兩種高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料研究.pdf

1、信息技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)應(yīng)用于高頻功率轉(zhuǎn)換場(chǎng)合的磁性器件的要求越加苛刻，對(duì)高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料的磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、損耗、磁導(dǎo)率和損耗的溫度特性及頻率特性的研究逐漸成為目前高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn和NiZn鐵氧體材料的研究熱點(diǎn)。由于我國(guó)的技術(shù)水平比較落后，當(dāng)前的研發(fā)水平落后于鐵氧體發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)的MnZn和NiZn鐵氧體材料仍處于中低檔水平，因此，開展高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料的研究是實(shí)現(xiàn)電子器件(尤其是電源系統(tǒng))小型化、輕量化

2、和提高可靠性的關(guān)鍵，對(duì)電子產(chǎn)品的小型輕量化發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)意義。正是基于上述發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)需求，本文分別就高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn和NiZn鐵氧體的制備技術(shù)和電磁性能及其影響機(jī)理展開研究。
　　 首先，綜述了最近二十年來高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn和NiZn鐵氧體材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、研究進(jìn)展和基礎(chǔ)理論，指出了高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料的研究目的和重要性。在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀深刻認(rèn)識(shí)和理解的前提下，簡(jiǎn)要介紹了本文采用的制備高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁

3、鐵氧體的制備工藝及分析表征方法。
　　 在高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn鐵氧體方面，重點(diǎn)研究了原材料、配方、制粉工藝、摻雜以及燒結(jié)工藝等工藝參數(shù)對(duì)MnZn鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率溫度特性及頻率特性、高頻損耗的溫度特性及頻率特性的影響。結(jié)果表明：
　　 通過調(diào)整配方中的Fe2O3和ZnO含量可以降低MnZn鐵氧體的高頻磁芯損耗、改善材料的起始磁導(dǎo)率。對(duì)于工作頻率為1～3MHz高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn鐵氧體，適宜的配方

4、是：Fe2O353.0mo1％、ZnO8.5mo1％、MnCO338.5mo1％。球磨工藝影響到粉體的粒徑，從而影響其活性。采用超硬鋯球取代鋼球作球磨介質(zhì)，可有效地降低MnZn鐵氧體的高頻損耗，而適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)球磨時(shí)間可以提高M(jìn)nZn鐵氧體的磁導(dǎo)率，降低高頻損耗。預(yù)燒對(duì)MnZn鐵氧體的磁性能有很大影響，適宜的預(yù)燒溫度可提高磁導(dǎo)率，降低高頻下的磁芯損耗。對(duì)于高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn軟磁鐵氧體而言，添加劑的選擇不是簡(jiǎn)單的疊加，而應(yīng)考慮添加劑間的交

5、互作用，通過實(shí)驗(yàn)研究及理論分析，我們找到了制備高頻(1～3MHz)低損耗MnZn鐵氧體的三種添加劑組合，分別為：CaO(0.30wt％)、SnO2(0.10wt％)、TiO2(0.40wt％)及Nb2O5(0.03wt％)，CaO(0.30wt％)、SnO2(0.10wt％)、TiO2(0.20wt％)、NiO(0.10wt％)及Nb2O5(0.05wt％)，CaO(0.30wt％)、SnO2(wt％)、TiO2(0.20wt％)、K2

6、CO3(0.03wt％)及Nb2O5(0.03wt％)。合適的燒結(jié)條件是：燒結(jié)溫度為1230℃左右、保溫時(shí)間為3h左右、燒結(jié)保溫段的氧分壓為4％左右。
　　 基于自主研發(fā)的高頻低損耗MnZn鐵氧體材料，深入討論了寬溫(25-120℃)高頻(1～3MHz)范圍內(nèi)低損耗MnZn鐵氧體的磁芯損耗。首次修正了工作于1～3MHz的高頻低損耗MnZn鐵氧體的斯坦梅茲系數(shù)和頻率指數(shù)。針對(duì)方程ＰL=KBmxfy，1MHz下，磁感應(yīng)強(qiáng)度的指數(shù)(x

7、)為2.58，而3MHz下為2.01。而在30mT和10mT下的頻率指數(shù)(y)分別為2.22和2.73。首次從理論模型上探討了高頻剩余損耗的產(chǎn)生機(jī)制及其對(duì)總損耗的影響，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上得到驗(yàn)證。
　　 在高頻功率轉(zhuǎn)換用NiZn鐵氧體方面，在課題組已有主配方、球磨時(shí)間和預(yù)燒工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，深入討論了添加劑對(duì)高頻功率轉(zhuǎn)換用NiZn軟磁鐵氧體材料的作用機(jī)理，分析了SnO2、Bi2O3及Nb2O5添加劑對(duì)鐵氧體材料晶體結(jié)構(gòu)、晶粒生長(zhǎng)、致

8、密性及最終表現(xiàn)出的宏觀磁特性的影響。同時(shí)，從產(chǎn)業(yè)化角度考慮，引入價(jià)格相對(duì)低廉的CuO部分替換價(jià)格昂貴的NiO，研究了缺鐵、正分及富鐵配方NiCuZn鐵氧體的晶化、晶粒生長(zhǎng)及磁性能的影響。結(jié)果表明：
　　 在NiZn鐵氧體材料中，首次通過背散射電子相(BSEI)和x射線分散能量譜(EDS)分析，證實(shí)Bi2O3析出在晶界處并形成液相層；從材料的顯微結(jié)構(gòu)入手，借助液相燒結(jié)理論，深入研究了Bi2O3對(duì)NiZn鐵氧體晶粒生長(zhǎng)的作用機(jī)制；當(dāng)

9、添加Bi2O3含量為0.20wt％，0.08wt％和0.04wt％的NiZn鐵氧體分別在1180，1220和1250℃燒結(jié)時(shí)，材料具有較高的起始磁導(dǎo)率和較低的損耗。對(duì)于SnO2摻雜的NiZn鐵氧體而言，其x射線衍射強(qiáng)度強(qiáng)于未摻雜的NiZn鐵氧體，而適量加入SnO2(0.10～0.15wt％)，可促進(jìn)NiZn鐵氧體的傳質(zhì)和燒結(jié)，加速晶粒生長(zhǎng)，使NiZn鐵氧體有較高的起始磁導(dǎo)率，在50kHz150mT下有較低的磁芯損耗。在NiZn鐵氧體材料

10、中，加入不同含量的Nb2O5添加劑，當(dāng)Nb2O5含量低于1.00wt％時(shí)，可獲得單相的尖晶石結(jié)構(gòu)，而加入1.00wt％的Nb2O5時(shí)，除了尖晶石相外，還有四方相的FeNb2O6出現(xiàn)，導(dǎo)致(440)衍射峰成為主峰；結(jié)合XRD、SEM及EDS分析，深入地探討了Nb2Os摻雜的NiZn鐵氧體的晶粒生長(zhǎng)機(jī)制；適量加入Nb2O5(0.40wt％)，NiZn鐵氧體的可獲得高的起始磁導(dǎo)率(1783)以及低的磁芯損耗(257kW/m3)。
　　

11、 最后，從材料制備成本和能耗考慮，在配方中引入適量CuO替代價(jià)格昂貴的NiO，研究了缺鐵、正分及富鐵配方的晶化問題，燒結(jié)樣品的晶體結(jié)構(gòu)，顯微結(jié)構(gòu)及電磁性能。研究發(fā)現(xiàn)：缺鐵配方具有更低的晶化溫度，約887.2℃，而富鐵配方晶化溫度最高，約974.2℃；當(dāng)配方體系中的Fe2O3含量由缺鐵向富鐵變化時(shí)，NiCuZn鐵氧體的x射線衍射峰呈現(xiàn)先向低角偏移后向高角偏移的趨勢(shì)，相應(yīng)地晶格常數(shù)先增大后降低，在Fe2O3含量為49.0mo1％達(dá)到最大值。