低温烧结NiCuZn铁氧体材料的功耗特性及其应用研究

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作为软磁材料,NiCuZn铁氧体由于其较高的电阻率和饱和磁感应强度以及良好的高频性能等优良特性,被广泛应用在各个领域。随着电子元器件朝着小型化、多功能化方向快速发展,对NiCuZn软磁铁氧体的功耗等性能也提出了更高的要求。低温共烧陶瓷(LTCC)技术能够很好地满足器件小型化和集成化的需求,为了更好地与LTCC技术匹配,NiCuZn铁氧体必须实现低温烧结。如今,低功耗低温烧结NiCuZn铁氧体材料俨然已经成为了发展LTCC器件的关键。本文首先在900℃的低温烧结条件下制备了 NiCuZn铁氧体,并研究了在低含量Bi2O3(0.25 wt%)和高含量Bi2O3(1 wt%)两种掺杂模式下,Cu取代对Ni0.6-xZn0.4CuxFe1.98O4(x=0.1~0.325)铁氧体软磁性能的影响。通过对比发现,在低Bi2O3的掺杂模式下,晶粒整体生长得较细小而均匀,在Cu含量较低时,铁氧体的致密性很低,当Cu含量达到一定程度后样品的密度才会增加得足够高。而在高Bi2O3的掺杂模式下,在整个Cu取代范围内,铁氧体的致密度整体都相对较高,铁氧体的平均粒径也比较大。当两组样品的致密化程度都较好时,低Bi2O3掺杂的样品的起始磁导率、品质因子Q、饱和磁感应强度Bs值甚至适用频率均比高Bi2O3掺杂的样品好,但它的各项性能对于Cu含量的变化更为敏感。本文基于整体软磁性能更好的一组样品(Cu含量为0.275、低Bi2O3掺杂),继续掺杂SnO2、Ti02、Co2O3三种氧化物来进一步改善NiCuZn铁氧体的功耗性能。实验表明,在三种氧化物的适量掺杂下样品的密度都有所提高。对于掺杂SnO2的样品,在0.1 wt%SnO2的掺杂量下,样品得到了最低的损耗值、最大的饱和磁感应强度和密度。对于掺杂TiO2的样品,在0.2 wt%TiO2的掺杂量下,样品拥有最高的电阻率和最低的损耗值,不过在其他掺杂量下样品的电阻率较低,损耗值也增大,降低功耗的效果不显著。对于掺杂Co2O3的样品,在0.3 wt%Co2O3的掺杂量下,样品获得了较高的密度和饱和磁感应强度,并且始终拥有最低的功耗,且功耗的降低幅度非常明显。在对比了所有掺杂样品后,论文选取掺杂0.3 wt%Co2O3和0.25 wt%Bi2O3的NiCuZn铁氧体作为磁芯材料,利用HFSS软件进行LTCC变压器的设计与仿真,最后成功得到了一款性能优良的LTCC变压器。
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