宽频低损耗MnZn功率铁氧体的研究

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信息技术的发展要求电子器件小型化和高效率,对磁性元件的功率损耗、起始磁导率、饱和磁通密度和损耗的温度特性及频率特性提出了越来越高的要求。MnZn功率铁氧体作为10 MHz以下性能最佳高频应用材料已经成为研发热点,其起始磁导率、饱和磁通密度和损耗及损耗温度特性及频率特性等磁性能成为材料研发的焦点。传统上MnZn功率铁氧体针对不同的应用频率对应不同特性的材料,存在的“专用专造”的资源浪费现象。本课题通过对MnZn铁氧体的制备技术、电磁性能及影响机理展开研究,期望开发出一种宽频低损耗MnZn功率铁氧体材料,能够应用在200 kHz~500 kHz较宽的频率范围,以实现磁性元件的小型化和高效率。本课题以传统低成本氧化物工艺为基础,研究了原材料配方、制备工艺(球磨时间、预烧温度和烧结温度)和添加剂等对材料起始磁导率、饱和磁通密度和高频损耗及温度特性的影响,结果表明:MnZn铁氧体三元配方(Fe2O3-MnO-ZnO)中的Fe2O3和ZnO的含量对材料起始磁导率、饱磁通密度和损耗有重要影响,最终确定宽频低损耗MnZn铁氧体配方为:Fe2O3=53.9 mol%(摩尔百分数),ZnO=9.2 mol%(摩尔百分数),MnO=36.9mol%(摩尔百分数)。合适的预烧温度能够提高晶粒分布的均匀性,改善微观结构,获得相对较高的饱和磁通密度(Bs)、起始磁导率(μi)以及较低的功率损耗(Pcv),最终确定预烧温度为850℃。二次球磨时间会影响烧结前粉料的粒度及分布,从而影响烧结过程。粉料粒径过小易引起烧结体中出现晶粒的异常生长,材料功率损耗恶化。最终确定平均临界尺寸为1.21μm,相对适宜的平均粉料粒径为1.47μm。烧结温度可显著影响材料的微观结构,随着烧结温度的升高,晶粒的完整度不断提高,晶界的气孔数降低;烧结温度过高将会引起晶粒的异常生长使材料涡流损耗增加,本项目合适的烧结温度为1220℃。选择MoO3、Sb2O3和In2O3三种添加剂进行了实验及理论分析,并最终确定了添加剂的用量。MoO3具有较低的熔点,烧结过程中形成液相促进畴壁运动并降低内应力,提高起始磁导率并降低材料功率损耗。过量添加则会导致晶粒的异常生长,引起材料损耗性能恶化。Sb2O3亦具有较低的熔点,容易形成液相烧结。过量Sb3+(Sb2O3添加量超过0.060 wt%)会取代MnZn铁氧体尖晶石结构中的Fe3+,使晶胞体积增大。在其它条件不变时,当Sb2O3添加量为0.030 wt%时,材料损耗较低。In2O3拥有高的熔点,易存在于晶界处,可有效控制晶粒尺寸,促进晶粒均匀分布。适量的In2O3可有效提高MnZn功率铁氧体的截止频率,减小材料的剩余损耗。当In2O3添加量为0.015 wt%时,材料损耗特性最佳。
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