第四章软磁铁氧体的制备

LOGO第四章软磁铁氧体的制备主讲教师：贾利军E-mail:[e-mail]:13678000152办公室：211大楼6122013年3月中国·成都Mar.2013,Chengdu,China.第四章软磁铁氧体的制备软磁铁氧体的发展现状1.软磁铁氧体的材料性能2.MnZn铁氧体的制备3.NiZn铁氧体的制备4.软磁铁氧体的分类•软磁铁氧体产品种类:尖晶石-MnZn,NiZn,LiZn,MgZn六角铁氧体-Y-,Z-型软磁材料-矫顽力很低，既容易被外场磁化，又容易退磁的强磁材料。主要用于电磁能的转换。①高磁导率材料(µi=2000--4104)：低频、宽频带变压器及小型脉冲变压器②低损耗材料：电源磁芯,高功率场合;③低损耗高稳定性材料:通信滤波器磁芯;④高频大磁场材料：空腔谐振器、高功率变压器等⑤功率铁氧体（高Bs）材料：开关电源及低频功率变压器⑥高密度记录材料：用做录音,录象磁头;⑦电波吸收体材料：吸收电磁波能量，广泛应用于抗干扰电子技术⑧等磁介材料：磁性基小型化天线软磁铁氧体的应用说明:1.磁芯规格：工字型4×2×62.磁芯材料：镍锌铁氧体3.电感外套为热缩套管0406工型电感插件式功率电感贴片式功率电感软磁铁氧体的应用电感器系列直流-直流转换变压器冷阴极管逆变器变压器软磁铁氧体的应用变压器系列共模滤波器(立式)共模滤波器(卧式)常模抑制线圈共模抑制线圈软磁铁氧体的应用滤波器系列宽温高磁导率MnZn铁氧体材料新型室外漏电保护器软磁铁氧体的应用当通电时，由于温度低于热敏铁氧体的居里温度，永磁体的磁力线集中通过热敏磁块，产生吸力，并克服弹簧拉力将它吸住，结果二块导电铜块接触，接通电源，整个电路通电，开始加热。当容器内温度超过热敏磁块的居里温度时，则由亚铁磁性转变为顺磁性。此时永磁体热敏磁块失去吸力，由于弹簧的拉力使它分开，于是停止加热，开始降温。自动控温器软磁铁氧体的应用第四章软磁铁氧体的制备制备软磁铁氧体的工艺流程如下：物质的磁性描述材料性质的主要参数：内禀磁性：饱和磁化强度；居里温度；磁晶各向异性；磁致伸缩系数；技术磁性：磁导率；矫顽力；剩余磁化强度；损耗；物质的磁性补充知识-磁特性参数1.起始磁导率µIL：电感量（mH）；R：电阻；h、Di、Do：样品高，内径，外径2.磁损耗:•品质因素：Q=ωL/R;•损耗角正切：tgδ=1/Q;•比损耗系数:tg/µi=1/µi•Q•一般材料µi•Q=常数.3.温度稳定性:温度系数比温度系数：u/µiHBHi0limrefrefrefe7210)ln(2ioDDhNL122910rrhInNRX物质的磁性4.减落:磁性体经过完全退磁后，放置在无机械和热干扰的环境中，其起始磁导率随时间而变化的现象，减落是可逆的，有规律可循。5.磁老化：磁性材料经历较长时间后，由于种种原因引起其内部结构变化而导致起始磁导率下降的现象，这种变化时不可逆的。6.截止频率fr:由于畴壁或自然共振,迅速下降致所对应的频率点,衡量材料应用频率的上限.max21rr补充知识-磁特性参数物质的磁性物质的磁性结构敏感特性磁导率和矫顽力相对于晶体缺陷（杂质）的行为十分敏感，从而易受加工及热处理的影响。(一)起始磁导率的理论概述:=-j(高，低，即要求Q值高，tg小或Q值高。)在可逆转动磁化情况下，有或在可逆壁移磁化情况下，当1．掺杂物和空泡对壁移起主要阻碍作用时，有2．应力对壁移起主要作用时，有起始磁导率理论上提高磁导率的条件:1.必要条件：1.Ms要高(Ms2);2.k1,s0;2.充分条件:1.原料杂质少,;2.密度要提高(P),即材料晶粒尺寸要大(D);3.结构要均匀(晶界阻滞);4.消除内应力s•σ;5.气孔,另相(退磁场)起始磁导率（二）提高µi的方法提高材料的Ms尖晶石铁氧体Ms=|MB-MA|1.选高Ms的单元铁氧体如:MnFe2O4(4.6--5µB);NiFe2O4(2.3µB)2.加入Zn,使MAs降低另外:CoFe2O4(3.7µB)磁晶各向异性Fe3O4(4µB)电阻率低,K也较大Li0.5Fe2.5O4(2.5µB)烧结性差,10000C,Li挥发起始磁导率降低k1和s1.选L=0的单元铁氧体;MnFe2O4,Li0.5Fe2.5O4,MgFe2O42.选择L被淬灭;NiFe2O4,CuFe2O43.离子取代降低k1,s①加入Zn2+,冲淡磁性离子的磁各向异性②加入Co2+:一般铁氧体k10,Co2+的k10,正负k补偿；③引入Fe2+,Fe2+在MnZn表现为正k,可正负补偿调整k;④加入Ti4+,2Fe3+Fe2++Ti4+;⑤高磁导率的成分范围起始磁导率(三)显微结构：1.结晶状态:晶粒大小、完整性、均匀性；2.晶界状态:厚薄、气孔、另相；3.晶粒内气孔,另相:大小、多少和分布；高µ材料:大晶粒,晶粒均匀完整,晶界薄,无气孔和另相(四)内应力对µ的影响：1.磁化过程中的磁致伸缩引起，它与s成正比；2.烧结后冷却速度太快，晶格应变和离子、空位分布不均匀而产生畸变；3.气孔、杂质、另相、晶格缺陷、结晶不均匀等引起的应力，与原材料纯度和工艺有关。起始磁导率起始磁导率综上所述1.原材料：纯度高、活性好、杂质少,对MnZn材料而言粒度最好在0.15～0.25µm范围内。特别注意半径较的大杂质混入；2.配方除满足高Ms，更重要是满足k10,s0；一般当要求µi在5000以下时,可以加入必要的添加剂如CaO,TiO2,LaO,CuO,Bi2O3,B2O3,BaO,V2O5,ZrO2等，以改善损耗特性及其它性能的作用3.保证获得高密度及优良显微结构，造成磁化过程以壁移为主。用二次还原烧结法和平衡气氛烧结法是获得稳定优良性能必不可少的条件；4.采用适当的热处理工艺进一步改善显微结构性能促使均匀化，消除内应力，调节离子、空位的稳定分布状态。起始磁导率起始磁导率磁导率的频率稳定性—磁谱fµr'µrµ1234一般软磁铁氧体材料的磁谱磁导率的稳定性磁导率的稳定性影响磁谱的因素与提高截止频率方法影响磁谱的因素1.畴壁共振：m有效质量；：劲度系数：为畴壁在其能谷中离开最低能量的平衡位置时所受到的回复力大小的量度，是一个结构灵敏常数2.自然共振:外加交变场，磁晶各向异性场和退磁场联合作用；1.单畴:r=r•Hk2.多畴:γ•Hkrγ•(Hk+Ms);(i-1)•fr=(1/3π)γ•Ms--snock公式;mr212121DMsrfri--Nado公式磁导率的稳定性铁氧体磁谱分区：1.低频(f104Hz):复磁导率µr大,µr小,损耗小，磁导率随频率变化不大;2.中频(f=104106Hz):与低频相似，可能出现尺寸共振和磁力共振;µr下降，µr出现峰值；3.高频(f=1061010Hz)：畴壁共振和自然共振;大晶粒发生畴壁共振,小晶粒发生自然共振;一般来说先发生畴壁共振,后发生自然共振；µr急剧下降，µr迅速增加4.极高频(f1010Hz)----交换区L=n×λ/2fc举例：f=106Hz，μ=103，ε=30，λ=173cm磁导率的稳定性提高fr的方法1.降低ZnO含量→i，fr2.选k1较高的材料为高频材料；f1MHz,以MnZn为主;f1MHz,以NiZn为主;f100MHz,以平面六角结构材料为主;3.加入磁晶各向异性很强的离子Co2+1冻结畴壁的移动,提高畴壁共振频率2形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向异性;磁导率的稳定性4.加入低熔点物质PbO,CuO掺入低熔点物质，可使T烧降低150～200C;提高密度,细化晶粒,磁化过程主要以畴转为主,在MnZn,NiZn中都可以运用;5.降低烧结温度,细化晶粒;形成多孔细晶粒结构:利用形状各向异性,退磁场作用(气孔),在NiZn中普遍采用；6.应用时:①对k10(s0)材料加张力;k10(s0)压力;②开气隙,使µi;③加直流偏磁场(固定畴壁);磁导率的稳定性磁导率的温度稳定性（组成和热处理）磁导率的稳定性*改变氧化铁的含量能改变铁氧体的温度不稳定性磁化强度的温度敏感性磁导率的稳定性磁导率的稳定性提高i温度稳定性降低温度系数的可能途径有：(1)利用正负磁晶各向异性抵消产生第二峰，控制峰值位置使在工作区间内具有较低的温度系数。[Fe+2];含Co的一些混合铁氧体(2)非磁性离子的置换改善温度系数如以Al3+等非磁性离子来置换Fe3+，可以使各向异性常数减少，从而改善温度系数。(3)利用形状退磁因子来改善温度系数退磁场的存在将会使值下降，值增加以及稳定性增加-气隙磁导率的稳定性磁导率的时间稳定性(老化;减落）造成减落的原因是由于在晶格中离子的扩散和重新排列，它与二价铁离子浓度和阳离子空位有关。为了稳定性能处在配方上精确控制成分和掺杂(如CaO、SiO2、Ta2O5、ZrO2等)以及在工艺上采用平衡氧气氛烧结控制之外，还可以把刚出炉的产品在烘箱中加热到100-200℃，保温24h.磁导率的稳定性软磁铁氧体的损耗概述产生原因:软磁材料在弱交变场,一方面会受磁化而储能,另一方面由于各种原因造成B落后于H而产生损耗,即材料从交变场中吸收能量并以热能形式耗散.)sin(''),cos('00mmmmHBHBchetantantantancaBefmitan2Legg公式磁损耗分类:非共振区（损耗较小）:1.涡流损耗;2.磁滞损耗;3.剩余损耗;共振区（损耗较大）:4.尺寸损耗;5.畴壁损耗;6.自然共振软磁铁氧体的损耗（1）涡流损耗由于电磁感应引起涡流而产生。一般铁氧体很高时,可忽略涡流损耗;对高材料，由于Fe2+含量较高，（=10-2～10m），涡流损耗较大。降低涡流损耗的有效方法是:提高(晶粒内部的,晶界的)effdiie2231tan2软磁铁氧体的损耗晶粒内部:①防止Fe2+出现,如配方中Fe2O350mol%则在还原气氛下烧结;主要在高频NiZn要防止Fe2+产生,则在氧气氛下烧结;②采用缺铁配方,Fe2O350mol%,P型导电n型导电;③加入适量的Mn2+,Co2+,抑制Fe2+;原因:Mn2+,Co2+的电子扩散激活能高于Fe2+,使得即使存在部分Fe2+也使.Mn2+,Co2+在高温烧结中具有比Ni对氧的亲和力还要强,由二价三价,而低温还原性强由三价二价；④降低T烧,因Fe2+随T烧而(高温时O2少);软磁铁氧体的损耗提高晶界的(主要对MnZn)①对于高µ材料,只能选择添加剂;二次球磨加入:CaOSiO2、V2O5SiO2、BaOSiO2;如SiO2量偏高,不能再加,否则将引起异常晶粒生长;②加入Nb2O3、TaO、PbO、LaO、CuO可降低T烧,促进晶粒细化,晶界增多,提高电阻率;③加入TiO2,即使Fe2+限制在Ti4+附近,防止Fe2+＝Fe3++e导电机构形成;④烧结后热处理使晶粒表面吸氧:Fe2+Fe3+(3000C以上)软磁铁氧体的损耗（2）磁滞损耗指软磁材料在交变场中存在不可逆磁化而形成磁滞回线，所引起材料损耗，大小正比于回线面积.原因:不可逆的壁移,使B落后于H.降低损耗的方法:1.低场下,防止不可逆磁化过程产生,降低损耗与提高µi的方法一致;但同时应注意防止不可逆壁移的出现2.高场下,使不可逆磁化过程尽快完成,减少磁滞回线面积.软磁铁氧体的损耗磁滞损耗的表达式：其中;b=dµi/dH(b为瑞利系数)1.如b不变,在相同的Bm条件下,µi,但当µi,往往仍可使b。2.如µi不变,使b即减少不可逆壁移所占比例，。因此使晶粒尺寸,并使k10,使磁化以可逆壁移、畴转为主