降低锰锌功率铁氧体功耗指标的方法探讨

降低锰锌功率铁氧体功耗指标的方法探讨作者：李慎芳诸葛福杰诸葛祥华来源：《佛山陶瓷》2017年第09期摘要：功耗是功率铁氧体材料的重要指标，影响功率铁氧体材料功耗性能的因素很多，诸如材料的配方、添加剂的使用及烧结工艺条件的选择等。

本文通过从材料化学成分、晶体结构以及密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等方面分别讨论了配方优化、原料结构、添加物、粉料制作技术和烧结工艺等关键技术对铁氧体功耗的影响。

关健词：功率铁氧体；功耗；配方；添加剂；烧结工艺1 引言功率锰锌铁氧体材料是信息技术、电子电力等领域广泛应用的材料，为保证设备系统稳定、可靠、高效运行，需严格控制材料的功耗这一重要指标。

功率铁氧体的功耗指标并不是仅仅由其化学成分及晶体结构决定的，减少材料的内应力、气孔体积、杂质和位错，提高饱和磁化强度Ms等措施可降低磁滞损耗；提高晶粒内部的电阻率和晶界电阻率、减小晶粒尺寸可降低涡流损耗；控制Fe2+的含量可降低剩余损耗。

这就要求严格控制工艺过程，使生产的铁氧体多晶体结构精细、均匀，气孔、杂质、缺陷的体积百分比尽可能小，减小材料的内应力，还需要研究和控制它们的密度、晶粒尺寸、气孔率以及它们在晶粒内部和晶粒之间的分布等。

因此，制备高性能功率铁氧体材料，配方是基础、烧结是关键，掺入有效的添加物并与适当的烧结工艺相匹配，则对铁氧体的性能具有决定意义。

上述因素影响固相反应的程度及最后的相组成、密度和晶粒大小，最终影响着功率铁氧体功耗指标。

在实际生产过程中，我们一般采用如下措施来改善功率铁氧体功耗指标。

2 优选原料、优化配方由于铁氧体用原材料优质氧化铁粉以及氧化锰、氧化锌等制备工艺技术和设备不完善，尤其是优质氧化铁不稳定，对功率铁氧体材料的功耗指标影响较大。

原材料的纯度和活性对铁氧体材料的工艺和性能也有很大的影响。

纯度低的原材料在烧结过程中会形成巨晶，从而使导磁率降低，损耗增大。

因此，应尽可能选择纯度高、杂质少、粒度细和活性高的材料。

原材料的选取必须有利于铁氧体生成反应的进行，有利于铁氧体内部组织结构的形成。

因此在原料的选取及粉料加工中应主要注意以下几个方面。

2.1采用优质原料原材料的化学特性，有纯度、杂质、水分。

原料纯度的高低会影响到铁氧体的物理性质，还会影响生成反应的进行，甚至有可能影响铁氧体内部组织结构特性，一般高纯度的原料有利于铁氧体的生成反应。

原料中的某些杂质如Ba、Pb、K、Na、Al、Si等引起晶粒的非连续生长，造成晶格缺陷，从而影响铁氧体的微观结构和增大功耗。

所以，在保证原料纯度的同时，要有效地控制各种杂质的最高含量，以确保产品质量的一致性和工艺的稳定性。

选取性能优良的原材料是生产高性能MnZn铁氧体材料的基础，MnZn铁氧体的原材料中重量的70%为Fe2O3，所以Fe2O3的化学纯度、物理性能及其一致性、稳定性对软磁铁氧体的生产质量至关重要。

其中的杂质元素Si、Ca对提高锰锌铁氧体性能大有好处，然而Fe2O3中固有的Si却严重影响铁氧体性能。

SO42-易于残留在铁氧体中，引起晶格畸变，严重影响材料的磁性能和机械性能，而Cl-1容易腐蚀设备及污染环境，严重制约MnZn铁氧体生产工艺，并对性能产生不利影响。

主配方原料一般要求Fe2O3纯度为99.5%以上、Mn3O4（以Mn计）纯度71.5%以上、ZnO纯度99.8%以上。

原材料中的水分会随着气候变化、存放地点的变动而改变，将会影响配方的准确度，因此原材料最好是密封保存，并在使用前测试水分含量并减除。

原材料的物理特性，包括平均粒径APS，比表面积SSA和松装密度BD，这些都可以反映到原材料的活性（活性是元素参加化学反应能力的表现）上。

原料的颗粒形状一般以球形或接近球形颗粒最好，这样有利于成型紧密，促进固相反应完全，降低烧结温度，提高产品质量。

功率铁氧体原材料的化学、物理特性对铁氧体产品的性能有很大影响，为了确保质量，必须对原材料进行严格挑选的同时，采用“湿法”混合的均匀度要比“干法”混合的均匀度要好，而且对软团聚体和硬团聚颗粒的破坏作用也比干法大一些，增大了各种成分颗粒间的比表面积，能促进固相反应、降低烧结温度，生成均匀晶粒，降低损耗。

需要指出的是粉料混合的均匀度随着使用的设备、混合工艺、混合时间和原材料的颗粒度而变化，对锰锌功率铁氧体而言，要求均匀度要较其他材质要高，但不可过细，混合的均匀度必须控制在允许的、可接受的范围内。

2.2优化配方设计制备低功耗MnZn铁氧体材料，主配方是基础。

要得到低损耗铁氧体材料在配方上必须使磁晶各向异性常数和饱和磁致伸缩系数As趋于零，饱和磁化强度大，同时降低材料的内应力，获得致密均匀的晶粒结构。

前人通过对损耗的温度特性（PL ～ T特性）分析，在满足居里温度要求的情况下，ZnO含量保持x（ZnO）=10.2%不变，增加主配方中Fe2O3含量，随着Fe2O3 / ZnO比的增大，畴壁共振频率移向高端，导致剩余损耗降低；主配方中Fe2O3含量会影响烧结体中Fe2+离子含量，主配方中Fe2O3含量的减少，材料的起始磁导率减小，其Fe2+离子含量减少，材料损耗最低点对应的温度也向高温移动，最低损耗数值增大。

实验证明低功耗铁氧体材料主配方的基本要求是高铁高锰低锌配方，通过分析功率铁氧体其三元相区分析，其中心位置配方约为：Fe2O3：MnO：ZnO = 53.5：36.5：10（mol%），换算为重量比为：71.5：21.6：6.9（wt%）。

国内许多企业功率铁氧体材料的主配方一般为Fe2O3：MnO：ZnO = 53.3：36.5：10.2（mol%）。

2.3强化粉料加工工艺（1）粉料颗粒半径的影响。

影响MnZn铁氧体固相反应速度的主要因素为反应物的颗粒半径。

二次砂磨后的粉料粒度大小及分布会影响烧结过程中的烧结温度与保温时间。

一般平均粒径小，比表面积大的原料的化学活性好，可以获得高质量的烧结铁氧体。

原料的颗粒形状一般以球形或接近球形颗粒最好，这样有利于成型紧密，固相反应完全，提高产品质量。

因此应控制二次球磨颗粒细度，增大颗粒比表面积，加快烧结反应过程，缩短保温时间，使晶粒生长细而均匀，降低制品功耗。

值得注意的是随着二次砂磨时间增加，过度的粉碎虽然能使粉料平均粒径变小，但由于铁氧体粉料尺寸的分布过大，会引起明显的不连续晶粒长大，从而使铁氧体的损耗增加。

另外由于随着砂磨时间的延长或者球料比的增大，必然引起掺Fe量的增加而导致主配方发生偏移，导致二峰温度以下温度的损耗下降，二峰温度以上温度的损耗上升。

因此适当的球料比和砂磨时间，是保证材料优异性能的重要条件。

（2）选择合理的粉料预烧温度。

实验表明随着预烧温度的下降，磁导率的总体变化趋势是在升高，材料在各温度下的损耗均下降。

预烧温度越低，材料的磁导率越高、功耗越小，但事实并非总是如此。

最佳预烧温度也是相对的，主要看是否与烧结工艺匹配（反之亦然）。

合理的预烧温度，可以优化粉料的物理性能和化学性能，更好地满足成形密度和烧结密度，降低气孔率，晶粒更加均匀细化，使得损耗降低。

总之，需要根据材料实际要求选择一个最佳的预烧温度，低于或高于这一温度，材料的性能都会恶化。

现在一般预烧温度控制在850 ～ 920℃之间。

（3）合理的压制密度。

为降低高频下的剩余损耗，从防止扩散考虑，必须控制Fe2+的含量，破坏提供它扩散的重要条件——空位参与作用即控制空位数。

气孔是空位源，所以必须降低气孔率，提高产品密度。

合理的压制密度可以提高烧结密度，促进固相反应进行，降低气孔率，最后得到晶体结构精细、晶粒尺寸更均匀的烧结体，从而使得材料总损耗降低。

功率MnZn铁氧体压制成密度一般为3.0 g/cm3以上。

3 添加剂在影响MnZn功率铁氧体功耗性能的诸多因素中，添加剂是最主要的因素之一。

铁氧体材料中的添加剂主要有助熔、矿化、阻晶和改善电磁性能的作用。

掺入适当和适量的添加物是改善材料磁性能特别是功耗Pc的有效途径。

对功率铁氧体来说，添加物以CaO、SiO2、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、Co2O3、SnO2等最为常见，掺入添加物，不管是在晶界上，如CaO、SiO2、Ta2O5等，还是渗透到晶粒内部，如TiO2等，其目的都是为了增加晶界电阻层，提高晶粒内部电阻率，细化晶粒，抑制粗大晶粒出现，从而降低磁滞损耗和涡流损耗。

加入纳米SiO2添加物可以降低MnZn功率铁氧体涡流损耗，其对提高MnZn功率铁氧体磁性能的效果也最好，这是由于纳米SiO2中的Si原子阻止了其他添加剂金属原子进入铁氧体材料的晶格，与相应的金属原子一起富集到晶界处，形成具有高电阻率的晶界层，从而降低了MnZn 铁氧体材料的涡流损耗。

CaCO3、SiO2混合物在高温烧结时以CaSiO3另相析出在晶粒的边界处，使得晶粒边界增厚，从而提高了晶界电阻率。

复合添加后比单独掺加CaO或SiO2的效果要好得多，电阻率可以大大提高，涡流损耗大大降低。

Sn4+不仅像Si2+、Ca2+离子一样存在晶界外，Sn4+还将进入尖晶石晶格内，Fe2+离子与Sn4+生成相对稳定的Sn4+ - Fe2+对，将不参与电荷转移，涡流损耗不会随Fe2+离子含量的增加而增大。

因此我们也经常采用进入尖晶石晶格内部的SnO2作为添加剂，以改善晶粒内部结构，提高晶粒电阻率，降低涡流损耗。

据报道添加HfO2对提高晶界电阻率最为显著，对降低涡流损耗的效果最佳。

另外需要注意的是由于Sn4+为非磁性离子，材料的饱和磁化强度随Sn4+进入含量的增大而减小，如添加量稍大，反而会使磁导率下降。

减小晶粒尺寸可以减小粒内涡流半径，从而也可减小涡流损耗。

目前常用的细化晶粒的方法一般为采用超细的微粉原料并且低温烧结；采用新的纳米级微粉碎工艺；掺入Nb2O5、Er2O3、Ta2O5、ZrO2等微量添加剂杂质抑制晶粒长大并提高烧结密度，有利于降低材料损耗；V2O5、Bi2O3、In2O3等微量元素能促进晶粒生长，一般应用于高磁导材料中，不利于功耗指标。

需要指出的是，K和Na的氧化物及盐类将和氧化铁形成非磁性的三角或六角形的八面体，其熔点较低，可以起到助熔剂的作用。

但是K和Na离子的最外层有一个活泼价电子，具有较强的导电性，在高频时会引起较大的损耗，所以很少采用。

我们认为选择添加物要注意以下原则：1）掺入添加物总量（wt%）应控制在0.2%以下；2）CaO（或CaCO3）和SiO2通常是不可或缺的添加物，但大量添加CaCO3和SiO2会引起晶粒的非连续生长，导致材料电性能恶化；3）V2O5、Nb2O5、TiO2、Ta2O5、HfO2等高价离子组合添加，组分不宜过多，最好不超过4种，每种添加物的重量一般应控制在1000 ppm以下；4）在上述各添加物中，除了Co3+子外，其它离子的K1值都是负值，如飞利浦公司开发的3F3材料（介于PC40和PC50之间的一种材料），基本技术要点就是同时添加了Ti4+和Co3+，Ti4+能与Fe3+形成相对稳定的Ti4+ - Fe3+对，从而抑制Fe2+ - Fe3+间电荷转移，以控制材料的温度特性，减少磁滞损耗。