ZrO_%282%29-Nb_%282%29O_%285%29复合添加对MnZn铁氧体结构和磁性能的影响.pdf

收稿日期:2022-12-05基金项目:国家自然科学基金(U1809216)通信作者:颜冲,教授,博士,主要从事电子材料、磁性材料及器件的研究。E-mail:13A0505069 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 6 期No.66 月Jun2023 年2023ZrO2-Nb2O5复合添加对 MnZn 铁氧体结构和磁性能的影响王钰琪,雷国莉,颜 冲(中国计量大学 材料与化学学院,浙江 杭州 310018)摘 要:针对开关电源高频小型化需求,采用固相反应制备分子式为(Mn0.766Zn0.105Fe0.129)Fe2O4的 MnZn 铁氧体材料,通过对铁氧体微结构的表征及磁性能的测试,研究了 ZrO2和 Nb2O5复合添加对 MnZn 铁氧体显微结构、烧结密度 d、初始磁导率 i、饱和磁通密度 Bs、剩余磁通密度 Br、矫顽力 Hc以及功耗 Pcv特性的影响。结果表明,ZrO2和Nb2O5复合添加有利于促进晶粒均匀化和致密化,从而提高了材料烧结密度,能显著降低材料的剩余磁通密度和矫顽力,实现材料的高起始磁导率以及高频低损耗。当 ZrO2和 Nb2O5复合添加质量比为 4 6 时,MnZn 铁氧体的 i达到最大值(931),且在高频激励下材料的功率损耗达到最低 133 kW/m3(100,1000 kHz,50 mT)。关键词:MnZn 铁氧体;ZrO2-Nb2O5复合添加;微结构;起始磁导率;高频功率损耗中图分类号:TM277文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1728引用格式:王钰琪,雷国莉,颜冲.ZrO2-Nb2O5复合添加对 MnZn 铁氧体结构和磁性能的影响 J.电子元件与材料,2023,42(6):687-692.Reference format:WANG Yuqi,LEI Guoli,YAN Chong.Effect of ZrO2and Nb2O5co-doping on the structure andmagnetic properties of MnZn-ferrites for high-frequency application J.Electronic Components and Materials,2023,42(6):687-692.Effect of ZrO2and Nb2O5co-doping on the structure and magneticproperties of MnZn ferrites for high-frequency applicationWANG Yuqi,LEI Guoli,YAN Chong(College of Materials and Chemistry,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)Abstract:Aiming at the miniaturization of the switching power supply for high-frequency applications,MnZn ferritematerials with the molecular formula of(Mn0.766Zn0.105Fe0.129)Fe2O4were prepared by the conventional solid-phase reactionmethod.The effects of co-doping ZrO2-Nb2O5on the microstructure sintering density d,initial permeability i,saturationmagnetic flux density Bs,residual magnetic flux density Br,coercivity Hcand power loss Pcvof MnZn ferrites wereinvestigated.The results indicate that the additives of co-doping ZrO2-Nb2O5with appropriate amounts are beneficial to theuniformity promotion of the grain size and improvement of the sintering density of the materials.The residual magnetic fluxdensity and coercivity are significantly reduced,and high initial permeability and low power loss at high-frequency areachieved.The initial permeability of 931 and power loss of 133 kW/m3(100,1000 kHz,50 mT)are obtained at 4 6 ofco-doping mass ratio with ZrO2and Nb2O5additivities.Keywords:MnZn ferrite;co-doping of ZrO2-Nb2O5;microstructure;initial permeability;power loss at high-frequency电子元件与材料 MnZn 铁氧体具有电阻率高、涡流损耗小等特点1,广泛应用于高频电力电子领域来制造高频变压器、高频电感器、噪声滤波器等磁性元件2。随着电子设备小型化、轻量化和节能化的发展,磁性元件的高频化成为必然趋势。如何降低 MnZn 铁氧体的高频损耗是目前研究的重点和热点。添加剂的加入是抑制高频损耗的重要手段,而如何正确掺杂添加剂是 MnZn 功率铁氧体材料研究的热点,如 在 材 料 中 添 加 SiO2、CaO、ZrO2、Nb2O5、V2O5等一种或多种添加剂3-5,以提高 MnZn铁氧体材料的电阻率,使得铁氧体的涡流损耗降低,最终达到降低材料功率损耗的效果6。为了达到更好的降低损耗效果,有时往往需要几种添加剂复合使用,如应耀等7通过 CaO 和 SiO2联合添加改善了 MnZn 铁氧体的微观结构和磁性能,Yi 等8通过 TiO2和 Nb2O5复合添加降低了 MnZn 铁氧体的功率损耗,Li 等9在CaO 和 Nb2O5共掺杂的情况下,改善了 MnZn 铁氧体材料磁损耗。以上研究都发现,将添加剂进行复合添加能较明显地降低材料的损耗。已知 Nb2O5添加剂有细化晶粒、促进晶粒均匀化及烧结致密化的作用10,而 ZrO2聚集在晶界处,可增大材料的晶界电阻率,实现功率损耗的降低11。已有文献表明,Nb2O5和 ZrO2的独立添加都能较好地改善MnZn 铁氧体功率损耗,但 ZrO2和 Nb2O5的复合添加对材料性能的影响则未见报道。本文控制 ZrO2和Nb2O5的总添加量不变,通过改变 ZrO2和 Nb2O5的质量比,研究了 ZrO2和 Nb2O5复合添加对材料结构和磁性能的影响,期望找到降低 MnZn 铁氧体高频损耗的ZrO2和 Nb2O5添加剂有效组合。1 实验采用传统固相反应法制备 MnZn 铁氧体,材料组成固定为(Mn0.766Zn0.105Fe0.129)Fe2O4,即 Fe2O3的质量分数为 71.74%,Mn3O4的质量分数为 24.67%,ZnO的质量分数为 3.59%。以主配方各组分的质量分数为计算基础,ZrO2和 Nb2O5具体添加的质量比 如表 1所示,此外加入常规添加剂 CaCO3的质量分数为0.080%,SiO2的质量分数为 0.015%。样品制备的具体工艺流程 如图 1 所 示,按照(Mn0.766Zn0.105Fe0.129)Fe2O4分子式进行主成分配料后,以去离子水为介质进行湿式混合,干燥后将样品置于电阻式预烧炉中,以 850 的温度在空气中保温烧结2 h,随炉冷却至室温。以主成分质量分数为计算基础,加入表 1 所示的 ZrO2、Nb2O5和其他添加剂,然后以去离子水为介质进行湿式粉碎到目标粒度。干燥后加入聚乙烯醇(PVA)溶液作为粘合剂,成型为环形磁心,在可控气氛钟罩炉中进行烧结。烧结温度为1180,保温时间 5 h,然后在平衡气氛中冷却至室温,最终得到外径为 12 mm,内径为 7 mm,高为 5mm 的环形磁心样品。表 1 样品中 ZrO2和 Nb2O5添加剂用量及比例Tab.1 The amount and ratio of ZrO2and Nb2O5additives in the samples样品编号1234w(ZrO2)(%)000.0100.020w(Nb2O5)(%)00.0500.0400.030(ZrO2 Nb2O5)0 00 102 84 6样品编号5678w(ZrO2)(%)0.0300.0350.0400.050w(Nb2O5)(%)0.0200.0150.0100(ZrO2 Nb2O5)6 47 38 210 0图 1 MnZn 铁氧体材料制备工艺流程图Fig.1 Schematic diagram of process ofpreparing MnZn ferrites采用阿基米德排水法测量样品的烧结密度;采用TM3000 台式扫描电子显微镜(SEM,日立)观察样品的断面显微形貌;采用 Smartlab SE 型智能转靶 X 射线衍射仪(XRD,Rigaku Corporation)分析样品的物相结构;采用 B-H 分析仪(SY-8219,株式会社岩崎制作所)在 1000 kHz,50 mT 激励下测量材料 25 和 100的功率损耗,在 1194 A/m,50 Hz 条件下测量材料的饱和磁通密度,在10 kHz,5 mV 条件下测量材料的起始磁导率。2 结果与讨论2.1 结构分析图 2 是 ZrO2与 Nb2O5不同添加比例样品的 XRD谱。可以看出,不同 ZrO2与 Nb2O5添加量的 MnZn 铁886王钰琪,等:ZrO2-Nb2O5复合添加对 MnZn 铁氧体结构和磁性能的影响氧体样品除了出现了尖晶石相的衍射峰外(对应于标准衍射文件 JCPDS No.74-2401),没有观察到其他杂峰,衍射峰的强度也基本相当。说明 ZrO2与 Nb2O5的加入没有破坏 MnZn 铁氧体的晶体结构12,材料仍然具有比较完美的尖晶石相。表 2 给出了不同添加比例样品的烧结密度 d 及平均晶粒尺寸 D。可以看出,相较于没有掺杂 ZrO2和Nb2O5的样品(样品 1),掺杂 ZrO2和 Nb2O5后的样品烧结密度均提高。说明 ZrO2-Nb2O5复合添加能够促进烧结,提高烧结样品的致密性。图 2 MnZn 铁氧体样品的 XRD 谱图Fig.2 XRD spectra of the MnZn ferrite samples表 2 样品的密度和平均晶粒尺寸Tab.2 Density,average grain size of samples样品编号1234d(g/cm3)4.924.964.964.98D(m)6.855.215.245.26样品编号5678d(g/cm3)4.974.954.954.94D(m)5.285.265.275.20一方面,由于 Nb2O5的熔点为 1520,而 MnZn铁氧体样品的烧结温度为 1180,远低于 Nb2O5的熔点,由此可知,其不参与生成铁氧体的氧化还原反应,而是存在于 MnZn 铁氧体的晶界处,从而阻碍了晶粒的生长,形成了均匀细小的微观结构13,但过量添加会使晶粒生长受到的阻碍增大,不利于实现材料的致密化,烧结密度反而降低。表 2 中样品的烧结密度呈现出了这种趋势。另一方面,掺杂的 ZrO2富集在晶界区域11,Zr4+是高价的金属离子,随着