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对降低NiCuZn铁氧体剩磁的研究

2006-09-11 14:32:53 来源:《国际电子变压器》2006年9月刊 点击:1086

1引言
目前,开关电源市场主要由AC/DC和DC/DC开关电源两部分组成。低功率的AC/DC将面向电子产品和计算机市场,大功率的AC/DC电源将面向电信市场。DC/DC电源约占30%的开关电源市场。随着计算机与通信技术的快速融合,带动了DC/DC模块式电源的迅速增长。开关式电源技术发展趋势是高效率、低噪声及表面贴装化。无论是AC/DC或DC/DC电源,除了功率晶体管外,由软磁铁氧体磁心制成的主变压器、扼流圈及滤波器是极重要的元件,而该软磁铁氧体材料的磁性能,普遍比较关注磁导率、剩余磁感应强度Br、阻抗、居里温度和饱和磁感应强度。根据世界各大知名企业(例如SIEMENS、日立)最近公布的材料中我们可发现,磁导率≥2000的高导材料中,Br值均≥130 mT[1~2],所以,在本文中,我们主要采用控制预烧温度,MoO3掺杂的方式,兼顾了NiCuZn铁氧体高居里温度(105℃)高起始磁导率(≥2200)和高Bs(≥300mT)的要求,把剩余磁感应强度Br控制在≤80 mT,取得了较为满意的结果,下面即对降低剩余磁感应强度Br作一详细探讨,并作出初步的解释。
2实验方法
2.1样品制备
     本实验采用传统的电子陶瓷生产工艺制备NiCuZn铁氧体,以化学纯NiO、CuO、ZnO、Fe2O3为原材料,由于是制备高磁导率材料,所以原材料的好坏,对能否制备出优良高磁导率材料有相当关键的作用。因而原材料的化学特性和物理特性应有严格要求。化学特性主要是原材料中含有的有害杂质。物理特性主要考虑颗粒度、团聚粒度和合适的颗度分布。我们在实验中采用了高纯度的Fe2O3 、ZnO、CuO(纯度都大于99%)、 NiO(纯度大于98%)。按缺铁配比Fe2O3 :ZnO: NiO: CuO=49.7:32.4:12.6:5.3进行配料作为基本配方,分别在875℃、900℃、925℃、950℃预烧后,分有无MoO3掺杂,(掺杂量分别为0.08wt%、0.1wt%、0.12 wt%、0.14 wt%、0.16wt%、0.18wt%),料/球/水=1/2/1的比例用直径四分之一英寸的锆球,采用特殊专用的粉碎设备中进行粉碎、烘干、制作颗粒,然后压成φ12.7×7.9×6.5标准环,烧结温度为1120℃~1140℃,保温3hrs。
2.2样品测试
采用HP4284测试L、Q值。由

计算材料的起始磁导率。其中N:线圈匝数;D:外径(mm);d:内径(mm);h:厚度(mm)。采用SY8232B-H仪测试Bs、Br(1600A/m)。
3实验结果和讨论
3.1预烧温度对性能的影响
主成分相同,预烧温度不同,对高磁导率NiCuZn铁氧体而言,磁导率和剩余磁感应强度的变化较为强烈,预烧温度低,磁导率偏高,但预烧温度偏高或偏低, 剩余磁感应强度Br均较大,而Bs则影响不大,只有预烧温度在900℃时,剩余磁感应强度Br出现了最低谷。
不同预烧温度对磁导率的影响见表1、表2。
众所周知,晶格不规则、晶格缺陷、表面能、比表面积等是影响粉料活性的主要原因[3]。粉碎过程中固体微粉的分散度增大,成为具有开放性孔隙结构状态,因此粒度越细,比表面积越大,活性越高。而引起活性的主要原因是粉料的细度,预烧温度从低到高,预烧料的颜色和收缩率有着明显的变化,颜色从红褐色转向棕黑色;收缩率从小到大。所以,随着预烧温度的升高,被排出的气孔越来越多,但活性也随之降低,因而当活性越来越差时,磁导率也随着往下降,合适的预烧温度时,预烧块密度不大,容易粉碎,具有较好的活性,在晶粒生长期中使之均匀生长,结晶速度慢,气孔率少。而Br、Hc都与磁滞损耗有较为密切的联系,只有在内部晶粒结构均匀,气孔率少的情况下,才会有效降低剩磁。由图1可见,900℃预烧料的晶粒细小、均匀,晶形比较完整。在铁氧体烧结过程中,一般认为,最佳预烧温度应该控制在主晶相基本合成而粉料之间未有完全烧结为宜[4]。本实验最后定为900℃为最佳预烧温度。请看图1:
3.2掺杂对性能的影响
从理论角度来说,添加低熔点物质,可以起到助熔的效果,使晶粒均匀生长,会对剩磁有所减小,在掺入诸多的添加物中,我们发现MoO3 对降低剩余磁感应强度的效果比较显著。Mo在元素周期表中与W同族,其氧化物MoO3 是一种可有效降低磁损耗的添加物,其熔点低于NiCuZn铁氧体的典型烧结温度[5]。不同含量MoO3掺杂对Br的影响见表3。
从表3中,我们可以看到,当MoO3掺杂含量在0.12wt%时,剩余磁感应强度出现了最低谷,而材料的磁导率在MoO3掺杂含量在0.12wt%后,也会着MoO3含量的增加而减弱。
剩余磁感应强度是‘磁滞回线’的不可逆性过程中,由于B落后于H一个相位角δ所致。因此,当磁滞回线Br、Hc都很小,其所围面积较小时,其磁损耗就小,呈正比关系[6]。而我们本次实验掺杂MoO3 ,主要起到了控制晶粒生长的作用。功耗小的铁氧体,它的晶粒是均匀的,气孔率较低,非磁性相和非尖晶石的另相很少,那些孤立的异常长大晶粒几乎没有。而MoO3 则是一种较好的烧结促进剂,它的适量掺入,能促进晶粒在较低温度烧结时晶粒生长和致密化,这样可以增高烧结体密度,即增大了Bs又减弱了Br,起到了两全其美。图2为MoO3 含量为0.12wt%的磁体SEM图。
3.2球磨对剩磁的影响
本次球磨设备内用的钢球,采用了耐磨性较好的不锈钢球,这种钢球,耐磨性较好,这从根本上防止了在二次球磨时铁屑的进入,而铁屑最致命的是可以最终在铁氧体内部形成“rFe2O3 ”,“rFe2O3 ”,是一种不稳定因素,是一种Br较大的磁记录介质,最后导致剩磁Br增大。
4结论
①预烧温度的高低直接影响粉料的活性与细度以及粒径的常态分布,从而影响铁氧体的电磁性能。本文研究的铁氧体最佳预烧温度为900℃/2h。
②MoO3的适量掺入,可以做为一种较好的烧结促进剂,改善铁氧体内部组织结构,从而有效降低磁损(剩磁),本文研究的最佳量为0.12wt%

参考文献
[1]SIEMENS公司产品目录.
[2]日立公司产品目录.
[3]陆厚根编著,粉体工程导论,同济大学出版社,1993:214-218.
[4]李标荣编著,电子陶瓷工艺原理,华中工学院出版社,1986.
[5]K.S.Park.J.H.Nam and J.H.Oh,"Effect of Wo3 Addition on the Electircal and Magnetic Properties of NiCuZn Ferrites",J.Mag.soc.Japan.vol.22,No.SL,pp.308-310,1998.
[6]朱成编著,磁性物理与软磁铁氧体,天通控股集团,2004,41

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