超高饱和磁通密度MnZn铁氧体的研究

超高饱和磁通密度MnZn铁氧体的研究
颜冲1～，何俊2王素平2吕东华2 (1．中国
计量学院东磁研究院，浙江杭州310018
2．横店集团东磁股份有限公司软磁事业部，浙江东阳322118)
摘要：通过使用过铁主配方和优化制备工艺，制备出了2512下的饱和磁通密度超过560mT、10012下的饱和磁通密度超过470mT的MnZn铁氧体材料，且材料25—12012 下的功耗控制在1500kW／m3以下。

关键词：MnZn铁氧体；饱和磁通密度；直流偏置
l引言
MnZn铁氧体广泛用于电子、通讯领域作为能量存储和转换用材料。

电子器件的小型化、高速化、高输出功率要求MnZn铁氧体器件能够在大电流下即较高的直流偏置下仍然正常工作。

但与软磁金属材料相比，铁氧体属亚铁磁性材料。

所以MnZn铁氧体的主要缺点是其饱和磁通密度(Bs)较低，通常只有金属磁粉心的二分之一到三分之一，使得MnZn铁氧体抗直流偏置能力比软磁金属材料差。

图l对MnZn铁氧体和常见金属磁粉心的常温饱和磁通密度进行
了比较。

图l MnZn铁氧体与金属磁粉心常温饱和磁通密度比较
表1世界各大公司高温高B。

功率MnZn铁氧体材料一览表
公司T D K F D K N l C E R AⅧ1．AC}ⅡJFE∞KⅡV f1墨t R O X C U B E EP(：OS 牌号PC33P E33PC90 41"145 4H47B M30B M40MB l9D M B28D M B l H B H33C303C343C923C96N92
25
1400170022002000120020001200190028001600180021002100IS0020()0lS00‰
℃
25
1100120068072010009∞6∞
℃
60
∞04／0 4806∞540310600430
P0℃
(kW／m’)100380
6008003204506503205003705203∞450400350300410℃(80℃1
120370
6804604906503506∞5，O
℃000℃)
25
510540520530540530530S30S40540500S00540500，00 ℃
60
490500505
℃
&
100
(f11D440450450450470450470440440460440440440460440440℃
400 120
420420040℃
℃1 25
2：}0170l∞2210 300100300200
℃
60
15095170
&℃
(r旧100
10060i'01008080
℃
120
10065
℃
25
2313 14182215 l6．11524℃
60
17 9l o．5
心℃
(Mn)100
14 6．57+12 7．313
℃
120
14 7
℃
W℃)≥2902902502002∞2∞3002202203002602402402802402∞
25
p(Q硼)2．50．566．5488625558℃
25
p(酢m，)48484．94．8484．94．94．85 4．85 4．94．84．84．84．84．84．85 ℃
为了提高MnZn铁氧体的饱和磁通密度，研发人员进行了大量的研究工
作。

表1是目前一些公司推出的高饱和磁通密度MnZn铁氧体材料。

虽然
与传统
36
MnZn材料相比，这些材料的高温B。

有较大幅度的提高，但常温B。

并没有提高多少，且高温B。

有进一步提高的必要。

2试验方法
分别采用Fe203．MnO．ZnO三元系和Fe203．MnO．ZnO-NiO四元系两种主
配方体系，样品用传统的陶瓷工艺制备。

在原材料Fe203、Mn304、ZnO、
NiO(根据需要)混合物中加入一定量的去离子水后放在砂磨机中进行混合，
混匀后把料浆烘干，然后在电阻炉中根据需要在750～950℃下保温0．5"--
3h。

然后掺入相关杂质进行二次砂磨，其作用是将预烧粉料粉碎和磨细，获得
更细小的均匀颗粒。

干燥后加入5％"15％聚乙烯醇(PvA)造粒，然后干压
成型。

压成高 10mm、外径30mm、内径17ram的环状。

烧结在钟罩炉中进
行，烧结温度根据需要在1250"'1380℃进行选择，保温时间为l"8h。

然后
在氮气保护气氛中冷却至室温。

样品性能测试采用SY-8258型B．H／肛分析仪。

在T=25℃、f-10kHz、B
≤0．25mT下测定样品的初始磁导率(“)；在f=100kHz、B=200mT下测定样品的体积功耗(Pw)；在f=50Hz、H=1194A／m下测定样品的饱和磁通密度
(B。

)。

3结果与讨论
提高MnZn铁氧体的居里温度是提高其高温饱和磁通密度的有效方法
之一。

在单元铁氧体中，Ni铁氧体具有较高的居里温度，所以为了提高
MnZn 铁氧体的高温B。

，可以在主配方中加入一定量的NiO。

图2示出了
不同NiO 添加量对B。

的影响。

随着NiO添加量增加，虽然高温B。

有增加
的趋势，但常温B。

却有降低的趋势。

高温B。

的提高主要得益于材料居里温
度的提高；常温 B。

的下降则是由于Ni铁氧体的常温饱和磁通密度不高的结
果。

文献[1，2】通过在主配方中加入NiO和Li20，报道了1004C下B。

达
到500mT的MnZn铁氧体。

但其磁导率偏低，一般在1000以下。

并且功耗
较高。

本试验中，虽然NiO的加入对提高MnZn铁氧体的B。

、尤其是常温
B。

有限，但采用该主配方体系得到的材料功耗则比较低。

图3示出了不同
NiO添加量对材料体积功耗的影响。

可以看出，随着NiO的添加，材料功耗
总体上是上升的。

但在25--．,120。

C范围，材料的功耗仍然可以控制在
1000kW／m3以下，谷
37
点(100"C 附近)功耗则可以控制在600 kW ／m3以下。

l
I|I i
—．-Bs at 25℃ 520
—+-Bs at 1 00℃
∞0
4∞
一卜E 扫一∞c o ×3一止c o ；母．1：_叮∞ 460
3．6
3．8
4．0
4．2
4．4
4．6
4．8
5．0
NiO(t001)
图2不同NiO 含量对MnZn 铁氧体B 。

的影响
啪 舌|
I’
—●一Ni o=3．6m01％
弋心
●
NiO=4．2m01％
；＼＼ ——Z 汪NiO=-4．8m01％
彳、
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湖
20
40
60
80 100 120
Temperature(℃)
图3不同NiO 含量对MIIZn 铁氧体功耗的影响
由于NiO 的价格较高，过多的加入提高了材料成本。

为了降低成本，采用 Fe203．MnO ．ZnO 三元系配方是一种不错的选择。

日立金属在其申请的PCT 专 利中，报道了100。

C 下B 。

高达550mT 的MnZn 铁氧体‘31。

其中对于70m01％ Fe203、25m01％MnO 、5m01％ZnO 主配方，其100。

C 下的Bs 为560mT ，并基
38
本与20℃下的B。

持平。

对于70tool％Fe203、25mol％MnO、5mol％ZnO主配方，在100℃、100kHz、200mT下测试，Pcv为1700kW／m3左右【4J，功耗偏高。

且磁导率较低，一般都在500以下。

考虑到过铁主配方的功耗较大和烧结密度难以提高，本试验对配方和工艺进行了优化。

试验结果见表2。

与文献[1．4】相比，虽然材料的B。

有所下降，但材料的磁导率较高，在1500以上；材料的功耗较低，25---120℃范围的体积功耗(P“)小于1000kW／m3(测试条件：f=100kHz，B=200mT)。

表2Fe203．MnO．ZnO三元系配方材料性能
不同温瞰℃)下Pcv(mWlem3)BI、耳和I-I c(25"C)Bs、Br和H』100"C)编号m
25406080loo120Bs Br He Bs Br Hc V041．11684849790102412“1327140857214817．847818218．3 2173185l767103512021338141457215717．548418018．5
3 1675847784105212431364140757215417．648318318．6
平均值1697849780103712191343141057215317．648218218．5 V042-41505975687882987lll2119557914619．548616416．7
5 152l989701894997“3l122057315919．648415816．8
61488100070089l10021130120257515019．848415917．O 平均值15舾9886968899951124120657615219．648516016．8 V043．719926036538209361036112159310416．248620915．7
8 203l5996668179391049111958710715．948420815．7
919666246598269521072112358110216．447820716．4平均值199660965982194210521121S8710416．248320815．9 V044．10202569980593410551124116558219415．347327915．6 1l 202070l80594910531121114258219914．947628415．5
1219897028259641064lll3115858l19215．447327416．4平均值20117018129491057lll9115558219515．247427915．8
4结论
通过优化配方和烧结工艺，采用Fe203．MnO—ZnO三元体系作为主配方，在实验室制备出了25。

C下的饱和磁通密度(B。

)为590mT以上(测试条件：f
=50H z，H=l194A／m)、100℃下的饱和磁通密度(Bs)为485mT以上、25'-'-" 120"C范围的体积功耗(P吖)小于1500kW／m3(测试条件：仁100kHz，B=200mT)
39
的MnZn铁氧体。

采用Fe203．MnO．ZnO．NiO四元体系作为主配方，在实验室制备出了25"C下的饱和磁通密度(B。

)为560mT以上(测试条件：f-"50Hz， H=1194A／m)、100*C下的饱和磁通密度(B。

)为470mT以上、25～120℃范围的体积功耗(P“)小于1000kW／m3(测试条件：f=100kHz，B=200mT)的Ni MnZn铁氧体。

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