高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料及其製備方法

2023-10-04 04:21:24

高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料及其製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料，包含如下含量的主成分：Fe2O3為48～52mol％、ZnO為18～22mol％、NiO為25～29mol％、餘量為CuO；相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分：Bi2O3為0.01～0.04wt％、Nb2O5為0.01～0.05wt％、SnO2為0.01～0.06wt％、V2O5為0.02～0.06wt％。本發明鎳鋅鐵氧體材料特別適合在更高寬頻率、較低電壓下工作，且在常溫與高溫均具有較高的飽和磁通密度，還可在直流疊加很大、集成度較高的複雜應用場合實現更穩定的電感功能。
【專利說明】高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材 料及其製備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子器材及其製備，更具體地說，本發明涉及一種磁性材料及其製備 方法。

【背景技術】
[0002] 社會信息化不斷向前發展，對電子產品及器件的高頻化（如ΙΟΚΗζ-ΙΟΜΗζ)、高效 化、小型化方面需求日益強烈，對其中的高頻鐵氧體材料多方面性能也提出了越來越高的 要求：
[0003] -般來說，軟磁鐵氧體材料主要有錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。其中，錳鋅鐵氧體相 對於鎳鋅鐵氧體具有較高的飽和磁通密度Bs、較高的起始磁導率μ i等特點，但是，因為錳 鋅材料晶粒結構緻密，電阻率一般在IO3Qm數量級以下，其磁化過程以疇壁位移為主，在低 頻下就發生疇壁共振，所以錳鋅鐵氧體磁芯的應用頻率和電阻率較低，在電子設備日益小 型化、高頻化的趨勢下，電感元件的磁芯很容易就與接近其的銅芯線發生高壓擊穿；為此， 磁芯與線圈端子、引出線之間就必須要保持相當大的絕緣距離，或採取嚴密的絕緣措施，才 能確保必要的絕緣耐壓，但這樣勢必導致電感器體積增大；而且，在高頻下工作的鐵氧體器 件必須考慮材料的截止頻率和渦流損耗，隨著工作頻率的提高，材料的渦流損耗會增加很 快。
[0004] 與之相比較，鎳鋅材料屬於多孔細晶粒結構，其電阻率高，一般在106Ωπι以上數量 級，其磁化過程是疇壁轉動為主，而以疇壁轉動為主且是在高頻下發生自然共振，因此鎳鋅 材料不僅電阻率高，其應用頻段也可以較錳鋅材料的更高；如果採用電阻率在IO 6Qm以上 的鎳鋅系鐵氧體，則所述絕緣、耐壓問題就容易解決；而且，鎳鋅鐵氧體的渦流損耗在高頻 下佔用總損耗的60%以上，擁有較高電阻率可以顯著降低材料工作中的渦流產生的損耗， 可以在較高的頻率下正常工作，擁有較高的截止頻率，因此可以具有較寬的工作頻率範圍。
[0005] 另外，商飽和磁通密度有利於器件小型化，商直流置加性能可以提商抗直流磁場 幹擾的能力，較高的居裡溫度能更好適應小型化帶來的溫度波動範圍的擴大，從而降低器 件空間狹小化或平面化後發熱增加不能及時散熱以致器件不能正常工作的風險；
[0006] 而且，電子產品中的器件需越來越密集地集成在電路板上與其他器件一起工作， 在工作時不可避免地受到其他器件產出的直流場的幹擾，受其他工作器件形成的不同磁場 的擾動，器件如要正常工作，需提高自身的抗幹擾能力，對於電感器，則需適應越來越複雜 的電場、磁場幹擾，自身的電感不能有顯著的跌落，以保證擾動下仍能具有足夠電感量配合 其他器件一起正常工作。
[0007] 總之，隨著社會發展，鎳鋅鐵氧體除了需要擁有高電阻率、可應用於較高的頻率範 圍外，還需進一步同時擁有高飽和磁通密度、高直流疊加性能、高居裡溫度，才能更好地實 現器件的小型化，集成化，多功能化。但是，如此優異的鐵氧體材料仍是有關業界努力追求 的目標。


【發明內容】

[0008] 為解決目前磁材所面臨的上述問題，本發明提供了一種高飽和磁通密度、高直流 疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料及其製備方法，其具有如下優點：製得的鎳鋅鐵氧體材 料特別適合在更高寬頻率、較低電壓下工作，且在常溫與高溫均具有較高的飽和磁通密度， 還可在直流疊加很大、集成度較高的複雜應用場合實現更穩定的電感功能。
[0009] 為此，本發明的技術解決方案是一種一種高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫 度的鎳鋅鐵氧體材料，其特徵在於：包含如下含量的主成分：Fe 2O3為48?52mol%、ZnO為 18?22mol%、NiO為25?29mol%、餘量為CuO ;相對主成分的總重量還包含如下含量的 副成分=Bi2O3 為 0· 01 ?0· 04wt%、Nb2O5 為 0· 01 ?0· 05wt%、SnO2 為 0· 01 ?0· 06wt%、 V2O5 為 0· 02 ?0· 06wt%。
[0010] 本發明的高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料，採用四元 系主配方，並配合加入幾種精選副成分，經過四種原材料的一次混合、預燒，加入副成分初 粉後二次混合、成型、燒結而製成；其中的四元系原料配方為後續的副成分作基礎，副成分 起到輔助與促進作用，使得壓制的生坯易於燒結、晶粒均勻，氣孔率降低，燒結密度提高，進 而獲得較傳統鎳鋅鐵氧體材料更高的飽和磁通密度、更高抗直流疊加能力，更高居裡溫度 的高性能鎳鋅軟磁材料。
[0011] 從以下實施例具體得到的數據可以看出，本發明鎳鋅軟磁材料製得的磁芯及電感 元件，比之傳統磁芯，除了能夠適合更高寬工作頻率，且在常溫高直流疊加下，其電感數值 能夠高出20%以上，直流疊加性能大幅改善；由實施例的磁芯的電感參數組合可見，本發 明軟磁材料還在常、高溫下飽和磁通密度、居裡溫度等參數方面，得到了多方面的提升。因 此，本發明軟磁材料能在集成度較高場合、以更穩定的直流疊加適應性能，更寬的溫度適用 範圍，保證所應用的器件更為穩定地運行，特別適合推廣應用於要求直流疊加很大、電壓較 低、頻率較高的電感器、濾波器等諸多品種。
[0012] 而且，工作頻率在IMHz以上時，錳鋅鐵氧體的電阻率通常為5-30 Ω · m，而本發明 鎳鋅軟磁材料具有> 1〇6Ω ·Π 1的高電阻率，其性能大大優於錳鋅鐵氧體，非常適用於高頻 使用。
[0013] 為了進一步優化鎳鋅鐵氧體材料的組分配比，本發明鎳鋅鐵氧體材料還包括如下 的改進：
[0014] 相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分：Co2O3為0?0. 025wt%。
[0015] 為了進一步優化磁材料各項性能參數的整體組合、針對直流疊加提供更為穩定、 優良的性能匹配，本發明軟磁材料還包括如下的改進：
[0016] 所述鎳鋅鐵氧體材料的居裡溫度Tc > 330°C，電阻率P大於I X IO6 Ω · m。
[0017] 在4000A/m測試條件下，25°C時所述鎳鋅鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs > 470mT， 其剩磁密度Br 390mT，其剩磁 密度 Br < 250mT。
[0018] 所述鎳鋅鐵氧體材料密度P = (5. 15±0. 05) X 103kg/m3。
[0019] 相應地，本發明的另一技術解決方案是一種如上所述高飽和磁通密度、高直流疊 力口、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料的製備方法，該製備方法包括如下步驟，
[0020] 步驟A:對主成分含量進行配比，然後在砂磨機中加入去離子水進行混合和破碎， 再循環混合後加入PVA溶液，進行噴霧造粒；
[0021] 步驟B :將噴霧造粒後的主成分烘乾後放入預燒爐內進行預燒；
[0022] 步驟C :對經預燒的主成分加入副成分初粉，然後將主成分與副成分初粉放入砂 磨機中加入去離子水、PVA和消泡劑進行二次砂磨，製得粒度為0. 70?1. 00 μ m的磨細粉 料；
[0023] 步驟D :將磨細粉料再進行噴霧造粒，製得50?200 μ m的噴霧粉料；然後將噴霧 粉料壓製成型，製得密度為3. 20?3. 30g/cm3的生坯；
[0024] 步驟E :將生坯在空氣氣氛爐中1180?1250°C的溫度條件下燒結定型，冷卻後制 得所述鎳鋅鐵氧體材料。
[0025] 本發明軟磁材料的製備方法在組分配方的基礎上，配合組分配方促進晶粒細化、 均勻化分布，簡捷、高效地生產製得具有更高飽和磁通密度高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅 鐵氧體材料；本發明製備方法製得的軟磁材料特別適合在直流疊加很大、頻率較高的場合 應用。
[0026] 為了提高破碎的效果、優化主成分工藝和理化性能，本發明製備方法還包括如下 改進：
[0027] 所述步驟A中：所述破碎持續25?35分鐘，所述循環混合持續8?15分鐘。
[0028] 為了提高進一步優化主成分工藝和理化性能、改進後續燒結反應的晶體結構，本 發明製備方法還包括如下改進：
[0029] 所述步驟B中：預燒爐中溫度控制在820?880°C，預燒爐保溫持續2?3小時。
[0030] 所述步驟C中：二次砂磨持續時間為60?80分鐘。
[0031] 所述步驟E中，燒結時間為2-4小時。
[0032] 本發明軟磁材料的上述製備方法，在燒結工藝上：通過控制升溫速率、以緩慢升溫 進一步促保晶粒緻密生長；通過控制升溫速率、保溫時間及氣流速率，以控制材料中氣孔大 小及數量；適當延長保溫時間，促進固相反應完全、晶粒生長均勻、減少氣孔和異相；以獲 得高密度高飽和磁通密度的鎳鋅鐵氧體材料。
[0033] 實驗證明，本發明軟磁材料的製備方法對於實現軟磁材料的整體優良性能確實效 果顯著。
[0034] 以下結合具體實施例對本發明做進一步說明。

【具體實施方式】
[0035] 實施例1 :
[0036] 1、配料和噴霧造粒：
[0037] 稱取？6203:50.0111〇1%;附0:26111〇1% ;2110:20.3111〇1%，〇10:3.7111〇1%四種原料，然 後在砂磨機中加入一定比例去離子水進行混合和破碎，破碎30分鐘，進行循環混合10分鐘 後加入一定量PVA溶液，進行噴霧造粒。
[0038] 2、預燒：
[0039] 將噴霧料放入預燒爐內，在840°C下保溫3小時進行預燒，。
[0040] 3、二次砂磨：
[0041] 在預燒料中加入以下按預燒料重量百分比的輔助成分：〇. 03wt% Bi203、0. 02wt% Nb205、0. 05wt% Sn02、0. 02wt% V205、0. 014wt% C〇203。然後將粉料方文入砂磨機中力口入去離 子水進行二次砂磨，砂磨時間為65分鐘，粉料粒度控制在0. 85?0. 95 μ m。
[0042] 4、噴霧造粒和成型：
[0043] 在二次砂磨中加入一定比例的PVA和消泡劑，然後在噴霧塔中進行噴霧造粒成 50?200 μ m的顆粒；然後成型，生坯密度在3. 20g/cm3左右；
[0044] 5、燒結：
[0045] 在空氣氣氛下，在1250°C的溫度條件下保溫3小時燒結，冷卻到室溫。
[0046] 將燒結好的樣品用BH-40儀和HP4284A電感儀進行測試，具體性能見表1 :
[0047] 表1實施例1中燒結樣品的測試結果

【權利要求】
1. 一種高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料，其特徵在於：包 含如下含量的主成分：Fe203為48?52mol %、ZnO為18?22mol %、NiO為25?29mol %、餘 量為CuO ;相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分：Bi203為0. 01?0. 04wt%、Nb205為 0? 01 ?0? 05wt%、Sn02 為 0? 01 ?0? 06wt%、V205 為 0? 02 ?0? 06wt%。
2. 如權利要求1所述高飽和磁通密度高直流疊加的鎳鋅鐵氧體材料，其特徵在於：相 對主成分的總重量還包含如下含量的副成分：C〇203為0?0. 025wt%。
3. 如權利要求1或2所述高飽和磁通密度高直流疊加的鎳鋅鐵氧體材料，其特徵在於：所述鎳鋅鐵氧體材料的居裡溫度Tc > 330°C，電阻率P大於1 X 106 Q ? m。
4. 如權利要求3所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料， 其特徵在於：在4000A/m測試條件下，25°C時所述鎳鋅鐵氧體材料的飽和磁通密度Bs > 470mT，其剩磁密度Br 390mT， 其剩磁密度Br < 250mT。
5. 如權利要求3所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料，其 特徵在於：所述鎳鋅鐵氧體材料密度P = (5. 15±0. 05) X 103kg/m3。
6. -種如權利要求1?5之一所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵 氧體材料的製備方法，該製備方法包括如下步驟， 步驟A :對主成分含量進行配比，然後在砂磨機中加入去離子水進行混合和破碎，再循 環混合後加入PVA溶液，進行噴霧造粒； 步驟B :將噴霧造粒後的主成分烘乾後放入預燒爐內進行預燒； 步驟C :對經預燒的主成分加入副成分初粉，然後將主成分與副成分初粉放入砂磨機 中加入去離子水、PVA和消泡劑進行二次砂磨，製得粒度為0. 70?1. 00 y m的磨細粉料； 步驟D :將磨細粉料再進行噴霧造粒，製得50?200 y m的噴霧粉料；然後將噴霧粉料 壓製成型，製得密度為3. 20?3. 30g/cm3的生述； 步驟E :將生坯在空氣氣氛爐中1180?1250°C的溫度條件下燒結定型，冷卻後製得所 述鎳鋅鐵氧體材料。
7. 如權利要求6所述高飽和磁通密度高直流疊加高居裡溫度鎳鋅鐵氧體材料的製備 方法，其特徵在於：所述步驟A中：所述破碎持續25?35分鐘，所述循環混合持續8?15 分鐘。
8. 如權利要求6所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料的 製備方法，其特徵在於：所述步驟B中：預燒爐中溫度控制在820?880°C，預燒爐保溫持續 2?3小時。
9. 如權利要求6所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料的 製備方法，其特徵在於：所述步驟C中：二次砂磨持續時間為60?80分鐘。
10. 如權利要求6所述高飽和磁通密度、高直流疊加、高居裡溫度的鎳鋅鐵氧體材料的 製備方法，其特徵在於：所述步驟E中，燒結時間為2-4小時。
【文檔編號】C04B35/26GK104402424SQ201410629749
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月7日 優先權日:2014年11月7日
【發明者】張凱, 傅臏, 張冬震, 李懿軒, 盤良三, 劉培元 申請人:乳源東陽光磁性材料有限公司