一種錳鋅系鐵氧體高頻材料及其製造方法
2023-04-26 12:44:06
專利名稱：一種錳鋅系鐵氧體高頻材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種錳鋅系鐵氧體高頻材料，所述材料可製作高頻磁芯用於手機、計算機、通訊網絡等設備的器件上，起到濾波、能量轉換等作用；同時涉及所述錳鋅系鐵氧體高頻材料及磁芯的製造方法。屬於材料科學技術領域。
背景技術：
隨著電子信息技術的發展，對用磁性材料製造的元器件提出了向高頻、小型化和智能化方向發展的要求。用磁性材料製造的元器件作為電路的關鍵元件，使用頻率的提高有著強烈的需求。其在計算機、手機、自動化設備和電子變壓器等方面用途十分廣闊。近年來，軟磁鐵氧體技術得到了越來越多的關注，如申請號為CN200410093230. 3 的專利申請公開了一種軟磁Mg-Zn鐵氧體材料及其低溫燒結工藝，它是由Fe203、MgO、ZnO、MnO, CuO組成，其特徵在於各成分及其用量如下Fe20347. 5-48. 7wt%、Mg025 . 5_30wt%、Zn018. 0-21. 4wt%、MnOO. 5-1. 2wt%、助融劑 3. 0-4. 2wt%、輔料 0-5wt% 等低溫燒結形成。又如申請號為CN200410053529. 6的專利申請公開了一種高頻鎂鋅鐵氧體及製造方法，它是將氧化鎂、氧化鋅、氧化鐵三種主要成分進行配料，按比例混合後在1000°C -1200°C下鍛燒30-90分鐘，然後按比例加入副組份材料及添加物，粉碎混合後,加入粘合劑混合併採用噴霧造粒方法得到平均顆粒直徑為180微米的顆粒，然後將顆粒壓製成型，得到所需要的磁芯試樣；逐步升溫到1250°C _1350°C，並在所設定的溫度下保溫燒結2-5小時，降溫後得到所燒制的樣品；其樣品中有8-27mol% (按MgO計算)的氧化鎂、7-27mol% (按ZnO計算)的氧化鋅，30-36. 7mol% (按Fe2O3計算)的氧化鐵三種主要成分，其中還可加入有一種或多種副成分，它包括0-4mol% (按MnCO3計算)的碳酸猛、0_4mol% (按NiO計算)的氧化鎳、0_4mol%(按CuCO3計算)的碳酸銅。又如專利號為2806528B2的日本專利公開了一種電波吸收體用鎂一鋅系鐵氧體材料，它是氧化鐵47-50mol%、氧化鎂20-23mol%、氧化鋅24_27mol%，氧化錳3-6mol%組成板狀燒結體30MHz-400MHz的低頻段用的電波吸收體用鎂一鋅系鐵氧體材料。而在上述專利申請文件和其它文件所公開的材料中，研究開發的技術注重磁性材料內部機理的形成和氣孔和間隙對提高頻率的影響。聚乙烯醇在材料中的添加只是作為粘合劑添加在材料中，主要目的是為了成型，而沒有研究其在燒結過程中的升溫過程中在材料中形成氣孔和間隙的相關技術。同時，現有技術在上述材料磁芯的製作技術上具有以下缺點
(I)聚乙烯醇在材料中的添加只是作為粘合劑添加在材料中，主要目的是為了便於成型。而不是讓其在燒結過程中的升溫過程中在材料中形成氣孔和間隙。(2)在磁芯製造過程中，在材料中添加聚乙烯醇佔材料固物的重量百分比不超過1%，一般情況下是在0. 5-1%之間
發明內容
本發明的目的是提供一種錳鋅系鐵氧體高頻材料，該材料高頻性能優良；本發明的另外一個目的是提供所述錳鋅系鐵氧體高頻材料的製造方法。本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的
第一個方面，一種錳鋅系鐵氧體高頻材料，包括主成分三氧化二鐵、氧化鋅和四氧化三錳以及添加物；其特徵在於，具有分布均勻的氣孔和間隙，所述的氣孔和間隙的容積為材料體積的0. 02-3% ;所述的氣孔和間隙是通過在製造過程中的研磨步驟添加材料重量的1-6%的聚乙烯醇並在燒結過程中當燒結溫度在300-600°C之間時控制升溫速度而形成的。除正常的主成分和添加物外，本發明在預燒後的材料中在研磨時添加材料重量
1-6%的聚乙烯醇；而聚乙烯醇在燒結過程中的升溫過程中，分解的氣體在燒結過程中在材料中形成氣孔和氣隙，材料中的氣孔和氣隙提高了材料的使用頻率。第二個方面，一種如第一個方面所述錳鋅系鐵氧體高頻材料的製造方法，依次包 括配料、混合、預燒、研磨、造粒、成型和燒結步驟，其中，
配料按配比取各主成分和添加物混合為原料，
混合採用振磨方式將配好的原料混合均勻，
預燒將混合均勻的原材進行預燒，
研磨採用球磨或砂磨方式對預燒好的材料進行研磨，
造粒採用噴霧造粒或機械造粒方式進行造粒，
成型壓製成型，
燒結對成型後的坯件進行燒結使之形成具有尖晶石結構的鐵氧體；
其特徵在於
A.預燒後研磨時在材料中添加聚乙烯醇，所述的聚乙烯醇的添加量為材料重量的1-6
% ；
B.燒結過程中當燒結溫度在300-600°C之間時控制升溫速度。作為一種優選，所述的聚乙烯醇的添加量為材料重量的2-4 %。作為一種優選，所述的燒結溫度在300-600°C之間的升溫速度控制在40_50°C /小時。除正常的主成分和添加物外，本發明在預燒後的材料中在研磨時添加材料重量
1-6%的聚乙烯醇；而聚乙烯醇在燒結過程中的升溫過程中，分解的氣體在燒結過程中在材料中形成氣孔和氣隙，材料中的氣孔和氣隙提高了材料的使用頻率；同時，為了使材料中產生所需的氣孔和間隙，在燒結過程中當燒結溫度在300-600°C時要控制升溫速度，升溫速度優選為40-50°C /小時。現有技術在製造鐵氧體磁性材料的過程中，為了便於成型，一般在材料中添加lwt%以下的聚乙烯醇，這樣少量的聚乙烯醇在材料的燒結過程中的升溫過程中，聚乙烯醇慢慢分解，分解後的分子慢慢揮發，不會在材料中形成氣孔和氣隙。本發明的主成分和添加物經過配料、混合、預燒後，與經過熬製的聚乙烯醇液體混合再進行研磨；這樣經過噴霧造粒的材料中就含有了相應比例的聚乙烯醇了，經過成型後，在燒結過程中，溫度達到300°C時，聚乙烯醇開始分解，形成H20、C0、C02等氣體，這些氣體會從材料中揮發掉，這些氣體的揮發過程中的運動軌跡就在材料中形成氣孔和氣隙，這些氣孔和氣隙的形成，阻礙了燒結過程中的鐵氧體在熔融狀態下的化合，也阻止了材料內部晶粒的長大；經過燒結這些氣孔和氣隙就保留在了鐵氧體材料的內部，氣孔和氣隙的存在，改變了鐵氧體材料的內部結構，這樣的鐵氧體材料的使用頻率得到了提高，也就是提高了截
止頻率。申請人:發現，添加聚乙烯醇到所述的主成分和添加物中能夠使鐵氧體在燒結過程中的升溫過程中形成氣孔和氣隙，在材料內部形成的氣孔和氣隙，有阻止晶粒的長大的作用，達到在材料內部既有納米晶，又有亞微米晶和亞米晶，即同一種材料內部由不同結構大小的晶粒組成，這樣就提高了材料的上限使用頻率，拓寬了材料的高頻頻率的範圍。本發明所述的聚乙烯醇和現有技術的錳鋅鐵氧體添加的聚乙烯醇是有本質區別的。現有技術的錳鋅鐵氧體添加的聚乙烯醇，是為了使材料便於成型，作為粘合劑添加的，而且添加的量佔材料的重量比在1%以下，一般情況下是在0. 8%以下。這樣的比例在燒結過程中的升溫過程中聚乙烯醇慢慢揮發，在材料內部不能形成氣孔和氣隙，也就起不到提高使用頻率，即提高截止頻率的作用。而本發明所述添加的聚乙烯醇佔材料的重量比為1_6%， 不但起到粘合劑的作用，便於成型；而且是在燒結過程中的升溫過程中聚乙烯醇分解揮發，在材料中形成氣孔和氣隙，達到提高材料使用頻率的目的。本發明所述的添加物聚乙烯醇主要是提高鐵氧體的性能，添加多了會增加成本，添加過多也會導致鐵氧體材料的性能下降，所以控制在此範圍內，為了達到較好的發明效果且滿足控制成本的要求，上述添加量較為合適。本發明採取上述添加聚乙烯醇技術，既能滿足阻止晶粒生長，達到控制晶粒大小，形成氣孔和氣隙的目的，又能提高材料的截止頻率。為了獲得更為理想的上述效果，更為優選的是聚乙烯醇佔材料的重量百分比為2-4%。現有的技術中添加液體聚乙烯醇是在研磨或者噴霧造粒之前添加，本發明是在研磨時添加，由於液體聚乙烯醇中一般情況下含有10%左右的聚乙烯醇，所以研磨添加水時，把液體聚乙烯醇中的水含量計算出，就可以相應地少加入等量的水，而研磨時添加聚乙烯醇可以更好地使聚乙烯醇與其它原材料混合均勻，這樣形成的鐵氧體材料中的氣孔和氣隙也均勻一致。本發明的液體是聚乙烯醇製造方法為90%的水加入10%的聚乙烯醇。然後用水浴法熬製成透明的聚乙烯醇液體，使聚乙烯醇完全溶於水中；但本發明不限於上述比例，舉例，即也可以採用96%的水加入4%的聚乙烯醇。申請人:發現，在燒結過程中，燒結溫度在300°C至600°C之間升溫速度在40°C /小時至50°C /小時之間提高使用頻率的效果最理性。如果升溫速度大於50°C /小時，聚乙烯醇分解後的氣體會集中揮發，這樣就使材料中形成較大的氣孔和氣隙，這樣反而導致材料的性能下降；如果升溫速度小於40°C /小時，聚乙烯醇揮發變的緩慢，這樣的結果是不能形成所需數量的氣孔和氣隙。在本發明所述技術方案中，鐵氧體的各種金屬元素的來源可為多種，這些為本領域普通技術人員所熟知。例如Fe2O3等同於相當量的FeO, Mn3O4則可以相當量的MnCO3替代。本發明所述的添加物為五氧化二鉭，也可以是三氧化二鋁、氧化矽、碳酸鈣、氧化鈣、五氧化二釩和五氧化二鈮中的一種或幾種。當然本發明的上述鐵氧體可製作成各種適宜於工業應用的磁芯，這在本領域普通技術人員獲悉了本發明所述鐵氧體材料後即可實施，在此不再贅述。
本發明其餘的步驟特徵均可採用鐵氧體幹法工藝，這些都為本領域普通技術人員所熟知。綜上所述，本發明具有以下有益效果
(1)本發明的鐵氧體材料通過添加聚乙烯醇，在燒結過程中由於聚乙烯醇分解產生的氣體的揮發在材料中形成氣孔和氣隙，提高了材料的高頻性能；
(2)本發明採用了錳鋅鐵氧體作為鐵氧體的主成分，按所述方法添加聚乙烯醇後形成的鐵氧體比不添加的錳鋅鐵氧體的截止頻率提高了 10%以上；
(3)本發明提供了一種上述鐵氧體的製作方法，它採用在預燒完成後添加l_6wt%的聚乙烯醇到預燒後的鐵氧體材料中，使得聚乙烯醇能夠較好地分散在預燒後的鐵氧體材料中；
(4)本發明優選了在燒結過程中，燒結溫度在300°C至600°C之間升溫速度在40°C/小 時至50°C /小時之間提高使用頻率的效果最理性。
圖I為本發明高頻材料內部結構放大示意圖，圖中均勻分布的氣孔和間隙清晰可見。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明的技術方案做進一步詳細的描述，但是，應該清楚的是下述實施例只是對本發明技術方案的舉例，並不是對本發明的限制，本領域普通技術人員在閱讀了本說明書後，根據其所掌握的知識在不做出創造性勞動的情況下，能夠對下述實施例做出各種變通，但只要在本發明權利要求範圍內均應受到保護。實施例I :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入12wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，加入30wt%的水(按預燒料重量計算)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑020、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0.021%。樣品編號為a。實施例2 :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入20wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，加入20wt%的水(按預燒料重量計算)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑020、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0.042%。樣品編號為b。實施例3 :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入30wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，加入10wt%的水(按預燒料重量計算)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑020、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0. 162%。樣品編號為C。實施例4 :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入40wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體 中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑0 20、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0. 312%。樣品編號為d。實施例5 :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入50wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑0 20、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0. 427%。樣品編號為e。實施例6 :主成分是Fe2O3 (純度彡99. 4%) 70wt%、ZnO (純度彡99. 7%) 7. 2wt%和Mn3O4 (純度彡95%)22. 8 wt%，外加添加物是Ta2O5 0. 05 wt% ;將上述原材料配好，在振磨機中振磨15分鐘；然後造球；再在迴轉窯中預燒，預燒溫度為980°C ±10°C，此溫度保溫30分鐘；在預燒好的預燒料中再加入60wt%聚乙烯醇液體(按預燒料重量計算，聚乙烯醇液體中聚乙烯醇的含量為10wt%，其餘為水)，在球磨機裡球磨15小時；然後噴霧造粒；再壓製成型外徑0 20、內徑O 10、高度10的磁芯；燒結，當溫度在300-600°C之間時，升溫速度控制在40-50°C /小時，最後在1320°C燒結並保溫2小時。由電子掃描儀的圖片可以計算出其氣孔和間隙的容積與材料體積的比約為0. 624%。樣品編號為f。上述每個實施例取10個磁芯進行測試，取其最小值，其結果列於表I。本發明實施例磁芯的測試方法為本領域普通技術人員所熟知、通用的測試方法。對比樣品為普通市售的錳鋅鐵氧體材料製成的外徑為020、內徑為O 10、高度為10的磁芯，其中沒有添加物。性能結果如表I:
表I性能測試結果
權利要求
1.一種錳鋅系鐵氧體高頻材料，包括主成分三氧化二鐵、氧化鋅和四氧化三錳以及添加物；其特徵在於，具有分布均勻的氣孔和間隙，所述的氣孔和間隙的容積為材料體積的O.02-3% ;所述的氣孔和間隙是通過在製造過程中的研磨步驟添加材料重量的1-6%的聚乙烯醇並在燒結過程中當燒結溫度在300-600°C之間時控制升溫速度而形成的。
2.一種如權利要求I或2所述錳鋅系鐵氧體高頻材料的製造方法，依次包括配料、混合、預燒、研磨、造粒、成型和燒結步驟，其中， 配料按配比取各主成分和添加物混合為原料， 混合採用振磨方式將配好的原料混合均勻， 預燒將混合均勻的原材進行預燒， 研磨採用球磨或砂磨方式對預燒好的材料進行研磨， 造粒採用噴霧造粒或機械造粒方式進行造粒， 成型壓製成型， 燒結對成型後的坯件進行燒結使之形成具有尖晶石結構的鐵氧體； 其特徵在於A.研磨時在材料中添加聚乙烯醇，所述的聚乙烯醇的添加量為材料重量的1-6% ； B.燒結過程中當燒結溫度在300-600°C之間時控制升溫速度。
3.根據權利要求2所述錳鋅系鐵氧體高頻材料的製造方法，其特徵在於所述的聚乙烯醇的添加量為材料重量的1_6%。
4.根據權利要求2所述錳鋅系鐵氧體高頻材料的製造方法，其特徵在於所述的燒結溫度在300-600°C之間的升溫速度控制在40-50°C /小時。
全文摘要
本發明涉及一種錳鋅系鐵氧體高頻材料及其製造方法。該材料包括主成分三氧化二鐵、氧化鋅和四氧化三錳以及添加物；具有分布均勻的氣孔和間隙，所述的氣孔和間隙的容積為材料體積的0.02-3%；所述的氣孔和間隙是通過在製造過程中的研磨步驟添加材料重量的1-6%的聚乙烯醇並在燒結過程中當燒結溫度在300-600℃之間時控制升溫速度而形成的。本發明的鐵氧體材料通過添加聚乙烯醇，在燒結過程中由於聚乙烯醇分解產生的氣體的揮發在材料中形成氣孔和氣隙，提高了材料的高頻性能，與不添加聚乙烯醇的鐵氧體相比，其截止頻率提高了10%以上。
文檔編號C04B35/26GK102964118SQ20121043947
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者周繼軍 申請人:浙江通達磁業有限公司