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锰锌铁氧体损耗、磁导率和阻抗特性及制备技术研究

黄爱萍  
【摘要】: MnZn铁氧体是现代电子工业及信息产业的基础材料。MnZn铁氧体按应用特征可以分为三大类型:功率MnZn铁氧体、高磁导率MnZn铁氧体和抗电磁干扰(EMI)MnZn铁氧体。近年来,随着通讯技术、计算机技术的飞速发展,促使电子产品向小型化、高频化、轻量化和高性能方向发展,MnZn铁氧体材料的发展由单一性能的纵深提高转向多项指标同时提高的横向拓展。本文将主要对功率MnZn铁氧体、高磁导率MnZn铁氧体和宽频高阻抗贫铁MnZn铁氧体的机理及技术进行研究。 首先,总结分析了高性能MnZn铁氧体材料的国内外发展状况、研究进展和基础理论。从亚铁磁性的奈耳分子场理论出发,在理论上计算了MnZn铁氧体的分子饱和磁矩和亚铁磁居里温度。分析了MnZn铁氧体的电磁性能与材料组分、工艺参数之间的关系。分析探讨损耗和起始磁导率等基本概念及其机理,为制备高性能MnZn铁氧体奠定理论基础。采用氧化物法制备MnZn铁氧体,研究了MnZn铁氧体的制备工艺过程,总结了MnZn铁氧体常用参数的检测方法。 其次,对功率MnZn铁氧体的损耗机理、损耗分离、直流叠加特性及其制备技术进行了深入研究。根据磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗与频率的关系进行损耗分离,结果发现:100 kHz,200 mT下材料的损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成,剩余损耗可以忽略不计,500 kHz,50 mT下剩余损耗不可忽略,且JPP-44材料和JPP-5材料的损耗组成有很大的不同。采用合适的原材料、主配方、预烧温度、二次砂磨的球料比和砂磨时间、适当的烧结工艺可以制备出JPP-44材料。JPP-5材料与JPP-44材料的不同主要是主配方采用高铁高锰低锌、掺杂量可以适当提高、烧结温度可以低至1160℃,晶粒尺寸小、电阻率高,涡流损耗小。在直流叠加场下,材料的磁导率称为增量磁导率,MnZn铁氧体磁芯的增量磁导率随外加直流场的增大先略有增大而后才减小;通过适当调整主配方及掺杂可以得到直流叠加特性良好的材料;较大的ΔB=Bs-Br是软磁铁氧体磁芯具有良好的直流叠加特性的前提。 然后,探讨分析了MnZn铁氧体起始磁导率的机理,并研究了起始磁导率的温度及频率稳定性、直流叠加特性和低谐波失真特性及相关制备技术。适当添加MoO_3、Bi_2O_3、SnO_2,结合低温长时间(1365℃×9 h)烧结工艺和适当的排坯方式可以制得μi15,000的高磁导率MnZn铁氧体。起始磁导率的温度特性可以通过调整主配方、Co_2O_3掺杂、优化烧结工艺来改善;起始磁导率的频散与吸收特性,包括涡流损耗、尺寸共振、磁力共振、畴壁共振及自然共振,掺Nb_2O_5能有效改善材料起始磁导率的频率特性。高磁导率MnZn铁氧体的增量磁导率随直流叠加场的变化规律与功率MnZn铁氧体相同;当x(Fe_2O_3)= 52.8 %时,减少ZnO含量可以提高材料的常温增量磁导率;少量添加Co_2O_3、V_2O_5能改善材料直流叠加特性。变压器的总谐波失真特性与磁芯的材料本征特性(磁滞常数)、磁芯的形状尺寸、变压器的设计均有密切关系。研制低谐波失真MnZn铁氧体最主要的目标是降低材料的磁滞常数ηB。研究了主配方、TiO_2、V_2O_5、Co_2O_3、Bi_2O_3、Nb_2O_5掺杂对材料磁滞常数的影响。 最后,研究了贫铁MnZn铁氧体的居里温度、电阻率、起始磁导率及其频散特性、阻抗特性及相关制备技术。与富铁MnZn铁氧体相比,Fe_2O_3和ZnO含量变化对贫铁MnZn铁氧体居里温度的影响相对缓慢,在富铁MnZn铁氧体居里温度的经验计算公式的基础上,提出贫铁MnZn铁氧体居里温度的经验计算公式。贫铁MnZn铁氧体的电阻率明显高于富铁MnZn铁氧体,甚至可高达10~4Ω·m,研究了主配方中Fe_2O_3含量和TiO_2、SiO_2、CaCO_3掺杂对材料电阻率的影响。贫铁MnZn铁氧体起始磁导率的频散特性可用三段型频散特性模型进行模拟。磁芯的阻抗可以通过公式由磁导率实部与虚部、磁芯尺寸、线圈匝数和频率计算出来,对于相同尺寸的磁芯,在测量线圈匝数相等的情况下,磁芯阻抗的频率特性仅与材料复数磁导率的频率特性相关。贫铁MnZn铁氧体几乎兼具了富铁MnZn铁氧体的低频特性和NiZn铁氧体的高频特性,且居里温度也不低,是一种很有应用潜力的软磁铁氧体材料。


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