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高性能TN230B高导NiCuZn材料的研究

2005-10-31 11:04:54 来源:《国际电子变压器》2005年11月刊

1引言
目前,随着光纤同轴电缆混合(HFC)系统、多媒体、有线宽带技术的高速发展,需要大量的分支/分配器、功率器、隔直器、宽带传输线变压器、EMI滤波器等射频宽带器件,这些器件频带的扩展也使得高频高磁导率的NiZn系铁氧体材料得到快速的发展。此类材料在配方上一般都含有较多的ZnO,因此虽然磁导率有所提高,但居里温度及磁导率的温度稳定性都有较大的下降,从而大大限制了该材料的应用领域。因此,开发具有高磁导率、高居里温度的NiZn系列铁氧体材料具有十分重要的意义。
2理论依据
目前,对高磁导率的NiZn铁氧体理论研究日趋完善。材料的初始磁导率为:

其中MS为饱和磁化强度、Dm为平均晶粒尺寸、k为磁晶各向异性常数、λ为磁滞伸缩系数、σ为应力。因此:开发高磁导率的NiZn系铁氧体材料应考虑以下几个方面:
2.1原材料
原材料的好坏,对能否制备出优良高磁导率的材料起到相当关键的作用。而原材料主要考虑它的化学特性和物理特性,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。我们在实验中均采用了高纯度的Fe2O3、ZnO、CuO(纯度都大于99%)、NiO(纯度大于76%)。
2.2工艺条件
关键工艺主配方、预烧、砂磨、烧结。
主配方是制备高磁导率铁氧体的基础。一般要满足K1→0、λS→0。为开发此类材料,首先考虑将适量的CuO放入主配方中,以达到降低烧结温度和提高材料致密度的目的,Cu与NiCuZn铁氧体中的其它组分在烧结过程中形成低共熔物质,导致在较低温度下出现液相,通过液相传质和粘结作用,促进烧结,第二,CuFe2O4和形成固溶体,在烧结过程中CuO会入进晶格形成NiCuZn尖晶石固溶体。其烧结机制为过渡液相烧结,有利于获得电磁与机械性能优良的材料。固溶体主晶相中的Cu2+一般进入八面体位,由于受到正八面体晶场作用而使得Cu2+周围点阵发生变化,从而导致整个晶格产生畸变。晶格畸变同样可以促进烧结,但是,也不排除Cu2+同时置换Fe3+情况:

氧空位的存在同样有利于离子扩散,加速晶格长大,促进烧结,提高致密度。所以CuO的加入大大改善了NiCuZn铁氧体的烧结性能,使烧结温度显著降低。但是,加入过多的CuO时,由于Cu2+的固溶而引起的晶格弹性能增大,Cu2+难以继续固溶进晶格,而是残留在晶界与其它组份共同形成玻璃相。晶界中的玻璃相不可能因为CuO的不断增加而继续降低烧结温度。再选用FeO3略负分值配方,以获得较稳定的Q值和L值。考虑到居里温度为铁氧体材料的本征特性参数,主要受材料的主配方和晶体结构影响。所以,我们在实验中不能在配方上使用过量ZnO,以获得较高的居里温度和磁导率温度稳定性。因此ZnO为32.5mol%左右、NiO在12.5mol%左右,余下则为CuO。
此外,预烧和砂磨也很重要。而这二者是相关联的,预烧温度的高低与砂磨的效果是相匹配的(砂磨机内的钢球、水、料按一定比例);预烧温度高,则砂磨后料径要大;预烧温度低,则砂磨后料径要小。一般预烧温度在950℃左右。保温时间为二小时;砂磨时间也在二小时左右。
2.3烧结
烧结过程对铁氧体的性能具有决定意义;NiZn铁氧体的烧结要求虽然不像MnZn铁氧体那样苛刻,但也有一定的烧结的曲线,因为烧结过程影响到固相反应的程度及最后的组成、密度、晶粒大小等等。众所周知,烧结过程包括升温、保温、降温三个阶段。在升温过程中,要控制一定的升温速度。
250℃-600℃(粘合剂挥发温区)这一温段升温不宜太快。以防止因水分及粘合剂集中挥发而导致坯件热裂与变形。
在温度上升至800℃时,应该保温一定的时间,以获得良好的致密程度。温度再往上升的过程中,升温速率可慢些,因为这一段影响着晶粒的大小、均匀度、气孔的多少与分布等,烧结温度要合适。尽量避免Zn的挥发(在实验室,烧结时可以在磁心周围放少许Zn的原材料,这样可以尽量避免Zn的挥发)。
再者,在保温的过程中,主要是保温温度与保温时间,保温时间的延长可促使固相反应完全,但时间过长的话,会导致铁氧体的分解,产生气泡与另相,反而使性能下降。
在降温时,该过程的控制对产品的性能也有着重大的影响。冷却速度不宜过快。若过快,如出炉温度过高,会因热胀冷缩导致产品冷开裂,或产生较大的内应力,恶化产品性能。
3实验方法
根据上述理论依据选择纯度高、有害杂质少、活性好的四种原材料混合,预烧、砂磨、造粒,进行严格的工

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