烧结对低功耗掺杂MnZn铁氧体性能的影响

MnZn功率铁氧体发展趋势探讨

海宁市联丰磁业有限公司 严剑峰 李永劬 郭凤鸣

摘要 介绍了MnZn功率铁氧体材料及其制备工艺的近况和发展趋势。

1 前言

软磁铁氧体材料的发明与实用化，至今已有70多年。由于它具有高磁导率、高电阻率、低损耗、易于加工成各种形状以及主要原材料成本相对价格较低等优点，因而可以用它制作成各种电子变压器、开关电源、逆变器、滤波器、扼流圈、电感器、电子镇流器等，广泛应用于家用电器、计算机、手机、通信、办公自动化、显示器、远程监控、电磁兼容、绿色照明、环保节能等领域。软磁铁氧体的应用领域还在不断扩展，目前在汽车电子、新能源领域又获得了大量应用。软磁铁氧体是现代信息产业中最重要的基础功能材料之一，与国家经济和人民的日常生活息息相关。

最近几十年来软磁铁氧体始终保持着快速发展的势头，其中MnZn铁氧体约占软磁铁氧体总产量的70%左右, 而MnZn功率铁氧体占MnZn铁氧体总产量的70%左右, 所以国内外各个铁氧体公司非常重视对MnZn功率铁氧体材料的研究，投入了大量人力、物力、财力在这个领域中。

目前国内MnZn功率铁氧体的发展已从热衷于新材料开发延伸到重视生产工艺研究和生产设备开发。

2 MnZn功率铁氧体材料发展趋势探讨

2.1 低损耗材料的发展趋势

降低损耗，这一技术趋势一直是功率铁氧体材料几十年来的主要发展特征。综合半导体和电子线路技术的发展状态，几十年来开关电源的工作频率普遍在20～300kHz左右。针对这一需求，日本TDK公司陆续推出了具有代表性的PC30、PC40、PC44、PC47等低损耗材料，这些材料的典型特征是不断降低功率损耗（f=100kHz,B=200mT）。我司也相继推出了NH2A、NH2B、NH2C低损耗材料，更低损耗的NH2G材料（相当于TDK的PC47）在试验室中已开发成功，目前正在生产中试。

表1为国际先进铁氧体公司低损耗材料牌号与我司的对照。海宁市联丰磁业有限公司（简称“联丰磁业”）低损耗材料NH2C、NH2G的主要技术性能见表2

软磁铁氧体烧结过程的质量问题现象及解决措施

一、烧结条件对磁性能的影响

烧培条件对铁氧体的磁性能有很大影响。烧结温度、烧结气氛和冷却方式是烧结条件的三个主要方面.

（一)烧结温度对磁性能的影响

一般说来，烧结温度偏低时，晶粒大小不均匀，气孔分散于晶界和晶粒内部，呈不规则多面形.磁导率μi和剩磁感应强度Br都较低，但是矫顽力HCB较大。烧结温度适当,则晶粒趋于均匀、气孔呈球形、烧结密度较低、磁导率μi和剩磁感应强度Br较大，矫顽力HCB有所减少。烧结温度过高时，晶粒虽然增大,但是由于内部的气孔迅速膨胀，有的杂质发生局部熔融而使晶界变形，则不仅烧结密度低，磁导率μi和剩磁感应强度Br也将显著下降，机械性能极其脆弱，无实用价值。

对软磁铁氧体而言，在一定的烧结温度范围内,初始磁导率μi随烧结温度升高而增大,损耗角正切tgδ也随温升而增大（即Q值减少).对硬磁铁氧体而言,烧结温度高，剩磁感应强度Br也高，而矫顽力HCJ减小。对旋磁铁氧体而言；烧结温度高，则饱和磁化强度也较高。在生产中，必须针对各种材料的不同特点,结H合产品的其它性能要求而区别对待，由试验确定最佳的烧结温度.

(二）烧结气氛对磁性能的影响

气氛条件对铁氧体烧结非常重要，尤其对含有易变价的Mn，Fe,Cu，Co等金属元素的铁氧体，在烧结过程中随着氧分压和温度的变化而发生电价的变化以至相变，过度的氧化与还原，就有另相析出（如α-Fe2O3,FeO，Fe3O4，Mn2O3等），将导致磁性能的急剧变化。 在升温阶段，因为还没有形成单一尖晶石相,对周围气氛要求不苛刻，在空气中、真空中或氮气中升温均可；在保温过程中，由于发生了气孔的排除、晶粒的长大和完善、单一结构铁氧体的生成，这些均要求控制好烧结气氛。可以说，烧结气氛是影响磁性能的一个重要因素。烧结气氛和固相反应速度、产物及微观结构均有直接关系。因此要控制好烧结气氛来生产各种不同性能的铁氧体(如各种高磁导率、低损耗、高密度的软磁铁氧体和高电阻率的旋磁铁氯体等）。

锰锌铁氧体工字电感耐压值主要受到其材质和工艺的影响。在工字电感的设计和制造过程中，需要考虑到其使用环境和应用要求，以选择合适的材料和工艺。

一般来说，锰锌铁氧体的耐压值取决于其制造过程中的烧结温度和压力，以及所添加的元素种类和含量。为了提高工字电感的耐压值，可以采取以下措施：

1. 增加烧结温度和压力：高温高压的烧结条件可以提高锰锌铁氧体的致密度和晶格常数，从而提高其耐压性能。

2. 添加增强耐压的元素：例如添加Co、Ni、Cu等元素可以改变铁氧体的微观结构和晶格常数，从而提高其耐压性能。

3. 优化工字电感的结构设计：通过优化工字电感的线圈匝数、线径、气隙等结构参数，可以提高其自感和互感系数，从而降低其电压和电流的密度，提高其耐压性能。

需要注意的是，提高工字电感的耐压性能可能会对其磁导率和损耗产生影响。因此，在设计和制造工字电感时，需要综合考虑其性能要求和使用环境，以选择合适的材料和工艺。同时，为了确保工字电感的可靠性和稳定性，还需要进行一系列的测试和验证。

第２　９卷第５期　２００７年１０月　压电与声光　ＰＩＥＺ（）ＥＬＥＣＴＥＣＴＲＩＣＳ＆　ＡＣＯＵＳＴ０（）ＰＴＩＣＳ　Ｖｏ１．２９　ＮＯ．５　０ｃｔ．２ＯＯ７　文章编号：１００４　２４７４（２００７）０５—０５７１　Ｏ３　

柠檬酸盐自蔓延法低温烧结ＭｎＺｎ铁氧体　侯军刚，马卫兵，孙风云，王胜军，孙清池　（天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室，天津３０００７２）　摘要：以硝酸铁、硝酸锌、硝酸锰和柠檬酸为原料，利用干凝胶自蔓延燃烧工艺合成纳米级ＭｎＺｎ铁氧体粉　体，）（＿衍射（ＸＲＤ）分析了粉体的晶体结构。通过纳米粉体及添加助烧剂，低温合成了一系列的Ｍｎ　Ｚｎ　ＦｅｚＯ　＋　ｘＢｉ　Ｏ。／ＣｕＯ／（ＣｕＯ－Ｂｉ　Ｏ。）铁氧体（　一０～５　，质量分数）。利用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、振动样品磁强计（ＶＳＭ）　研究了烧结ＭｎＺｎ铁氧体的成相、致密化和磁性能。实验结果表明，通过制备纳米级ＭｎＺｎ铁氧体粉体、离子代换　及添加助溶剂的作用可明显降低烧结温度，有利于控制ＭｎＺｎ铁氧体化学成分和显微结构．改善铁氧体的磁性能，　有望用作ＬＴＣＣ材料。　关键词：ＭｎＺｎ铁氧体；柠檬酸盐自蔓延；低温烧结；磁性能　中图分类号：ＴＭ２８２　文献标识码：Ａ　Ｌｏｗ　Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＭｎＺｎ——ｆｅｒｒｉｔｅ　ｂｙ　Ｃｉｔｒａｔｅ　Ａｕｔｏ——Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＨＯＵ　Ｊｕｎ－ｇａｎｇ，ＭＡ　Ｗｅｉ—ｂｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｆｅｎｇ—ｙｕｎ，ＷＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇ－ｊ　ａｎ，ＳＵＮ　Ｑｉｎｇ－ｃｈｉ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂ．ｆｏｒ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃ　ａｎｄ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｆｔ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ＭｎＺｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｅｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｃｉｔｒａｔｅ　ａｕｔｏ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｕ—　ｓｉｎｇ　Ｍｎ（ＮＯ３）２，Ｆｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ，ａｎｄ　Ｚｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ　ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｃｉｔｒｉｃ　ａｃｉｄ．Ｔｈｅ　ｐｏｗｄｅｒ　ｗａｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｅｄ　ｂｙ　Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）．Ａｔ　８５０～９５０　Ｃ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｍｎ０　６　Ｚｎｏ　４　Ｆｅ２Ｏ｝＋ｘＢｉ２０３／ＣｕＯ／（ＣｕＯ－　Ｂｉ２　Ｏ３）（．１７—０～５　）ｏｎ　ｐｈａｓｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅ　ｍａｇｎｅｔｏｍｅｒｔｅｒ（ＶＳＭ）．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｗａｓ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｌｏｗ　ｔｈｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＭｎＺｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｂｙ　ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃａｌ　ｐｏｗｅｒｓ，ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｎｇ　ｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｏｐｉｎｇ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ．Ｉｔ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｅｎ　ｔｈａｔ　ＭｎＺｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｃａｎｄｉｄａｔｅ　ＬＴＣＣ　ｍａｔｅｒｉａ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭｎＺｎ　ｆｅｒｒｉｔｅ；ｃｉｔｒａｔｅ　ａｕｔｏ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ；ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ＭｎＺｎ铁氧体广泛应用于通讯和电子工业。　由于整机向多功能、高频化和小型轻量化发展，要求　ＭｎＺｎ铁氧体材料的性能不断改善　，其关键因素　之一是低温烧结　软磁铁氧体材料的烧结特性和　磁性能。制备ＭｎＺｎ铁氧体粉体的方法口　有化学　沉淀法、球磨法、水热合成法、微乳液法和溶胶一凝胶　法等。柠檬酸盐自蔓延法，在液相中控制组分含量，　实现分子／原子水平上的均匀混合，使粉体具有纯度　高，均匀性好和合成温度低等优点。鉴于柠檬酸盐　自蔓延法制备ＭｎＺｎ铁氧体的低温合成报道少，同　时ＭｎＺｎ铁氧体的低温烧结特性及掺杂对磁性能　与显微结构的影响也受普遍关注，用柠檬酸盐自蔓　延法的合成工艺研制出了超细ＭｎＺｎ铁氧体粉体。　在低温８５０～９５０　Ｃ用石墨埋烧法合成了一系列的　ＭｎＺｎ铁氧体，研究了加入Ｂｉ。Ｏ。、ＣｕＯ和ＣｕＯ—　Ｂｉ　Ｏ。对磁性能和烧结特性的影响，并探索了低温　烧结ＭｎＺｎ铁氧体用做ＬＴＣＣ材料的可能性。　ｌ　试验部分　１．１　ＭｎＺｎ铁氧体粉料的合成　用分析纯的硝酸铁、硝酸锰、硝酸锌、柠檬酸、氨　水、硝酸及去离子水为主原料，分析纯的硝酸铜、硝　酸铋为添加剂原料。以Ｍｎ　Ｚｎ　Ｆｅ２０　为名义化　学式计量，将硝酸盐溶于１３０　ｍＬ的去离子水中，混　合、搅拌，形成均匀的褐色透明溶液；柠檬酸按摩尔　数比１：１～１：１．５称量，缓慢加入到配制溶液中，　适当加热约４０℃并搅拌，形成均匀的溶液；利用氨　水和硝酸调节溶液ｐＨ值约为５．０，６０。Ｃ加热搅拌　６　ｈ，静置６　ｈ，在烘箱中加热放置以形成褐色的透明　溶胶后，１１０　Ｃ左右加热１２　ｈ，形成黑褐色的干凝　胶；干凝胶在马弗炉中加热，在２１０℃左右发生剧烈　燃烧，同时释放大量的浓烟和气体，黑红色的粉末膨　胀充满烧杯，将粉末于６００。Ｃ灼烧１　ｈ即可得纳米　级的立方尖晶石结构的ＭｎＺｎ铁氧体。　收稿日期：２００６　０７－２１　作者简介：侯军刚（１９８１一），男，陕西宝鸡人，硕士生，主要从事无机非金属材料的研究。