專利名稱：一種高溫高飽和磁通密度鐵氧體材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵氧體，尤其涉及一種高溫高飽和磁通密度鐵氧體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
LED照明需要使用驅(qū)動(dòng)電源，作為驅(qū)動(dòng)電路的扼流圈，其工作電路中往往同時(shí)含有交流和直流成分，有時(shí)LED驅(qū)動(dòng)電源還要安裝在燈具內(nèi)，其環(huán)境工作溫度較高，有時(shí)會(huì)達(dá)到100°C甚至更高。為了保證LED能夠正常工作，要求驅(qū)動(dòng)電路的扼流圈，在高溫下以及在很高的直流電流條件下工作時(shí)，其電感都不下降，或者降低很少，對(duì)于磁心，要求在數(shù)百KHz 的頻率下使用，在高溫下直至很高的電流值時(shí)也難以磁飽和。扼流圈中所使用的磁芯通常由硅鋼片、鐵粉心、磁粉心(包括鐵硅鋁、鉬坡莫合金以及高通量鐵鎳合金)、非晶和納米晶等金屬軟磁材料或鐵氧體材料制成。雖然金屬軟磁材料與鐵氧體材料相比，飽和磁通密度更高，即具有在較大的電流下也難以飽和的優(yōu)點(diǎn)，然而其價(jià)格較高，使用成本較高，而且電阻率低，因此，難以在高頻下使用，此外，由于金屬軟磁材料防銹性差，隨著時(shí)間的推移，其電磁性能會(huì)逐漸下降，這對(duì)于應(yīng)用，無疑是不利的。在軟磁鐵氧體中，盡管Niai鐵氧體能夠在更高頻率下使用，但是由于其飽和磁通密度大大低于MnSi鐵氧體，因此，MnSi鐵氧體更適合在高頻大電流下使用。此外，為了進(jìn)一步降低LED 的能耗，需要提高LED驅(qū)動(dòng)電源的工作效率，即降低扼流圈和變壓器的功耗。隨著LED驅(qū)動(dòng)電源愈來愈趨于小型化，其工作電路的頻率也越來越高，驅(qū)動(dòng)電源目前正朝著高頻大功率、小體積、高效率等方向發(fā)展。其對(duì)MnSi鐵氧體材料性能的要求可概括為以下幾個(gè)方面在100°C左右具有盡可能高的飽和磁通密度，以獲得優(yōu)良的直流疊加特性；具有較高的磁導(dǎo)率，以便在繞制較少的線圈匝數(shù)條件下，就能獲得較高的電感值， 即節(jié)約銅線又減少了扼流圈的銅損；在高頻下具有較低的損耗，降低扼流圈的鐵損，從而減少扼流圈或變壓器的溫升，使扼流圈或變壓器在高頻下也能正常工作。因此，能夠廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源變壓器性能優(yōu)良的傳統(tǒng)高頻低功耗鐵氧體，卻不能滿足高頻大功率LED驅(qū)動(dòng)電源的要求，這是由于盡管這些高頻低功耗鐵氧體的功耗很低，在100°C、IOOKHzX200mT下的磁芯功耗在300mw/cm3以下(甚至在250mw/cm3以下)， 25 °C下，材料起始磁導(dǎo)率在2500左右，但由于其在100°C下的飽和磁通密度通常在420mT左右或以下，材料的直流疊加特性還不夠優(yōu)良。在中國公開發(fā)明專利CN1890197A中，公開了一種獲得高飽和磁通密度和低功耗 MnZn鐵氧體的方法，其主配方為狗203 63 80mol %，ZnO :3 15mol %，余量為MnO，輔助成分包括CaO、SiO2、Ta2O5等，在純N2氣氛中升溫、保溫和降溫，并在1175°C下保溫8小時(shí)。 獲得的鐵氧體材料性能為在100°C下，飽和磁通密度在520mT以上，50KHz X 150mT下的磁芯功耗在llOOmw/cm3以下；25°C下，材料起始磁導(dǎo)率在1200以下，且大多數(shù)在500以下。顯然，盡管100°C下，飽和磁通密度較高，但由于功耗較大，起始磁導(dǎo)率低，只能在某些要求不太高的場合使用。另外，由于在純N2氣氛中升溫、保溫和降溫，消耗大量的N2氣，能源消耗大，制造成本高。上述鐵氧體材料，盡管100°C下，飽和磁通密度較高，但由于磁芯功耗仍然偏大，起始磁導(dǎo)率仍然偏低，因而影響該鐵氧體材料在更多的場合使用，確切的說，還不能應(yīng)用于小體積、大功率的LED驅(qū)動(dòng)電源(為縮小電源體積，電路工作頻率較高，為傳輸更大的功率，扼流圈和變壓器工作在高磁通密度狀態(tài)下，同時(shí)扼流圈中有較大的電流通過)。本發(fā)明正是基于該現(xiàn)狀而提出的，其目的在于，提供在100 V條件下具有較高飽和磁通密度，在100°c條件下具有較低的高頻功耗，在室溫下具有較高的起始磁導(dǎo)率的性能優(yōu)異且制造成本較低的Mnai鐵氧體材料及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種在100°C條件下具有較高飽和磁通密度，在100°C條件下具有較低的高頻功耗，在室溫下具有較高的起始磁導(dǎo)率的性能優(yōu)異且制造成本較低的MnSi 鐵氧體材料及其制造方法。該鐵氧體材料能夠成功應(yīng)用于小體積、大功率的LED驅(qū)動(dòng)電源。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高溫高飽和磁通密度Mnai鐵氧體材料，該鐵氧體材料包括主成分和輔助成分，主成分包含換算為(摩爾比)Te2O3 57. 8 59. 2mol%, ZnO 6 Ilmol%，余量為MnO ；輔助成分包括Er2O3和化03 ；另外還包括其他輔助成分CaO、SiO2 以及MgO，所述輔助成分相對(duì)于主成分總量含量如下(重量比)Er203:0.01 0.15Wt%、 B2O3 :0. 003 0. 03wt %、CaO :0. 02 0. 55wt %、SiO2 :0. 008 0. 050wt %、MgO :0. 01 0. IOwt %。下面，對(duì)本發(fā)明的主成分和輔助成分的數(shù)值范圍的限定理由進(jìn)行說明。當(dāng)Fii2O3的組成小于57. 8mol%，或ZnO的組成大于Ilmol%時(shí)，100°C條件下的飽和磁通密度降低。當(dāng)狗203的組成大于59. 2mol%，盡管可以獲得較高的飽和磁通密度，但是功耗明顯加大。此外，當(dāng)ZnO的組成小于6mol%時(shí)，100°C條件下的飽和磁通密度降低，產(chǎn)品功耗亦明顯加大。本發(fā)明涉及的鐵氧體，作為輔助成分，通過同時(shí)加入0.01 0. 15wt%的Er2O3和 0. 003 0. 03wt%的化03，能夠有效提高鐵氧體的燒結(jié)密度，從而獲得較高的飽和磁通密度以及起始磁導(dǎo)率，并獲得較低的功耗。當(dāng)化03的含有量小于0. 003wt %，或Er2O3的含有量小于0. Olwt %時(shí)，對(duì)提高飽和磁通密度和起始磁導(dǎo)率以及降低功耗的效果不明顯。而當(dāng)化03 的含有量大于0. 03wt%，，會(huì)引起晶粒異常生長，導(dǎo)致鐵氧體功耗明顯上升；當(dāng)Er2O3的含有量大于0. 15wt%時(shí)，將引起飽和磁通密度和磁導(dǎo)率下降。本發(fā)明涉及的鐵氧體，作為其他輔助成分CaO和SiO2，加入0. 02 0. 55wt% CaO 和0. 008 0. 05wt%的SiO2，主要是為了在鐵氧體燒結(jié)時(shí)，在鐵氧體的晶粒邊界上形成高電阻層，從而達(dá)到降低鐵氧體功耗的目的。當(dāng)CaO的含有量大于0. 55wt%時(shí)，或SiO2的含有量大于0. 05wt%時(shí)，將會(huì)使鐵氧體在燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)晶粒生長，從而使鐵氧體的功耗急劇上升，并使起始磁導(dǎo)率下降；本發(fā)明涉及的鐵氧體，作為其他輔助成分，加入0.01 0. 10wt%的MgO，可以有效控制鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)，細(xì)化鐵氧體晶粒，降低鐵氧體的功耗，并提高鐵氧體的飽和磁通密度。當(dāng)MgO的含有量大于0. 10wt%時(shí)，容易引起鐵氧體晶粒異常生長，使鐵氧體功耗明顯上升，同時(shí)使飽和磁通密度和起始磁導(dǎo)率下降；而當(dāng)MgO的含有量小于0. 01wt%時(shí)，對(duì)改善鐵氧體材料性能不明顯。本發(fā)明一種高溫高飽和磁通密度MnSi鐵氧體材料的制備方法，其特征是包括以下步驟1〕將主成分狗203、Mn3O4, ZnO加入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)或球磨機(jī)中進(jìn)行研磨、然后再經(jīng)過噴霧干燥造粒、在回轉(zhuǎn)窯或箱式爐中800 850°C預(yù)燒，得到鐵氧體預(yù)燒料； 2〕將鐵氧體預(yù)燒料同輔助成分一道加入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)或球磨機(jī)中進(jìn)行研磨， 得到鐵氧體料漿，隨后加入10%的PVA溶液(濃度為10% )進(jìn)行噴霧干燥造粒，得到鐵氧體粉料；3〕將鐵氧體粉料經(jīng)壓機(jī)壓制得到密度為3. 0士0. 2g/cm3的鐵氧體毛坯，鐵氧體毛坯可以是各種形狀。將毛坯在真空燒結(jié)爐或鐘罩爐或N2保護(hù)推板窯內(nèi)，在氧分壓為1 4% 的平衡氣氛中，在1250 1300°C溫度下燒結(jié)4 7小時(shí)。通過這樣的制造方法，就能容易地，并且低成本地制造本發(fā)明的MnSi鐵氧體材料。本發(fā)明的有益效果是獲得了一種應(yīng)用于LED照明領(lǐng)域，具有高頻低功耗、高飽和磁通密度和高起始磁導(dǎo)率的性能優(yōu)異的MnSi鐵氧體材料。滿足了 LED照明電路進(jìn)一步朝著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展的迫切需求。利用本發(fā)明方法制備的鐵氧體特征是在25°C下的磁導(dǎo)率為2200 士 25% ；在 100°C條件下的飽和磁通密度大于480mT ；在100°C以及100KHzX200mT條件下的功耗小于 350mW/cm3。
具體實(shí)施例方式以下，基于實(shí)施方式說明本發(fā)明。1)原材料稱量按主成分配方稱取原材料，原材料為狗203、ZnO以及Mn304。主成分配方包含換算為(摩爾比)=Fe2O3 :57. 8 59. 2mol%，ZnO :6 Ilmol %，余量為MnO;2) 一次砂磨將稱量好的原材料放入砂磨機(jī)中，進(jìn)行濕式砂磨，料漿含水量 30% 50%，砂磨時(shí)間0. 5 1. 0小時(shí)；3) 一次噴霧干燥造粒在原材料料漿中加入約10% PVA溶液(濃度為10% )，進(jìn)行一次噴霧干燥造粒；4)預(yù)燒將一次噴霧干燥造粒粉料通過回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒溫度為800 850 0C ；5)輔助成分添加添加下列輔助成分，輔助成分相對(duì)于主成分總量含量如下(重量百分比)Er2O3 0. 01 0. 15wt%,B203 :0. 003 0. 03wt%,Ca0 :0. 02 0. 55wt%,Si02 0. 008 0. 050wt%,Mg0 :0. 01 0. IOwt%。6) 二次砂磨將鐵氧體預(yù)燒料及上述輔助成分放入砂磨機(jī)中，進(jìn)行濕式砂磨，料漿含水量30% 50%，砂磨時(shí)間2. 0 3. 0小時(shí)；；7) 二次噴霧干燥造粒在鐵氧體料漿中加入約10% PVA溶液(濃度為10% )，進(jìn)行二次噴霧干燥造粒；8)成型將二次噴霧干燥造粒鐵氧體粉料進(jìn)行壓制成密度為3. 0 士0. 2g/cm3的鐵氧體毛坯；9)燒結(jié)將毛坯在真空燒結(jié)爐或鐘罩爐或N2保護(hù)推板窯內(nèi)，按以下燒結(jié)溫度曲線和氣氛控制從室溫到600°C，此為排膠階段，升溫較為平緩，這有利于排膠充分，升溫速率100 150°C /hr,空氣氣氛；排膠結(jié)束后，升溫速率提高到200 30(TC /hr,空氣氣氛；燒結(jié)溫度1250 1300°C，保溫4 7小時(shí)，燒結(jié)平衡氧分壓為1 4% ；保溫結(jié)束到1100°C 左右的降溫階段，氧含量控制在0. 01 0. 3%，降溫速率100 150°C /hr ；從1100°C開始， 快速降溫到室溫，降溫速率150 250°C /h，氧含量控制在0. 01%以下。上述配方和制備方法完全能使鐵氧體材料達(dá)到本發(fā)明所述性能參數(shù)。以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，為進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果，列舉了比較例1， 其中比較例1對(duì)應(yīng)的Mnai鐵氧體材料主要用于開關(guān)電源變壓器或者是扼流圈用有關(guān)領(lǐng)域，是一種性能優(yōu)良的高頻低功耗鐵氧體材料。但是，盡管鐵氧體功耗很小，在100°C以及 IOOKHz X 200mT條件下的功耗為^5mW/cm3，但由于其飽和磁通密度通常在420mT左右或以下，材料的直流疊加特性還不夠優(yōu)良，因此，不能滿足LED照明進(jìn)一步朝著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展的需求。實(shí)施例1 按主成分配方(摩爾比)=Fe2O3 :59. Imol %，ZnO 9. 9mol %, MnO 31m0l%，稱取狗203、Mn3O4和加0。投入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)中研磨，料漿含水量 40%，砂磨時(shí)間0. 5小時(shí)，將料漿在一次噴霧造粒后，在850度預(yù)燒2小時(shí)。隨后預(yù)燒料投入預(yù)先加有去離子水砂磨機(jī)進(jìn)行二次砂磨，料漿含水量30%，砂磨過程中相對(duì)所述主成分含量,力卩入 Er2O3 0. 05wt% ^B2O3 0. 01wt%>Ca0 :0. 45wt%>Si02 :0. 015wt%>Mg0 :0. 05wt%。 砂磨時(shí)間2. 0小時(shí)，控制砂磨的平均粒徑為0. 9士0. 2 μ m。最后進(jìn)行二次噴霧得到MnSi鐵氧體顆粒料粉。取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ 15mmX7. 5mm、密度大約為3. 0士0. 2g/cm3 的圓環(huán)。燒結(jié)按以下燒結(jié)溫度曲線和氣氛控制從室溫到600°C，此為排膠階段，升溫較為平緩，這有利于排膠充分，升溫速率100 150°C /hr,空氣氣氛；排膠結(jié)束后，升溫速率提高到150 300°C /hr，空氣氣氛；燒結(jié)溫度1280°C，保溫5小時(shí)，平衡氧分壓為3%;從保溫結(jié)束到1100°C左右的降溫階段，氧含量控制在0. 01 0. 2%，降溫速率100 150°C /hr ；從 1100°C開始，快速降溫到室溫，降溫速率150 250°C /hr，氧含量控制在0. 01%以下。獲得鐵氧體材料性能見表1。實(shí)施例2 按主成分配方(摩爾比)=Fe2O3 :58. Omol %，ZnO -J. 5mol %, MnO 34. 5mol %，稱取F%03、Mn3O4和加0。投入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)中研磨，料漿含水量 40%,砂磨時(shí)間0. 5小時(shí)，將料漿在一次噴霧造粒后，在880度下用電熱式回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行預(yù)燒。 隨后預(yù)燒料投入預(yù)先加有去離子水砂磨機(jī)進(jìn)行二次砂磨，料漿含水量30 %，砂磨過程中相對(duì)所述主成分含量，加入 Er2O3 0. 08wt%, B2O3 :0. 02wt%, CaO :0. 40wt%, SiO2 :0. Olwt%、 MgO :0. (Mwt%。砂磨時(shí)間1. 5小時(shí)，控制砂磨的平均粒徑為0. 9士0. 2μπι。最后進(jìn)行二次噴霧得到MnSi鐵氧體顆粒料粉。取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ 15mmX7. 5mm、密度大約為3. 0士0. 2g/cm3的圓環(huán)，燒結(jié)方法與實(shí)施例1完全相同。獲得鐵氧體材料性能見表1。實(shí)施例3 按主成分配方(摩爾比)狗203 57. 5mol %，ZnO 8. 5mol %, MnO 34. Omol %，稱取F%03、Mn3O4和加0。投入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)中研磨，料漿含水量40 %，砂磨時(shí)間0. 5小時(shí)，將料漿在一次噴霧造粒后，在900度下用電熱式回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行預(yù)燒。隨后預(yù)燒料投入預(yù)先加有去離子水砂磨機(jī)進(jìn)行二次砂磨，料漿含水量30%，砂磨過程中相對(duì)所述主成分含量，加入 Er2O3 0. 03wt %, B2O3 :0. 008wt %, CaO :0. 45wt %, SiO2 0. 015wt%,Mg0 :0. 08wt%，砂磨時(shí)間1. 5小時(shí)，控制砂磨的平均粒徑為0. 9士0. 2μπι。最后進(jìn)行二次噴霧得到MnSi鐵氧體顆粒料粉。取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ 15mmX7. 5mm的圓環(huán)，以及直徑為6mm、高度為12mm的棒形，毛坯密度控制為3. 0士0. 2g/cm3，燒結(jié)方法與實(shí)施例1完全相同。獲得鐵氧體材料性能見表1。在棒形磁心上繞制線徑為0. 25mm的銅漆包線43匝，在頻率為IOOKHz及測試電流為ImA的條件下，測量其在100°C的直流疊加特性。不疊加直流電流時(shí)，電感為98. 8 μ H ；當(dāng)疊加1. 3Α直流時(shí)，電感開始下降；當(dāng)疊加1.5Α直流時(shí)，電感下降到89. 5 μ H，下降幅度約為10% ；當(dāng)疊加1. 7Α直流時(shí)，電感下降到39. 7 μ H，下降幅度為60% ；當(dāng)疊加1. 9Α直流時(shí)，電感下降到20. 3 μ H(此為空心線圈電感，此時(shí)磁心已飽和)。比較例1 按主成分配方(摩爾比)=Fe2O3 :53. 5mol %, ZnO :12. 5mol %, MnO 34. Omol %，稱取F%03、Mn3O4和加0。投入預(yù)先加有去離子水的砂磨機(jī)中研磨，料漿含水量 40%,砂磨時(shí)間0. 5小時(shí)，將料漿在一次噴霧造粒后，在900度下用電熱式回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行預(yù)燒。 隨后預(yù)燒料投入預(yù)先加有去離子水砂磨機(jī)進(jìn)行二次砂磨，料漿含水量30%，砂磨過程中相對(duì)所述主成分含量，加入 CaO 0. 03wt%,Si02 :0. 0IwtNb2O5 :0. 03wt%,Zr02 : 0 . 03wt%, 砂磨時(shí)間1. 5小時(shí)，控制砂磨的平均粒徑為1. 1 士0. 3 μ m。最后進(jìn)行二次噴霧得到MnSi鐵氧體顆粒料粉。取該顆粒料成型壓制Φ25πιπιΧ Φ 15mm X 7. 5mm的圓環(huán)，以及直徑為6mm、 高度為12mm的圓柱體，毛坯密度控制為3. 0士0. 2g/cm3，燒結(jié)按按以下燒結(jié)溫度曲線和氣氛控制從室溫到600°C，此為排膠階段，升溫較為平緩，這有利于排膠充分，升溫速率50 150°C /hr，空氣氣氛；排膠結(jié)束后，升溫速率提高到150 30(TC /hr，空氣氣氛；燒結(jié)溫度 1325°C，保溫3小時(shí)，平衡氧分壓為5% ；從保溫結(jié)束到1100°C左右的降溫階段，氧含量控制在0. 05 2%，降溫速率100 150°C /hr ；從1100°C開始，快速降溫到室溫，降溫速率 150 250°C /h，氧含量控制在0. 01%以下。獲得鐵氧體材料性能見表1。在棒形磁心上繞制線徑為0. 25mm的銅漆包線43匝，在頻率為IOOKHz及測試電流為ImA的條件下，測量其在100°C的直流疊加特性。不疊加直流電流時(shí)，電感為99 μ H ；當(dāng)疊加1. OA直流時(shí)，電感開始下降；當(dāng)疊加1.2Α直流時(shí)，電感下降到91. 5 μ H，下降幅度為10% ；當(dāng)疊加1.4Α直流時(shí)，電感下降到39. 8 μ H，下降幅度為60% ；當(dāng)疊加1. 6Α直流時(shí)，電感下降到20. 5 μ H(此為空心線圈電感，此時(shí)磁心已飽和)。與實(shí)施例3相比較，實(shí)施例3中棒形磁心直流疊加特性明顯優(yōu)于本比較例。本發(fā)明的鐵氧體材料，由于在100°c下，具有比傳統(tǒng)開關(guān)電源變壓器用高頻低功耗Mnai鐵氧體更高的飽和磁通密度，因此，更實(shí)用于環(huán)境工作溫度較高的小體積、大功率的LED驅(qū)動(dòng)電源。 這種鐵氧體可以利用本發(fā)明方法，很容易并且以較低的成本穩(wěn)定的制造。表 權(quán)利要求
1. 一種高溫高飽和磁通密度鐵氧體材料，其特征在于該鐵氧體材料包括主成分及輔助成分，主成分含量以氧化物計(jì)算為=Fe2O3 :57. 8 59. 2mol%, ZnO :6 Ilmol %，余量為 MnO ；輔助成分含量以氧化物計(jì)算為=Er2O3 :0. 01 0. 15wt%,B203 :0. 003 0. 03wt%,Ca0 0. 02 0. 55wt%,Si02 :0. 008 0. 050wt%,Mg0 :0. 01 0. IOwt% ；該鐵氧體材料性能特征在于在25°C下的磁導(dǎo)率為2200士25%，在100°C條件下的飽和磁通密度大于480mT，在100°C以及IOOKHz X 200mT條件下的功耗小于:350mW/cm3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫高飽和磁通密度鐵氧體材料及其制備方法。其特征在于該鐵氧體材料包括主成分及輔助成分，主成分含量以氧化物計(jì)算為Fe2O357.8～59.2mol％，ZnO6～11mol％，余量為MnO；輔助成分含量以氧化物計(jì)算為Er2O30.01～0.15wt％、B2O30.003～0.03wt％、CaO0.02～0.55wt％、SiO20.008～0.050wt％、MgO0.01～0.10wt％。該鐵氧體材料性能特征在于在25℃下的磁導(dǎo)率為2200±25％，在100℃條件下的飽和磁通密度大于480mT，在100℃以及100kHz×200mT條件下的功耗小于350mW/cm3。
文檔編號(hào)C04B35/26GK102408225SQ201110213879
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者陸明岳 申請(qǐng)人:陸明岳