Al2O3摻雜對高磁導率MnZn鐵氧體材料的影響

李 昂, 畢建國

(1. 吉林大學 珠海學院公共基礎中心, 廣東 珠海 519041; 2. 麥格磁電科技(珠海)有限公司 技術部, 廣東 珠海 519040)

高磁導率錳鋅(MnZn)鐵氧體的起始磁導率高、 損耗小, 在抗電磁干擾噪聲濾波器(EMI)和汽車電子等領域應用廣泛. 在抗EMI應用中, 主要用于電源濾波器和扼流圈, 以抑制信號在傳輸中的干擾信號或噪聲信號, 因此材料應具有較高的磁導率和良好的頻率特性[1]. 將高磁導率MnZn鐵氧體的毛坯置于承燒板上, 在氮窯或鐘罩爐中燒結, 溫度為1 350 ℃, 燒結3～10 h. 由于在MnZn鐵氧體中的ZnO摩爾分數較高, 約為15%～25%, 因此燒結后ZnO易于揮發; 其中絕大部分的承燒板中含有Al2O3, 由于Al2O3易與ZnO反應生成AlZn2O4, 因此加劇了MnZn鐵氧體中ZnO的揮發[2-4]. 本文探討Al2O3摻雜對高磁導率MnZn鐵氧體材料性能的影響, 通過抑制ZnO的揮發, 提高了材料性能.

1 實 驗

圖1 高磁導率MnZn鐵氧體工藝流程Fig.1 High permeability MnZn ferrite flow chart

1.1 樣品制備 采用市售的氧化物原料Fe2O3(質量分數≥99.5%), Mn3O4(質量分數≥98.5%)和ZnO(質量分數≥99.5%), 按x(Fe2O3)=52.5%,x(MnO)=25%,x(ZnO)=22.5%配制. 采用陶瓷工藝制備高磁導率MnZn鐵氧體, 制備工藝流程如圖1所示.

按配方稱取配料, 在行星球磨機中攪拌, 混合2 h后取出, 在烘箱中90 ℃烘干. 將粉料在箱式爐中預燒, 預燒溫度為850 ℃, 燒結3 h. 先將預燒后的粉料分成5份, 分別加入添加劑w(SiO2)=0.002%,w(CaCO3)=0.01%,w(V2O5)=0.04%,w(MoO3)=0.03%和不同質量分數的Al2O3(1#不添加; 2#添加0.005%; 3#添加0.01%; 4#添加0.02%; 5#添加0.03%). 再將樣品在行星球磨機中球磨1.5 h, 料漿粒度D50為1.40 μm. 最后將球磨后的料漿烘干, 過篩, 加入質量分數為9%的PVA膠水造粒. 采用液壓機, 在5 MPa下將樣品壓制成25 mm×15 mm×6 mm標準樣環. 在燒結曲線鐘罩爐中燒結, 燒結曲線如圖2所示.

圖2 燒結溫度與氣氛曲線Fig.2 Sintering temperature and atmosphere curves

1.2 參數測量 采用Angilent 4284A LCR電橋(杭州森測電子有限公司)測試材料的起始磁導率μi. 將樣品置于溫控箱中, 測量不同溫度下的磁導率. 采用XRF JSX-3400型X射線熒光光譜儀(日本電子株式會社)分析樣品成分.

2 結果與討論

2.1 Al2O3摻雜對起始磁導率的影響 在25 ℃材料的起始磁導率μi隨Al2O3質量分數的變化關系如圖3所示. 由圖3可見, 隨著Al2O3質量分數的增加, 材料的起始磁導率μi先上升后下降. 當Al2O3的質量分數約為0.01%時, 材料的μi最大. 采用X射線能量色散光譜儀研究Al2O3對初始磁導率的作用機理, 不同樣品的內部及表面成分列于表1.

表1 不同樣品的內部及表面成分

由表1可見, 隨著Al2O3的添加, 樣品的內外成分差逐漸減少. 這是由于在燒結過程中, 樣品的內外溫度差導致ZnO揮發較大, 添加Al2O3可抑制ZnO揮發, 使樣品內外成分的梯度和應力減少, 從而材料的磁導率增加.

2.2 Al2O3摻雜對起始磁導率溫度特性的影響 不同Al2O3摻雜量樣品的起始磁導率μi隨溫度的變化關系如圖4所示. 由圖4可見, Al2O3添加量越多, 起始磁導率越平滑, 其中添加質量分數為0.01%的Al2O3可提升材料的整體磁導率. 磁導率的比溫度系數列于表2.

表2 不同樣品的比溫度系數αμr(10-6)

由表2可見, 添加Al2O3可降低比溫度系數αμr. 其機理為: 在高磁導率MnZn鐵氧體中, Fe3+占據B位, 且Fe3+的K1值為負. 摻雜Al2O3后, Al3+更易占據尖晶石結構MnZn鐵氧體的B位, 且Al3+為非磁性離子. 取代后晶體的K1值變得更平滑, 從而改善了起始磁導率的溫度特性, 如圖5所示. Al3+在晶粒內部存在濃度梯度, 晶粒外部濃度大, 內部濃度小, 在一定的溫度范圍內, 晶粒各個區域的μi-T曲線的2個極大值位置各不相同, 迭加后導致μi-T趨于平坦[5]. 但隨著Al2O3添加量的繼續增加, 磁導率將大幅下降, 因此不宜過量添加Al2O3.

2.3 Al2O3摻雜對起始磁導率頻譜特性的影響 樣品磁導率與頻率的關系如圖6所示. 由圖6可見, 磁導率的頻帶隨Al2O3摻雜量的增加而變寬. 其中添加質量分數為0.01%的Al2O3為最佳添加量.

圖3 MnZn鐵氧體起始磁導率與 Al2O3質量分數的關系Fig.3 Relationship of initial permeability of MnZn ferrite vs Al2O3 mass fraction

圖4 不同Al2O3質量分數樣品的起始 磁導率μi隨溫度的變化關系Fig.4 Relationship of initial permeabilities of samples with different Al2O3 mass fractions as a function of temperature

圖5 MnZn鐵氧體各向異性K1值 與起始磁導率的關系Fig.5 Relationship between K1 of MnZn and initial permeability

圖6 樣品磁導率與頻率的關系
Fig.6 Relationship between the permeability and frequency

綜上, 本文在樣品中摻雜適量Al2O3, 通過抑制ZnO揮發, 提升了MnZn鐵氧體的起始磁導率, 并改善了磁導率的溫度特性, 拓寬了磁導率的頻率范圍, 其中添加質量分數為0.01%的Al2O3為最佳添加量; 過量添加會降低材料的磁導率.

[1] LI Wei, ZHANG Zhong-shi, CHEN Wen. Development of Wide Frequency & High Permeability MnZn Ferrite Material [J]. Journal of Magnetic Materials and Device, 2006, 37(4): 59-61. (李衛, 張忠仕, 陳文. 寬頻高磁導率錳鋅鐵氧體材料的研制 [J]. 磁性材料及器件, 2006, 37(4): 59-61.)

[2] DENG Shao-wen, LAN Zhong-wen, CHEN Sheng-ming, et al. Influence of Setting Material on the Magnetic Properties of MnZn Ferrites [J]. Journal of Magnetic Materials and Device, 2006, 37(6): 42-44. (鄧紹文, 蘭中文, 陳盛明, 等. 承燒材料對MnZn鐵氧體磁性能的影響 [J]. 磁性材料及器件, 2006, 37(6): 42-44.)

[3] Kilbride I P, Freer R. Effect of Sintering Endosures and Sintering Parameters on the Magnetic Properties of a High Permeability Manganese-Zinc Ferrite [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(1): 375-380.

[4] Chen S H, Chang S C, Lin I N. Zinc Loss of Mn-Zn Ferrite Sintered under Alumina Plate [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1996, 32(5): 4857-4859.

[5] WU Si-jie, LAN Zhong-wen, YU Zhong. Researches on Additives of MnZn Ferrites [J]. Experiment Science & Technology, 2009, 7(4): 7-10. (吳斯捷, 蘭中文, 余忠. MnZn鐵氧體添加劑的研究 [J]. 實驗科學與技術, 2009, 7(4): 7-10.)