兩種高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料研究.pdf

1、信息技術的飛速發(fā)展對應用于高頻功率轉(zhuǎn)換場合的磁性器件的要求越加苛刻，對高頻功率轉(zhuǎn)換用軟磁鐵氧體材料的磁導率、飽和磁感應強度、損耗、磁導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。由于我國的技術水平比較落后，當前的研發(fā)水平落后于鐵氧體發(fā)達國家，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、和提高可靠性的關鍵，對電子產(chǎn)品的小型輕量化發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。正是基于上述發(fā)展趨勢及市場需求，本文分別就高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn和NiZn鐵氧體的制備技術和電磁性能及其影響機理展開研究。
　　 首先，綜述了最近二十年來高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn和NiZn鐵氧體材料的國內(nèi)外發(fā)展狀況、研究進展和基礎理論，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。在對國內(nèi)外現(xiàn)狀深刻認識和理解的前提下，簡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MnZn鐵氧體晶體結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、磁導率、磁導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率。對于工作頻率為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?shù)匮娱L球磨時間可以提高MnZn鐵氧體的磁導率，降低高頻損耗。預燒對MnZn鐵氧體的磁性能有很大影響，適宜的預燒溫度可提高磁導率，降低高頻下的磁芯損耗。對于高頻功率轉(zhuǎn)換用MnZn軟磁鐵氧體而言，添加劑的選擇不是簡單的疊加，而應考慮添加劑間的交

5、互作用，通過實驗研究及理論分析，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)。針對方程ＰL=KBmxfy，1MHz下，磁感應強度的指數(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)生機制及其對總損耗的影響，并在實驗結(jié)果上得到驗證。
　　 在高頻功率轉(zhuǎn)換用NiZn鐵氧體方面，在課題組已有主配方、球磨時間和預燒工藝優(yōu)化的基礎上，深入討論了添加劑對高頻功率轉(zhuǎn)換用NiZn軟磁鐵氧體材料的作用機理，分析了SnO2、Bi2O3及Nb2O5添加劑對鐵氧體材料晶體結(jié)構(gòu)、晶粒生長、致

8、密性及最終表現(xiàn)出的宏觀磁特性的影響。同時，從產(chǎn)業(yè)化角度考慮，引入價格相對低廉的CuO部分替換價格昂貴的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NiZn鐵氧體晶粒生長的作用機制；當

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，材料具有較高的起始磁導率和較低的損耗。對于SnO2摻雜的NiZn鐵氧體而言，其x射線衍射強度強于未摻雜的NiZn鐵氧體，而適量加入SnO2(0.10～0.15wt％)，可促進NiZn鐵氧體的傳質(zhì)和燒結(jié)，加速晶粒生長，使NiZn鐵氧體有較高的起始磁導率，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Nb2O5含量低于1.00wt％時，可獲得單相的尖晶石結(jié)構(gòu)，而加入1.00wt％的Nb2O5時，除了尖晶石相外，還有四方相的FeNb2O6出現(xiàn)，導致(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鐵氧體的晶粒生長機制；適量加入Nb2O5(0.40wt％)，NiZn鐵氧體的可獲得高的起始磁導率(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℃；當配方體系中的Fe2O3含量由缺鐵向富鐵變化時，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，相應地晶格常數(shù)先增大后降低，在Fe2O3含量為49.0mo1％達到最大值。