B2O3掺杂对纳米Mn-Zn铁氧体烧结性能的影响

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基金项目:天津市应用基础与前沿技术研究计划(15JCZDJC31000) 作者简介:张雪林(1989 ̄) ꎬ男ꎬ河南省人ꎬ硕士研究生ꎮ 通讯作者:彭会芬ꎬ教授ꎮ
1856
人 工 晶 体 学 报
第 47 卷
内变得很小ꎬ复合添加 CaO 和 SiO2 可增大材料的电阻率ꎬ降低材料的功率损耗[4 ̄6] ꎮ 传统的 Mn ̄Zn 铁氧体制备工艺ꎬ通常是利用球磨机将所添加的各种原材料经过长时间的机械研磨ꎬ以
B2 O3 掺杂对纳米 Mn ̄Zn 铁氧体烧结性能的影响
张雪林ꎬ华 菲ꎬ王 新ꎬ彭会芬
( 河北工业大学材的纳米材料掺杂不均ꎬ易导致烧结后材料性能差等问题ꎮ 本文将掺杂物 B2 O3 制成水溶液ꎬ然后再 与 Mn ̄Zn 铁氧体纳米粉体进行混合ꎬ以提高 B2 O3 分布的均匀度ꎮ 研究结果表明:随着 B2 O3 掺杂量的增加ꎬ烧结后 材料的各项性能呈抛物线规律变化ꎬ并于 B2 O3 掺杂量为 0. 15wt% 时达到极值ꎮ 与未掺杂的材料相比ꎬ虽然材料的 饱和磁化强度、起始磁导率、居里点及截止频率有不同程度下降ꎬ但其功率损耗特性却显著改善ꎮ 这应得益于 B2 O3 的均匀掺杂使得烧结后材料的致密度提高( 相对密度约为 98% ) 以及微观组织的改善ꎮ
1 引 言
Mn ̄Zn 铁氧体作为一种重要的软磁材料ꎬ因具有高磁导率、高电阻率、低功率损耗等诸多优良性能ꎬ在电 子工业、信息产业等领域得到广泛应用ꎮ 随着这些行业的飞速发展ꎬ电子整机系统向智能化、小型化、平面贴 装化方向发展ꎬ从而要求其中的电源向高频化发展ꎮ 而高频化电源的核心是高频低损耗的铁氧体材料ꎮ 高 频下ꎬ降低材料功率损耗主要有两条途径ꎬ一是提高电阻率ꎬ二是控制适宜的铁氧体晶粒( 晶粒过小ꎬPe 会变 小ꎬ但 Ph 会增大) ꎮ 控制晶粒大小和电阻率最有效的办法是合理地掺入添加物和改善烧结性能ꎮ 众所周 知ꎬ掺杂一些有益的添加物ꎬ如 SnO2 [1] 、TiO2 [2] 、Co2 O3 [3] 等ꎬ可进一步控制材料的 Q 值ꎬ使其在较宽温度范围
期达到混合均匀的目的ꎮ 由于原材料尺寸较大( 微米级)ꎬ采用上述机械球磨方式ꎬ并配合适当的加料工序 改进ꎬ对 Mn ̄Zn 铁氧体的掺杂基本能达到预期的目的ꎬ即添加的 CaO 和 SiO2 存在于晶界起到抑制铁氧体晶 粒长大的作用ꎬ而 V[7] 和 Nb[8] 的氧化物则均匀分布于晶粒内部ꎮ 但是ꎬ获得的 MnZn 铁氧体块体材料易存 在微观成分、组织和性能的不均匀ꎮ 另外ꎬ高的烧结温度容易导致低熔点元素( 如 Zn) 的挥发ꎬ造成材料实际 成分与设计值产生较大的偏差ꎮ 而且ꎬ多次长时间在介质环境中的球磨ꎬ易引入外来杂质ꎬ对目的产物产生 二次污染ꎬ所有这些问题都会影响最终产品的磁性能ꎮ 研究表明:均匀细小粉末的制备在现代陶瓷中发挥着 重要的作用ꎬ尤其是电子陶瓷行业ꎬ人们倾向于采用化学方法制备粉体材料ꎮ 尽管采用这种方法制作的原料 初始成本高于传统的固相反应法ꎬ然而材料性能的显著改善以及产品附加值的提高ꎬ足以能弥补原料成本的 增加[9] ꎮ 因此ꎬ利用纳米粉体烧结制备高性能电子器件已成为这一行业未来发展的主要方向ꎮ 由于采用化学法制备的纳米粉体已形成目的产物 ̄MnZn 铁氧体ꎬ理论上讲ꎬ整个烧结过程应是粒子之间 物理距离的缩小ꎬ即致密化过程ꎬ从而省去了常规的煅烧( 原料之间的预反应) 和烧结过程中的化学反应等 工序ꎮ 另外ꎬ由于纳米粒子的表面积大ꎬ反应活性较高ꎬ可有效降低烧结温度、节省能耗ꎮ 尽管如此ꎬ一个必 须面对的问题是ꎬ当铁氧体主成分的粒子尺寸变成纳米级时ꎬ要求加入的掺杂物粒子尺寸也必须相应减小ꎬ 即其尺寸应小于基体成分的粒子尺寸ꎬ否则对于像 CaO、SiO2 等高熔点的掺杂物很难存在于预期指定的位 置ꎬ有可能出现铁氧体粒子包围它的现象ꎬ从而造成材料磁性能的恶化ꎮ 朱晓斌等[10] 向水热合成的纳米 NiCu 铁氧体粒子( 粒径≤100 nm) 中掺入辅助成分 Bi2 O3 和 MoO3 ꎬ并以机械研磨方式进行混合制备铁氧体ꎮ 试想一种加入量很少( ≯0. 5wt% ) 、尺寸又较大( 一般处于微米级) 的粒子ꎬ与尺寸细小、且总量又远远超过 前者( > 99. 5wt% ) 的纳米粒子靠单纯机械研磨的方式进行混合ꎬ要实现前者在最终混合产物中的均匀分布 恐怕很难ꎬ这应是其所得材料磁性能不高的主要原因ꎮ 而张等[11] 则在采用 sol ̄gel 法制备 Mn ̄Zn 铁氧体纳米 粉体的过程中ꎬ将 CaO、V2 O5 、TiO2 和 Nb2 O5 第二相粒子溶入到 Fe、Mn、Zn 的硝酸盐溶液中ꎬ通过混合搅拌形 成均匀溶液试图制备高性能 MnZn 功率铁氧体ꎮ 然而ꎬ像 TiO2 、Nb2 O5 之类的氧化物根本不溶于水ꎬ仅溶于 氢氟酸或浓酸中ꎮ 由此可断定这些氧化物在上述盐溶液中的溶解度也很低ꎬ又由于缺乏后续的机械研磨等 工序ꎬ掺入的这些尺寸较大的第二相粒子也很难在最终烧结后的材料中做到均匀分布ꎬ从而导致材料的性能 也难以充分发挥ꎮ
ZHANG Xue ̄linꎬ HUA Feiꎬ WANG Xinꎬ PENG Hui ̄fen
( School of Materials Science and Engineeringꎬ Hebei University of Technologyꎬ Tianjin 300130ꎬ China)
Abstract:Inhomogeneoug distribution of dopants in nano particles easily resulted in poor properties of the sintered materials. In this paperꎬ we tried to prepare solution of the B2 O3 ꎬ which was used as dopant for the MnZn ferriteꎬ and then mixed with the MnZn ferrite nano powders for the purpose of improving distribution state of the B2 O3 dopant. Results show that various properties of the sintered materials change in a parabolic form and reache the extramum at the B2 O3 content of 0. 15wt% . The sample with B2 O3 content of 0. 15wt% presente much lower power loss than the undoped one at the expense of decrease in other magnetic properties like saturated magnetizationꎬ initial permeabilityꎬ Curie point and cut ̄off frequency. Those results should be attributable to improvement in density ( relative density of about 98% ) and homogeneity in microstructure of the sintered samples. Key words:Mn ̄Zn ferriteꎻ magnetic materialsꎻ dopingꎻ sintering property
关键词:Mn ̄Zn 铁氧体ꎻ磁性材料ꎻ掺杂ꎻ烧结性能
中图分类号:TM271
文献标识码:A
文章编号:1000 ̄985X(2018)09 ̄1855 ̄06
Effect of B2O3 Doping on Sintering Properties of Nanometer Mn ̄Zn Ferrites
第 47 卷 第 9 期 人 工 晶 体 学 报
2018 年 9 月
JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS
Vol. 47 No. 9 Septemberꎬ2018
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