一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法與設備與流程

2023-12-03 11:32:46

本發明屬於磁性陶瓷材料領域，具體涉及一種納米錳鋅鐵氧體材料及其製備方法、應用及設備。

背景技術：

疊層片式電感是疊層片式電感、疊層片式變壓器、疊層片式濾波器、疊層片式磁珠、磁珠排等疊層片式元件的統稱，廣泛應用於手機、電腦及通訊設備等電子元器件領域。目前隨著電子產品小型化的需求及高密度表面貼裝技術的迅速發展，疊層電感等疊層片式磁性元件正在向著小型化、高頻化、多功能化和集成化的方向快速發展。

疊層錳鋅鐵氧體軟磁粉料是製作疊層電感的重要原材料。為了實現疊層片式電感與銀電極的共燒，通常採用引入其他離子Cu、Li等進行離子替換、添加助燒劑及使用鐵氧體粉體的納米化等措施。目前市場上對疊層片式電感，以及滿足低溫燒結、流延工藝要求的納米錳鋅鐵氧體粉體材料的需求相當迫切。

目前納米錳鋅鐵氧體的製備方法主要有：固相法、溶膠-凝膠法、共沉澱法和水熱法；固相法工藝簡單、成本低，但晶粒尺寸不均勻、易引入雜質且能耗大；溶膠-凝膠法易團聚、且成本高；均勻沉澱法團聚嚴重、粒徑分布不均勻。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種納米錳鋅鐵氧體材料及其製備方法與應用。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

1)配液：以包括鐵的氯化物和/或硫酸鹽中的至少一種，錳的氯化物和/或硫酸鹽中的至少一種，以及鋅的氯化物和/或硫酸鹽中的至少一種的混合物為原料，配製成金屬鹽溶液(溶劑為水)，用鹼調節其pH至9-12，製得金屬鹽溶液前驅體漿料；

所述金屬鹽溶液中鐵離子的濃度為0.5-3mol/L，其中鐵離子、錳離子、鋅離子的摩爾濃度比為1∶0.18-0.6∶0.1-0.5；

2)蒸汽熱反應：將步驟1)所製得金屬鹽溶液前驅體漿料霧化成霧滴，於壓力0.1-2MPa，溫度100-150℃條件下進行蒸汽熱反應；

3)過濾：將步驟2)反應後所得漿料過濾；然後乾燥，即可。

優選地，步驟1)所述鐵的氯化物包括氯化鐵、氯化亞鐵中的一種或兩種；所述鐵的硫酸鹽包括硫酸亞鐵、硫酸鐵中的一種或兩種；和/或，

所述錳的氯化物包括氯化錳，所述錳的硫酸鹽包括硫酸錳；和/或，

所述鋅的氯化物包括氯化鋅，所述鋅的硫酸鹽包括硫酸鋅。

進一步優選地，步驟1)包括以氯化鐵或硫酸亞鐵，硫酸錳，以及氯化鋅或硫酸鋅的混合物為原料，配製成金屬鹽溶液。

優選地，步驟1)所述金屬鹽溶液中鐵離子的濃度為1mol/L，其中鐵離子、錳離子、鋅離子的摩爾濃度比為1∶0.2-0.5∶0.2-0.5。

優選地，所述鹼為氫氧化鈉或氫氧化鉀。

優選地，步驟1)所述金屬鹽溶液前驅體漿料的pH為10。

優選地，步驟2)蒸汽熱反應壓力0.5-1.5MPa。

優選地，步驟2)反應過程中通入水蒸汽。

優選地，步驟3)通過陶瓷膜洗滌設備連續過濾洗滌，直至漿料中的雜質離子濃度＜300ppm。

一般地，所述雜質包括未反應完全的原料，例如鐵離子、錳離子、鋅離子、氯離子、硫酸根離子、亞硫酸根離子等。

優選地，步驟3)所述乾燥為噴霧乾燥，控制進料固形物含量20～30％，出口溫度120～150℃。

本發明還包括上述方法製得的納米錳鋅鐵氧體材料。

上述納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為20-100nm，優選粒徑為20-80nm；純度可達99％。

本發明還包括上述納米錳鋅鐵氧體材料在製作疊層片式電感、電感器、變壓器、濾波器的磁芯、磁頭及天線棒等方面的應用。

本發明還提供一種蒸汽熱反應設備，包括配液釜1、蒸汽熱反應器2和過濾器3；所述蒸汽熱反應器2頂部設有蒸汽入口，用於連接蒸汽管道9通入蒸汽進行熱反應；所述蒸汽熱反應器2內頂部還設有霧化器4，用於將所述配液釜內1的料液霧化成霧滴；(所述配液釜內1的料液輸送(例如通過泵5)至所述霧化器4霧化成霧滴)；所述蒸汽熱反應器2底部設有出料口，用於將反應後的料液輸送(例如通過泵6)至所述過濾器3進行過濾。

進一步地，所述配液釜內還設有攪拌器7。

進一步地，所述過濾器3為陶瓷膜過濾器。

進一步地，蒸汽熱反應設備還包括噴霧乾燥機8，用於對過濾器過濾後的漿液進行乾燥。

本發明根據蒸汽熱及霧化原理，採用蒸汽熱反應的方法製備納米錳鋅鐵氧體，該方法反應時間短，效率高，製備出的納米鐵氧體粒徑分布均勻、顆粒團聚少、結晶度高、活性高、純度高，滿足疊層電感低溫燒結的要求，是目前製備納米錳鋅鐵氧體納米材料理想的工業化方法。

附圖說明

圖1是本發明蒸汽熱反應設備結構示意圖。

圖2是本發明實施例2鐵氧體樣品的掃描電鏡照片。

圖3是本發明實施例3鐵氧體樣品的掃描電鏡照片。

圖中：配液釜1；蒸汽熱反應器2；過濾器3；霧化器4；泵5；泵6；攪拌器7；噴霧乾燥機8；蒸汽管道9。

具體實施方式

以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。實施例中未註明具體技術或條件者，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件，或者按照產品說明書進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可通過正規渠道商購買得到的常規產品。

實施例1

結合圖1對本發明蒸汽熱反應設備進行詳細描述。

一種蒸汽熱反應設備，包括配液釜1、蒸汽熱反應器2和過濾器3，所述蒸汽熱反應器2頂部設有蒸汽入口，用於連接蒸汽管道9通入蒸汽進行熱反應；所述蒸汽熱反應器2內頂部設有霧化器4，所述配液釜內1的漿液通過泵5輸送至所述霧化器4霧化成霧滴；所述蒸汽熱反應器2底部設有出料口，用於反應後的漿液通過泵6輸送至所述過濾器3進行過濾。

進一步地，所述配液釜1內還設有攪拌器7。

進一步地，所述過濾器3為陶瓷膜過濾器。

進一步地，蒸汽熱反應設備還包括噴霧乾燥機8，用於對過濾器過濾後的漿液進行乾燥。

本發明蒸汽熱反應設備的工作過程：在配液釜1內配好反應原料漿液；開啟蒸汽熱反應器2的蒸汽閥門，控制蒸汽反應器2內達到一定壓力和溫度；開啟配液釜1內的攪拌器7和霧化器4，將配液釜內1的漿液通過泵5輸送至所述霧化器4霧化成霧滴，進行蒸汽熱反應，反應後的漿液沉降至蒸汽熱反應器2的底部，打開蒸汽熱反應器2底部的出料口，物料通過泵6輸送至所述過濾器3進行過濾，過濾後的漿液通過噴霧乾燥機8進行乾燥。

實施例2

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)配液：以氯化鐵、硫酸錳、氯化鋅為原料配製成金屬鹽溶液，所述金屬鹽溶液中鐵離子濃度為1mol/L，其中鐵、錳、鋅的摩爾比為1:0.5:0.2，以氫氧化鈉為沉澱劑；將沉澱劑溶液緩慢加入到金屬鹽溶液中，至pH為10，得到金屬鹽溶液前驅體漿料；

(2)蒸汽熱反應：在蒸汽熱反應器中，開啟蒸汽閥門，控制反應器內壓力0.5MPa，溫度105℃；開啟攪拌電機和霧化電機，步驟1製備的前驅體漿料通過輸送泵泵入蒸汽熱反應器內的霧化盤，霧化成霧滴，完成蒸汽熱反應。

(3)洗滌：對合成後的漿料通過陶瓷膜洗滌設備連續洗滌，直至溶液中的雜質離子濃度＜300ppm。

(4)用噴霧乾燥機進行乾燥，控制進料固含量20～30％，出口溫度120～150℃。

(5)檢驗。

本實施例製備的納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為20-30nm，純度可達99％。

圖2是本實施例製備的納米鐵氧體材料的掃描電鏡照片(SEM圖)，可見其粒徑分布均勻、顆粒團聚少、結晶度高。

實施例3

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)配液：以氯化鐵、硫酸錳、氯化鋅為原料配製成金屬鹽溶液，所述金屬鹽溶液中鐵離子濃度為1mol/L，其中鐵、錳、鋅的摩爾比為1:0.3:0.4，以氫氧化鈉為沉澱劑；將沉澱劑溶液緩慢加入到金屬鹽溶液中，至pH為10，得到金屬鹽溶液前驅體漿料；

(2)蒸汽熱反應。在蒸汽熱反應器中，開啟蒸汽閥門，控制反應器內壓力1MPa，溫度150℃；開啟攪拌電機和霧化電機，步驟1製備的前驅體漿料通過輸送泵泵入蒸汽熱反應器內的霧化盤，霧化成霧滴，完成蒸汽熱反應。

(3)洗滌。對合成後的漿料通過陶瓷膜洗滌設備連續洗滌，直至溶液中的雜質離子濃度＜300ppm。

(4)用噴霧乾燥機進行乾燥，控制進料固含量20～30％，出口溫度120～150℃。

(5)檢驗。

本實施例製備的納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為30-50nm，純度可達99％。

圖3是本實施例製備的納米鐵氧體材料的掃描電鏡照片(SEM圖)，可見其粒徑分布均勻、顆粒團聚少、結晶度高。

實施例4

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)配液：以硫酸亞鐵、硫酸錳、氯化鋅為原料配製鐵離子濃度為1mol/L的金屬鹽溶液，其中鐵、錳、鋅的摩爾比為1:0.2:0.5，以氫氧化鈉為沉澱劑；將沉澱劑溶液緩慢加入到金屬鹽溶液中，至pH為10，得到金屬鹽溶液前驅體漿料；

(2)蒸汽熱反應：在蒸汽熱反應器中，開啟蒸汽閥門，控制反應器內壓力0.5MPa，溫度105℃；開啟攪拌電機和霧化電機，步驟1製備的前驅體漿料通過輸送泵泵入蒸汽熱反應器內的霧化盤，霧化成霧滴，完成蒸汽熱反應。

(3)洗滌：對合成後的漿料通過陶瓷膜洗滌設備連續洗滌，直至溶液中的雜質離子濃度＜300ppm。

(4)用噴霧乾燥機進行乾燥，控制進料固含量20～30％，出口溫度120～150℃。

(5)檢驗。

本實施例製備的納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為20-30nm，純度可達99％。

實施例5

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)配液：以氯化鐵、硫酸錳、硫酸鋅為原料配製鐵離子濃度為1mol/L的金屬鹽溶液，其中鐵、錳、鋅的摩爾比為1:0.5:0.2，以氫氧化鈉為沉澱劑；將沉澱劑溶液緩慢加入到金屬鹽溶液中，至pH為10，得到金屬鹽溶液前驅體漿料；

(2)蒸汽熱反應：在蒸汽熱反應器中，開啟蒸汽閥門，控制反應器內壓力1.3MPa，溫度150℃；開啟攪拌電機和霧化電機，步驟1製備的前驅體漿料通過輸送泵泵入蒸汽熱反應器內的霧化盤，霧化成霧滴，完成蒸汽熱反應。

(3)洗滌：對合成後的漿料通過陶瓷膜洗滌設備連續洗滌，直至溶液中的雜質離子濃度＜300ppm。

(4)用噴霧乾燥機進行乾燥，控制進料固含量20～30％，出口溫度120～150℃。

(5)檢驗。

本實施例製備的納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為20-30nm，純度可達99％。

實施例6

一種納米錳鋅鐵氧體材料的製備方法，包括如下步驟：

(1)配液：以氯化鐵、硫酸錳、硫酸鋅為原料配製鐵離子濃度為0.8mol/L的鹽溶液，其中鐵、錳、鋅的摩爾比為1:0.5:0.2，以氫氧化鈉為沉澱劑；將沉澱劑溶液緩慢加入到金屬鹽溶液中，至pH為10，得到金屬鹽溶液前驅體漿料；

(2)蒸汽熱反應：在蒸汽熱反應器中，開啟蒸汽閥門，控制反應器內壓力1MPa，溫度130℃；開啟攪拌電機和霧化電機，步驟1製備的前驅體漿料通過輸送泵泵入蒸汽熱反應器內的霧化盤，霧化成霧滴，完成蒸汽熱反應。

(3)洗滌：對合成後的漿料通過陶瓷膜洗滌設備連續洗滌，直至溶液中的雜質離子濃度＜300ppm。

(4)用噴霧乾燥機進行乾燥，控制進料固含量20～30％，出口溫度120～150℃。

(5)檢驗。

本實施例製備的納米錳鋅鐵氧體材料粒徑為50-80nm，純度可達99％。

對比例1

與實施例2相比，區別僅在於在配液過程中，加入沉澱劑氫氧化鈉後，調節pH＜9，蒸汽熱反應溫度150℃，壓力0.5MPa，得到的鐵氧體組分偏析，顆粒粒徑不均勻。

對比例2

與實施例2相比，區別僅在於蒸汽熱反應溫度180℃，壓力1.8MPa，得到的鐵氧體顆粒掛壁嚴重，造成流入陶瓷膜的漿料濃度增大10％，堵膜嚴重，洗滌以後的鐵氧體顆粒團聚嚴重，結晶性差。

雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施方案對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬於本發明要求保護的範圍。