗锰锌铁氧体的研制》，电子科技大 学硕士论文，赵辉)，主要集中在中低端产品。
[0004] 开关电源是一种使用电力和电子技术来控制开关的开通和切断的时间比率，从而 维持电压稳定输出的电源。随着电力和电子技术的进步，促使开关电源技术得到长期地发 展。目前，开关电源由于其高效化、轻量化和小型化等诸方面的特点，得以被广泛地应用在 工业自动化控制装备、科研设备、仪器仪表、军工设备、视听产品、通讯设备、电力设备等几 乎所有的电子设备，是电子信息工业快速发展的重要电源方式。随着电子器件向高性能化、 轻量化、小型化方向发展，作为高频化开关电源核心的Mn-Zn铁氧体的功率损耗的降低要 求越来越高。国内的产品性能与国外著名公司相比，功耗仍然偏高（350kW/m 3左右)。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种低功耗软磁Mn-Zn铁氧体。
[0006] 本发明的另一个目的是提供该低功耗软磁Mn-Zn铁氧体的制备方法。
[0007] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的： 一种低功耗软磁Mn-Zn铁氧体，该铁氧体材料是由主成分及辅助成分组成的，主成分 含量以氧化物计算为=Fe2O3 52. 75%、ZnO 10. 45%、MnO 36. 8% ;辅助成分含量以氧化物计算 为：MoO3 0? 〇6%，Bi2O3 0? 〇3% 和 CaO 0? 〇2% ; 该低功耗软磁Mn-Zn铁氧体的制备方法，是由以下步骤制备得到的： 1) 一次球磨：按照摩尔百分比将各组份混合：Fe20352. 75%、Zn010. 45%、Mn036. 8%，将混 合后的原料和去离子水按照10:1质量比混合，钢球球磨，得粉料； 所述钢球的直径6mm，球磨时间2h，转速300r/min，粉料的粒径为I ym ; 2) 预烧：将粉料置于马弗炉中预烧，600°C之前升温速率为200°C /h，600°C _920°C升温 速率为IOOtC /h，920°C保温2h，然后随炉冷却，得预烧料； 3) 二次球磨：按总重量百分比添加占粉料0. 06%的MoO3,0. 03%的Bi2O3和0. 02%的CaO 作为添加剂，通过钢球球磨，得球磨料； M〇03、Bi2O3和CaO可以抑制粉料团聚，提尚颗粒均勾性，促进各氧化物混合均勾，提尚 反应活性，提尚晶粒大小，减少成型时的缺陷和间隙。
[0008] 由于预烧料固相反应不完全，其晶粒尺寸分布不均匀，需要再进行二次球磨。二次 球磨的主要作用有两个：预烧之后，只有部分尖晶石型的铁氧体生成。通过二次球磨可以使 混合物再次被粉碎均匀，同时使部分被包裹在反应层内部的原料暴露出来，利于后续烧结 过程中铁氧体的生成；通过二次球磨使粉料颗粒变细，具有高的烧结活性，促进了材料在烧 结过程中的致密化以及晶粒的生长。
[0009] 所述钢球的直径6mm，球磨时间2h，转速300r/min; 4) 冷冻造粒：按照球磨料和胶水9:1的质量比进行混合，造粒，60目筛多次过筛，筛余 舍弃，得粒料；将粒料投入液氮中冻结水分，得冷冻料； 5) 低温真空干燥：将冷冻料迅速置于真空腔室中，气压低于60Pa条件下，加热粒料至 25-30°C，升华冷冻料中的水分，得干燥料； 常规的干燥手段水分蒸发过快容易产生毛细压力导致粒料的扩散和凝结，从而降低成 分和形态的均匀性，增大磁滞损耗。本发明采用冷冻造粒和低温真空干燥，粒料中的水分冻 结成冰，在低温真空环境中升华干燥，这样得到的粒料密度、形态均一，而且不会在内部产 生孔洞。更重要的是采用这种技术，可以避免毛细压力和粒料塌陷收缩，经过压制成型后形 成均一密实的微观结构。
[0010] 注意粒料适度分散利于水分的升华。
[0011] 6)成型：用6X IO7Pa的压力将干燥料压制成圆环形坯件； 本发明的成型方法工艺简单，所制备的坯件尺寸精确、含水量低、烧结时收缩率低、致 密性和机械强度较好。
[0012] 7)烧结：将圆环形坯件在一定条件下烧结，300°C之前升温速率为100°C /h， 300°C 保温 0? 5h ;300°C _900°C 升温速率为 100°C /h ;900°C -IKKTC 升温速率为 80°C / h，960-1050°C的范围内氧分压为0. 1-0. 2%02，1050-1100°C范围内氧分压为0. 3%02 ; IlOOcC -136(TC升温速率为 KKTC /h ;136(TC保温 4h，氧分压为 4%02 ;136(TC -IKKTC 降温 速率为l〇〇°C /h ;1100°C -800°C降温速率为120°C /h ;800°C后降温速率为80°C /h，冷却至 室温，即可制得本发明的低功耗软磁Mn-Zn铁氧体。
[0013] Mn-Zn功率铁氧体的烧结分为升温、保温和降温这三个阶段。各个阶段对于温度和 气氛的要求如下： 升温阶段：Mn-Zn功率铁氧体的升温阶段可以细分为坯件剩余水分挥发、排胶和加热 到最高温度三个阶段。其中，坯件剩余水分的挥发一般在100-200°C范围内完成。坯件的排 胶在250-600 °C范围内进行，大约在300 °C时排胶速率达到最大。因此，本发明在300 °C处保 温30分钟，以防止此段升温速率太大导致坯件发生开裂。同时，需要注意的是，排胶阶段应 保证挥发区有较好的空气流通，使坯件挥发出来的胶水被全部排出。排胶阶段结束后，坯件 将进入升温区。由于升温速率对坯件内部的离子扩散、晶粒形成与长大以及气孔的排出有 重要的影响。
[0014] 需要注意的是在900-1KKTC范围内升温时宜采用慢速，以保证坯件的晶粒能够均 匀生长，达到致密化的目的。
[0015] 保温阶段：由于坯件在保温阶段要经历晶粒的生长、尺寸的收缩、气孔的排出以及 最终的固相反应并生成铁氧体，因此烧结温度和保温时间的选择至关重要。过低的烧结温 度将导致坯件固相反应不充分，晶粒尺寸小、气孔率高，从而使磁性能恶化；而过高的烧结 温度又会使坯件的晶粒生长异常，导致微观结构变得不均匀，发明人研究发现最佳烧结温 度为 1360 °C。
[0016] 降温阶段：在降温阶段也采用分段不同速率降温方式。
[0017] 氧分压控制：Mn-Zn功率铁氧体在降温阶段要严格控制氧含量的变化，使其达到 平衡的气氛，以防止氧化分解。在降温过程中，需要通过大小流量计实时调节氧分压。降温 阶段的氧含量遵从Morineau计算式：
其中IogZ5O2是氧分压值，r是绝对温度。由此方式可以计算出降温过程中每个温度对 应的氧分压值。企业实际操作中，一般将温度间隔设置为l〇°C，使炉体内每隔KTC的氧分 压值都对应上即可。
[0018] 该铁氧体材料性能特征在于，在100KHz、200mT、100°C条件下，材料的功耗最低为 280kff/m 3〇
[0019] 所述的，圆环形还件的尺寸为17mmXhllmm。
[0020] 所述的，胶水为聚乙烯醇和水按照9:1的质量比混合制得的。
[0021] 本发明通过对制备过程中原料选择、物料配比、工艺参数的优化，如冷冻造粒、低 温真空干燥、烧结温度等的控制，使得本发明的低功耗软磁Mn-Zn铁氧体的总功耗低至 315kff/m 3〇
【附图说明】
[0022] 图1为实施例1的功率损