高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料及其製備方法
2023-10-04 04:17:59 2
專利名稱：高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料及其製備方法
技術領域：
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：
隨著電子產品的多種效率指標日益提高、使用範圍和工作環境日益廣泛，一些變壓器磁芯材料被設計工作在25-100°C的寬溫範圍、瞬時大電流衝擊、逼仄緊湊的空間、和直流疊加的惡劣環境條件下，這就要求改善磁材使之在寬溫範圍具有如下優異性能(1)具有較高的飽和磁通密度Bs，從而更能防止大電流衝擊所致導磁能力和功率傳輸能力下降， 即具有較強的高溫抗飽和性能；( 具有較大的磁通偏移量ΔΒ，依照功率傳輸能力公式 Pth - KfAe Δ B，較大的磁通偏移量Δ B能確保其不降低磁材功率傳輸能力的前提下，減少磁路面積Ae包括減少磁芯體積和線圈匝數，從而能在各種工作環境下減少變壓器體積、降低銅耗；C3)具有較高的磁通偏移量ΔΒ和較高飽和磁通密度Bs，因而其B-H磁化曲線更為高聳陡峭，從而確保其對疊加的直流及其磁場具有更強適應能力，即更強的抗直流疊加性能；(4)具有較高居裡溫度Tc能確保飽和磁通密度Bs的高值穩定，而具有較高密度P能確保磁材較高的機械強度和較高的飽和磁通密度Bs。正如業界普遍所知，單純提高磁材某種性能相對容易，但是，要同時提高磁材的幾種性能並使之適應某些苛刻工作條件而穩定正常工作，則是非常難以辦到的。
發明內容
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高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料及其製備方法，其具有如下優點製得的軟磁材料具有超越傳統錳鋅鐵氧體性能上限的較高飽和磁通密度Bs和較大磁通偏移量ΔΒ，因而具有較強抗飽和性能和功率傳輸能力；相比金屬磁芯材料具有較低的功耗，特別適合在直流疊加很大、電壓較低、頻率不高的多種應用場合實現更穩定的電感功能。為此，本發明的技術解決方案是一種高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料，其包含如下含量的主成分狗203為58 65mol %、ZnO為11 15mol %、NiO為 4 6m0l%、餘量為MnO ；相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分CaO為0. 01 0. 04wt%,Nb2O5 為 0. 02 0. 05wt%,Ti02 為 0. 02 0. 08wt%,Mo03 為 0. 01 0. 03wt%, V2O5 為 0. 02 0. 06wt%。本發明的高飽和磁通密度高直流疊加軟磁材料，採用四元主成分和添加副成分相匹配，經過原料混合、預燒、噴霧造粒、成型、燒結而製成；其中的主成分配方為後續添加組合副成分奠定基礎，而獨特的副成分組合進而促進生坯易於燒結、晶粒更加細化，生長出更為均勻分布和細化的晶粒，且能控制晶界氣孔率，生成緻密均勻的微觀結構，形成較高的燒結密度，從而獲得更高飽和磁通密度Bs、更大磁通偏移量ΔΒ、更高的抗直流疊加能力、更高居裡溫度Tc的高性能軟磁材料；因此，本發明軟磁材料能夠穩定有效地工作在25-100°C 左右寬溫、瞬時大電流衝擊、逼仄緊湊的空間、和直流疊加的惡劣環境條件下，特別適合在大功率、直流疊加很大、電壓較低、頻率不高的多種應用場合實現更穩定的電感功能。由後面實施例的實測數據可見，本發明軟磁材料製得的磁芯及電感元件，比之傳統磁芯，在疊加直流相同的情況下，其電感數值能夠高出40%，直流疊加性能大幅改善；而且由公式Pth - KfAe Δ B可知，本發明磁粉在的功率傳輸率力要比傳統磁材高出約 13% -22% ；而且，由實施例磁芯的電感參數組合可見，本發明軟磁材料在飽和磁通密度、居裡溫度等參數方面，獲得了全面的提升，能夠使電感器件做得更小，能以更優、更穩定的磁材性能，保證整機更為穩定地運行。因此，本發明軟磁材料特別適合在直流疊加很大、電壓較低、頻率不高的變頻空調器、變頻無級調速器、太陽能逆變器等諸多場合推廣使用。為了進一步優化軟磁材料的組分配比，提高軟磁材料的應用性能和加工性能、優化燒結工藝，促進晶粒更加細化，生長出更為均勻細化的晶粒分布，生成密度更高、微觀結構緻密均勻的軟磁材料，本發明軟磁材料還包括如下的改進相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分=Ta2O5為O 0. 025wt%, ZrO2為 0. 02 0. 06wt %，SiO2 為 O 0. 005wt %。為進一步優化軟磁材料各項性能參數的整體組合、針對惡劣工作條件提供更為穩定、優良的性能匹配，本發明軟磁材料還包括如下的改進在1194A/m測試條件下，25°C時所述軟磁材料的飽和磁通密度Bs > 570mT，其剩磁密度Br 480mT,其剩磁密度Br < 40mT ； 在100kHz，200mT測試條件下，100°C時所述軟磁材料的功耗Pcv 3000C，而其密度P > 5. OOX 103kg/m3。本發明軟磁材料的超高Bs允許引入全新的電感設計理念無需為了降低銅線繞組損耗，使磁芯在其磁通密度高限附近工作，從而可以避免Mn Si鐵氧體磁芯在高磁通密度情況下功耗急劇增大、致使繞組損耗的降低遠難抵償磁芯材料功耗增加的弊病。換言之， 本發明軟磁材料支持的新設計思想即以低的交流勵磁電平而非高的勵磁電平激勵磁芯元件，讓磁芯工作在飽和磁通密度80%的適用磁通密度狀態、而非飽和磁通密度100%的硬飽和狀態，以避免磁通密度處於磁滯回線非線性區域時導致磁導率陡直下降、磁芯繞組因阻抗降低而惡性發熱甚至燒毀的故障。本發明軟磁材料在高溫高飽和磁通密度參數上的提高，不僅能傳輸更大的功率， 同時還可以大大改善和提高磁導率的直流疊加特性，主要體現在以下方面(1)在材料的 μ Δ HD。性能曲線上，增量磁導率μ Δ開始下降的臨界直流磁場更高，即材料μ Δ不變時所能承受的疊加直流電流更高；( 在臨界直流磁場以上，μ Δ的下降趨勢更趨平緩，即疊加上直流以後的磁芯電感量下降趨勢更緩，電感值更高更優；C3)磁芯電感量是在工作的交變場下測得，這意味本發明磁材可以適應頻率更高的交變場，相應的場強也能更高。在電流較大情況下的逆變器電路使用的電感器，一般多採用多種系列磁芯。要求磁芯具有較高的飽和磁感應強度，而傳統的軟磁鐵氧體材料與金屬軟磁材料相比較，飽和磁感應強度偏低，限制了鐵氧體的應用範圍；而本發明軟磁材料的高居裡溫度高溫高飽和磁感應強度的錳鋅鎳鐵氧體，不但因其具有同等抗飽和容量而能與金屬磁芯系列電感器同樣勝任於大電流電感器，相比較金屬磁芯還大幅度降低了損耗，且兼有鐵氧體諸多性能價格比上的優勢，因而，能有效提高系統的整體效率；因此，本發明磁芯除了可應用在太陽能發電之外，還能應用於風力發電以及燃料電池系統的功率調節器以及各種大型電力設備的逆變器電路的電感器，其高效率預示其廣闊的市場前景。此外，更高居裡溫度Tc能使本發明磁材在傳統磁材失效的溫度比如240°C下繼續正常工作、性能不惡化，而傳統磁材在產品在此溫度下已經失效而不能工作了。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加高居裡溫度軟磁材料的製備方法，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；將料漿進行噴霧造粒。步驟B 將經噴霧造粒的主成分放入預燒爐內進行預燒；步驟C 對經預燒的主成分再進行副成分含量的配比，然後將含主/副成分的粉料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. 65 0. 85 μ m的磨細粉料；步驟D 將磨細粉料進行噴霧造粒，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. 05 3. 15g/cm3的生坯；步驟E 將生坯在氣氛爐中控制1310 1390°C的溫度條件下燒結定型，冷卻後製得所述軟磁材料。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、高效地生產製得在具有更高的飽和磁通密度Bs、居裡溫度也較高的軟磁材料；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、電壓較低、頻率不高的場合應用。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。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所述步驟B中預燒爐中溫度控制在800 890°C，預燒爐保溫持續2. 5 3. 5小時。所述步驟C中二次砂磨持續時間為70 100分鐘。所述步驟E中燒結氣氛中的氧含量為4. 5 8.4%，餘量為氮。所述步驟E中冷卻是在受控的氮氧氣氛中進行直至室溫。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；通過控制保溫時間及氧含量，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；降溫階段參考氧含量公式來調整氣氛，以獲得高密度高飽和磁通密度的錳鋅鐵氧體材料。實測數據證明，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。以下結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。
圖1為本發明軟磁材料與傳統磁材的B-H曲線對比示意圖。
具體實施例方式實施例1 1、配料稱取Fii2O3 :63mol% ；MnO :17mol% ；SiO 15mol %，NiO :5mol %，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，加入一定量PVA溶液進行循環混合10分鐘後，進行噴霧造粒。2、預燒將噴霧料放入預燒爐內，在870°C下保溫3小時進行預燒，。3、二次砂磨在預燒料中加入以下按預燒料重量百分比的輔助成分0. 03wt% CaCO3>0. 04wt% TiO2,0. 03wt % Nb2O5>0. 02wt % ZrO2,0. 03wt % Nb2O5>0. 013wt % MoO3O. 03wt % V2O5, 0. 02wt% Ta205、0. 005wt% Si02。然後將粉料放入砂磨機中加入去離子水進行二次砂磨，砂磨時間為1. 5小時，粉料粒度控制在0. 75 0. 85 μ m。4、噴霧造粒和成型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；取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ15πιπιΧ7. 5mm的環形磁芯，然後成型，樣環生坯密度在3. 15g/cm3左右。5、燒結在一定的氧氣和氮氣的比例下，在1360°C的溫度條件下保溫5小時燒結，燒結時的氧含量為6%，然後在一定的氧氣和氮氣的比例下冷卻到室溫。將燒結好的樣品用BH-40儀和GHY-5功耗儀進行測試，具體性能見表1。實施例2 1、配料稱取Fe2O3 :65mol%;Mn0 :17mol%;Zn0 :13mol%,Ni0 :5mol% 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，加入一定量PVA溶液進行循環混合10分鐘後，進行噴霧造粒。2、預燒將噴霧料放入預燒爐內，在850°C下保溫3小時進行預燒，。3、二次砂磨在預燒料中加入以下按預燒料重量百分比的輔助成分0. 03wt% CaCO3,0. 05wt% TiO2,0. 03wt% Nb2O5>0. 03wt% ZrO2,0. 02wt% Mo03、0. 04wt% V2O5,然後將粉料放入砂磨機中加入去離子水進行二次砂磨，砂磨時間為90分鐘，粉料粒度控制在0. 75 0. 85 μ m。4、噴霧造粒和成型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；取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ15πιπιΧ7. 5mm的環形磁芯，然後成型，樣環生坯密度在3. 10g/cm3左右；5、燒結
在一定的氧氣和氮氣的比例下，在1360°C的溫度條件下燒結，燒結時的氧含量為 5. 6%，然後在一定的氧氣和氮氣的比例下冷卻到室溫。將燒結好的樣品用BH-40儀和GHY-5功耗儀進行測試，具體性能見表1。實施例3 1、配料稱取Fe2O3 :64mol % ；MnO 18mol % ；ZnO 12mol %，NiO :6mol % 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，加入一定量PVA溶液進行循環混合10分鐘後，進行噴霧造粒。2、預燒將噴霧料放入燒爐內，在890°C下保溫3小時進行預燒，。3、二次砂磨在預燒料中加入以下按預燒料重量百分比的輔助成分0. 03wt% CaCO3,0. 05wt% TiO2,0. 03wt% Nb2O5，0. 03wt% ZrO2,0. 04wt% V2O5，以及 0. Olwt% MoO3,然後將粉料放入砂磨機中加入去離子水進行二次砂磨，砂磨時間為1小時，粉料粒度控制在0. 75 0. 85 μ m。4、噴霧造粒和成型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；取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ15πιπιΧ7. 5mm的環形磁芯，然後成型，樣環生坯密度在3. 10g/cm3左右；5、燒結在一定的氧氣和氮氣的比例下，在1370°C的溫度條件下保溫5小時燒結，燒結時的氧含量為6%，然後在一定的氧氣和氮氣的比例下冷卻到室溫。將燒結好的樣品用BH 40儀和GHY 5功耗儀進行測試，具體性能見表1。實施例4 1、配料稱取Fe2O3 :65mol%;Mn0 :18mol%;Zn0 :11. 5mol%,Ni0 :5. 5mol% 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。2、預燒將噴霧料放入預燒爐內，在850°C下保溫3小時進行預燒，。3、二次砂磨在預燒料中加入以下按預燒料重量百分比的輔助成分0. 03wt% CaCO3,0. 04wt% TiO2,0. 03wt% Nb2O5，0. Olwt % MoO3,0. 02wt% V2O5，以及 0. 02wt% Ta2O5,0. 005wt% SiO2,， 然後將粉料放入砂磨機中加入去離子水進行二次砂磨，砂磨時間為90分鐘，粉料粒度控制在 0. 75 0. 85 μ m。4、噴霧造粒和成型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；取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ15πιπιΧ7. 5mm的環形磁芯，然後成型，樣環生坯密度在3. 10g/cm3左右；5、燒結
在一定的氧氣和氮氣的比例下，在1320 1380°C的溫度條件下燒結，燒結時的氧含量為4. 6 8%，然後在一定的氧氣和氮氣的比例下冷卻到室溫。將燒結好的樣品用GHY-5儀，BH-40功耗儀進行測試，具體性能見表1。表1中對比地列出了傳統典型的軟磁鐵氧體粉料與本發明實施例的實測性能如下表1傳統軟磁鐵氧體粉料與本發明實施例的性能比較
權利要求
1.一種高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料，其特徵在於包含如下含量的主成分=Fe2O3 為 58 65mol%, ZnO 為 11 15mol%, NiO 為 4 6mol%、餘量為 MnO ；相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分CaO為0. 01 0. 04wt%, Nb2O5為0. 02 0. 05wt%, TiO2 為 0. 02 0. 08wt%, MoO3 為 0. 01 0. 03wt%, V2O5 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軟磁材料，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=Ta2O5為0 0. 025wt%, ZrO2為0. 02 0. 06wt%, SiO2 為 0 0. 005wt%。
3.如權利要求1所述高飽和磁通密度高直流疊加的軟磁材料，其特徵在於在1194A/ m測試條件下，25°C時所述軟磁材料的飽和磁通密度Bs > 570mT，其剩磁密度Br 480mT,其剩磁密度Br < 40mT ；在100kHz， 200mT測試條件下，100°C時所述軟磁材料的功耗Pcv < 850kW/m3。
4.如權利要求1所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料，其特徵在於所述軟磁材料的居裡溫度Tc > 300°C，而其密度P > 5. OOX 103kg/m3。
5.一種如權利要求1 4之一所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料的製備方法，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；將料漿進行噴霧造粒。步驟B 將經噴霧造粒的主成分放入預燒爐內進行預燒；步驟C 對經預燒的主成分再進行副成分含量的配比，然後將含主/副成分的粉料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. 65 0. 85 μ m的磨細粉料；步驟D 將磨細粉料進行噴霧造粒，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. 05 3. 15g/cm3的生坯；步驟E 將生坯在氣氛爐中控制1310 1390°C的溫度條件下燒結定型，冷卻後製得所述軟磁材料。
6.如權利要求5所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料的製備方法，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。
7.如權利要求5所述高飽和磁通密度高直流疊加高居裡溫度軟磁材料的製備方法，其特徵在於所述步驟B中預燒爐中溫度控制在800 890°C，預燒爐保溫持續2. 5 3. 5 小時。
8.如權利要求5所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料的製備方法，其特徵在於所述步驟C中二次砂磨持續時間為70 100分鐘。
9.如權利要求5所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料的製備方法，其特徵在於所述步驟E中燒結氣氛中的氧含量為4. 5 8. 4%，餘量為氮。
10.如權利要求5所述高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料的製備方法，其特徵在於所述步驟E中冷卻是在受控的氮氧氣氛中進行直至室溫。
全文摘要
本發明涉及一種高飽和磁通高傳輸能力高直流疊加的軟磁材料，其包含如下含量的主成分Fe2O3為58～65mol％、ZnO為11～15mol％、NiO為4～6mol％、餘量為MnO；相對主成分的總重量還包含如下含量的副成分CaO為0.01～0.04wt％，Nb2O5為0.02～0.05wt％，TiO2為0.02～0.08wt％，MoO3為0.01～0.03wt％，V2O5為0.02～0.06wt％。本發明軟磁材料具有超越傳統錳鋅鐵氧體性能上限的較高飽和磁通密度Bs和較大磁通偏移量ΔB，因而具有較強抗飽和性能和功率傳輸能力；相比金屬磁芯材料具有較低的功耗，特別適合在直流疊加很大、電壓較低、頻率不高的多種應用場合實現更穩定的電感功能。
文檔編號C04B35/64GK102290185SQ201110114619
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者傅臏, 劉培元, 張凱, 範仲康 申請人:乳源東陽光磁性材料有限公司