高頻寬溫低功耗mnn鐵氧體材料的研制z

1、 高頻寬溫低功耗 Mn Z n 鐵氧體材料的研制 鐘 家全 ( 西南應(yīng)用磁學(xué)研究所 ，四川綿 陽 6 2 1 0 0 0 )摘 要 ： 按基 本配方 F e a O 3 ： Mn O ： Z n O = 5 2 ． 8： 3 6 ． 5： 1 0 ． 7 ( m o 1 ％) ，加入適量雜質(zhì) ，采用氧化物 陶瓷工藝 、平衡 氣氛燒結(jié)法 ，制備 了低溫度 系數(shù)、低功耗及優(yōu) 良直流 疊加特性的 Mn Z n鐵氧體 材料 。該材料適 用于高頻

2、開 關(guān) 電 源變 壓 器 。關(guān)鍵詞 ： Mn Z n 鐵 氧體 ；高頻 ；寬溫；開關(guān) 電源 ；直流疊加 ；功 率損耗 中圖分類號 ： T M2 7 7 + ． 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： B文章編 號 ：10 0 1 - 3 8 3 0 ( 2 0 0 5 ) 0 4 — 0 0 4 1 · 0 21引言 3實(shí)驗(yàn)結(jié)果 電子技術(shù) 的快速發(fā)展對開關(guān) 電源主變壓器用 Mn Z n 功率鐵氧體材料提出了高頻 、寬溫 、 低功耗 等越來越高的要

3、求 。 由于該類磁芯是在大電流或有 直流偏場的場合下使用 ， 因而是否具有優(yōu) 良的直流 疊加特性就顯得非常重要 了。2實(shí)驗(yàn)方法 采用市售 F e 2 O 3 、 Mn C O 3 、 Z n O主原料 ， 按摩 爾 比 F e 2 O 3 ： Mn C O 3 ： Z n O = 5 2 ． 8： 3 6 ． 5： 1 0 ． 7 配 料 ， 然后按料 ： 球 ： 水= l ： 3： 1 ． 1( 重量 比) 裝入 球磨罐中，加入去離子

4、水濕式球磨 7 h后烘干 ，烘 干的料粉在 K O 一 1 1 爐中 9 0 0 o C 下預(yù)燒 3 h 。預(yù)燒料 粉加入一定量的 S i O 2 、 C a C O 3 、 Z i O 2 、 S n O 2 、 N b 2 0 5等雜質(zhì)后進(jìn)行二次球磨 ( 料 ： 球 ： 水= l ： 3： 0 ． 9 ) ，球磨時(shí)間為 2 4 h 。 磨料烘干后按料重的 1 0 ％~ 1 人濃 度為 1 0 ％的 P V A膠水造粒。 預(yù)壓餅搗碎后

5、取 3 0目一 8 0 目 的 顆 粒 料 備 用 。 顆 粒 料 陰 干 后 在 2 0 0 — 3 0 0 M P a 的壓強(qiáng)下壓制成環(huán)型磁芯生坯，在真 空爐中用平衡氣氛燒結(jié)法燒結(jié)成 01 6 × 01 0 × 5 m m 的標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)。用 H P 4 2 7 4 A型 L C R測試儀測量標(biāo)環(huán) 的起始磁 導(dǎo)率 ； 及 i ～ T曲線。用 R E MA G R A P HC 一 7 5 0 靜 態(tài)磁滯 回線測試儀測

6、量常溫和 1 0 0 ℃下的靜態(tài)參 數(shù)。 用 S Y 8 2 3 2B — H分析儀分別在 5 0 0 k H z 、 5 0 m T ，1 MH z 、 3 0 m T，3 MH z 、1 0 m T條件下測量 2 5 ℃、6 0 ℃、 8 0 o C 、 1 0 0 o C 和 1 2 0 ℃的功率損耗。 用 A g i l e n t4 2 9 4 A 型精密阻抗分析儀測量樣品的常溫直 流疊 加特性 。收稿 日期 ：2 0 0 5

7、 - 0 1 - 1 9磁性材料反器件修 回 日期 ：2 0 0 5 ． 0 2 ． 2 72 0 0 5年 8月 表 1 為標(biāo)準(zhǔn)樣品的靜態(tài)磁參數(shù) ， 表 2 為樣 品的 功率損耗 ，表 3為樣品的 L 一 日 關(guān)系。圖 1 為樣品 的 i 一曲線 ，圖 2給出了樣 品的功耗特性 ，圖 3給出了樣品的直流疊加特性。為便于比較 ， 表 4 給 出了 P h l i p s3 F 4 材料特性 ，比較二者之參數(shù)可以看 出 ，本材料的電磁性能

8、優(yōu)于 3 F 4材料 。表 1 標(biāo)環(huán) 的靜態(tài)磁 性能 表 3 樣品的常溫直流 疊加特性 ( 1 2 1 1 6 ． 2 7X 01 0 ． 2 5X6 ． 1 4 r a m。3 0匝 )4 1維普資訊 http://www.cqvip.com 表 4P h i l i p s 公 司 3 F 4材料性能 g● ≥號宣 4討論 - ， 一 - r - ’’’ ’’√ 7 7 ℃ 圖 1 樣 品的 i - T 曲線 ℃ 圖 2 樣

9、品 的功耗特性 1 50． ．， — ‘— · ’ ’’] - - -● 。 l 廣1 - 一 一 。 一-一 ~一-— 1 0 k— H z二 叁- 一 5 0 0 1 d q z． ． 一一 ■一 1 o o l 【 H z 一 × 一 5 O 0 姘 z直 流偏場／ A · m圖 3 樣 品的疊加直流特性 Mn Z n 鐵氧體的功率損耗 由磁滯損耗 P h 、 渦流 損耗 P e 和剩余損耗

10、P組成。在使用時(shí)總是希望總 功耗盡可能低 。 同時(shí) ， 為適應(yīng)惡劣環(huán)境條件及大電 流和偏場下的應(yīng)用 ，優(yōu) 良的 i - T特性 、直流疊加 特性也顯得非常重要。4 ． 1降低總功耗 我們采用調(diào)節(jié)磁晶各向異性常數(shù) 的方法來 降低 P。在二次球磨時(shí)加入 0 ． 0 1 ~ 0 ． 2 ％的 T i O ： 可有 效地降低 ， 使材料在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)值較 小 ， 這就降低了磁滯損耗。同時(shí) ， 因～曲線變得 平緩 ，得到了優(yōu) 良的 j ～

11、T曲線 ，如圖 1 所示。加入 S i O 2 和 C a C O 3 可使 降低 。 在燒結(jié)過程 中，S i O 2 和 C a C O 3 會生成高 電阻率的 C a S i O 3 ，高 濃度地積聚于晶界 ， 從而提高 了晶界電阻率 。 加入 T i O 2 和 S n O 2 ，由于 T i 4 + 和 S n 4 + 會部分進(jìn)入晶粒 ，在很大程度上束縛了 F e 2 + ， 使其與 F e n 的電子交換 變得困難 。 從而提

12、高了晶粒 內(nèi)部的電阻率。晶界與 晶粒 電阻率 的提高使材料的 得以有效降低。有報(bào)道認(rèn)為，Mn Z n功率鐵氧體的 歸因于疇 壁共振。那么使用頻率越高 ，越接近共振頻率 ，就越大。 采用低溫?zé)Y(jié)可使疇壁數(shù)量減少和凍結(jié)從而 降低 P r ，取得了滿意的效果。低溫?zé)Y(jié)使晶粒細(xì)小 而均勻 ， 有的晶粒有可能成為單疇顆粒 ， 減少了疇壁 數(shù)量。 再進(jìn)行特殊的工藝處理 ， 使部分疇壁 “ 凍結(jié) ” ，從而使疇壁共振的能耗大大降低，即降低了 。4 ．

13、 2提高直流疊加性能 從表 2 可看出， 1 0 k H z ～ 1 MH z 頻率下， 隨著外 加偏場的升高， 磁芯的電感逐步增大 ， 外加偏場為 5 2 ． 5 A ／ m時(shí)幾種頻率下電感都達(dá)到最大值 ， 再增大 偏場 ， 電感呈下降趨勢 。 筆者認(rèn)為 ， 這仍與疇壁 “ 凍 結(jié) ”有關(guān) 。當(dāng)有外加偏磁場時(shí)，“ 凍結(jié) ”的疇壁獲 得了一定的能量 ， 使得壁移磁化變得更容易 。 從而 增大了壁移磁化對磁導(dǎo)率的貢獻(xiàn) ， 磁導(dǎo)率增大。 直

14、 流偏場進(jìn)一步增大后 ， 又使疇壁在一定程度上受到 束縛 ， 所以達(dá)到峰值后 ，隨著外加偏場 的增大 ， 電 感緩慢下降。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明， 通過特殊的工藝處理 ，可以部分 “ 凍結(jié) ”疇壁 ，提高直流疊加性能。5 結(jié)論 ( 1 )通過加入 S i O 2 、 C a C O 3 、T i O 2 、S n 0 2 等 雜質(zhì) ， 采用合理的工藝 ， 可有效降低 Mn Z n 功率鐵 氧體材料的總功耗 。( 2 ) 采用加入 T i O

15、2 的方法可以有效地在整個(gè) 工作溫度范圍內(nèi)降低 l ， 從而使 i ～ T曲線變得平 緩 ，即具有寬溫 ( 低溫度系數(shù) )特性 。( 3 )疇壁 “ 凍結(jié) ”不僅 可以降低磁滯損耗 ，而且可改善材料的直流疊加特性 。致謝 ：在該材料的研制過程 中， 九所軟磁測量中心的 彭清貴高工 、鄭慶珍工程師進(jìn) 行 了大量 的測試工 作 ，付出了辛勤的勞動 ，在此致 以真誠 的謝意。JMa g nM a t e rD e v i c u V o l3