MnZn鐵氧體承燒板性能的比較

宋先剛 彭文 陳平基

摘 要：部分穩(wěn)定氧化鋯材料（PSZ）以其優(yōu)良的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性而成為MnZn鐵氧體承燒板的首選材料。PSZ材料在1100℃以上反復(fù)使用會(huì)發(fā)生反穩(wěn)定化現(xiàn)象。本文對(duì)比了鈣穩(wěn)定氧化鋯（Ca-PSZ）和釔穩(wěn)定氧化鋯（Y-PSZ）反穩(wěn)定化現(xiàn)象，及反穩(wěn)定化現(xiàn)象對(duì)材料物理性能的影響。結(jié)果表明：Y-PSZ晶相更為穩(wěn)定，性能也更為穩(wěn)定，更適合用于MnZn鐵氧體的承燒。

關(guān)鍵詞：部分穩(wěn)定氧化鋯；反穩(wěn)定化；錳鋅鐵氧體

1 引言

氧化鋯陶瓷具有較好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，近幾十年來(lái)受到廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。純ZrO2不能直接作為結(jié)構(gòu)陶瓷使用，原因在于1000℃以上ZrO2會(huì)發(fā)生單斜相（m-ZrO2）和四方相（t-ZrO2）之間的可逆轉(zhuǎn)變，該轉(zhuǎn)變伴隨約7%體積變化，當(dāng)體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)材料的彈性極限時(shí)，會(huì)引發(fā)材料的破壞。

上世紀(jì)70年代以來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)ZrO2晶體的變化是可以被控制的，他們將一些半徑與Zr4+離子半徑相近的金屬氧化物，如：MgO、CaO、Y2O3等摻入ZrO2中，在一定條件下形成固溶體，這種固溶體中便不會(huì)再發(fā)生單斜相與四方相之間的可逆轉(zhuǎn)變，抑制了因相變帶來(lái)的體積變化，降低了開(kāi)裂的可能性。部分穩(wěn)定氧化鋯（PSZ）材料因其優(yōu)良的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗熱震性而成為MnZn鐵氧體承燒板的首選材料之一。

2 用于MnZn鐵氧體燒制的承燒板的特性

MnZn鐵氧體通常置于承燒板上面燒制，目前用于MnZn鐵氧體燒制的承燒板按照材料大致可以分為三類：氧化鋁類、氧化鋯類、MnZn鐵氧體同體材料。對(duì)承燒板的性能要求大致有以下幾個(gè)方面。

（1） 承燒板應(yīng)具有高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性

承燒板應(yīng)具有高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性，與被燒結(jié)體不發(fā)生高溫反應(yīng)，不影響鐵氧體的性能。筆者曾經(jīng)使用氧化鋁板、Ca-PSZ板、Y-PSZ板和MnZn材料同體板分別承燒MnZn鐵氧體。結(jié)果表明，使用氧化鋁板承燒的鐵氧體表面出現(xiàn)少量晶斑，且該鐵氧體磁導(dǎo)率損失嚴(yán)重，不同材料承燒板對(duì)所承燒磁芯磁導(dǎo)率的影響不同，如圖1所示。

從圖1中可以看出，使用氧化鋁質(zhì)承燒板對(duì)鐵氧體磁導(dǎo)率影響較大，損失嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)表明，使用氧化鋁板承燒的鐵氧體表面出現(xiàn)少量晶斑；其他三種承燒板對(duì)鐵氧體磁導(dǎo)率影響不大。因此，燒制高品質(zhì)的鐵氧體材料不能使用氧化鋁質(zhì)承燒板。

（2） 承燒板應(yīng)該具有良好的抗熱震性能

一般情況下承燒板的抗熱震性會(huì)嚴(yán)重影響其使用壽命，所以鐵氧體生產(chǎn)者和承燒板供應(yīng)者都十分關(guān)心承燒板的抗熱震性能。材料的抗熱震性與材料的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、膨脹系數(shù)等有關(guān)。筆者分別對(duì)Ca-PSZ材料的承燒板、Y-PSZ材料的承燒板和鐵氧體同體材料承燒板進(jìn)行了抗熱震性測(cè)試。測(cè)試方法參照標(biāo)準(zhǔn)（YB/T 376.1-1995）為：將爐溫升高到1100℃，然后將試樣放入爐中，保溫20min，取出投入室溫的水中，觀察試樣是否開(kāi)裂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，抗熱震性最好的材料是Y-PSZ，鐵氧體同體材料抗熱震性最差，基本上屬于一次性材料。PSZ承燒板的抗熱震性和氧化鋯的反穩(wěn)定化密切相關(guān)。

3 Ca-PSZ和Y-PSZ反穩(wěn)定化現(xiàn)象的比較

（1） 氧化鋯的穩(wěn)定化和反穩(wěn)定

ZrO2有三種晶體結(jié)構(gòu)，單斜相（常溫穩(wěn)定型，密度5.68g/cm3）、四方相（密度6.1g/cm3）、立方相（密度6.27g/cm3）。三種晶型可以相互轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度與雜質(zhì)含量有關(guān)，在ZrO2純度高時(shí)，三種晶型能發(fā)生以下同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變：

單斜相和四方相之間的相變是馬氏體相變，轉(zhuǎn)變異常迅速，同時(shí)伴隨約7%的體積效應(yīng)，熱縮、冷脹。為了使四方相在室溫下能穩(wěn)定存在，最常用的方法是加入一些穩(wěn)定化組份（如：CaO、MgO、Y2O3等）。這些穩(wěn)定組份與氧化鋯形成固溶體，形成固溶體之后會(huì)降低相變溫度（即MS溫度）。晶體只有排除了外來(lái)質(zhì)點(diǎn)之后才能實(shí)現(xiàn)自身晶型轉(zhuǎn)變，而排除外來(lái)質(zhì)點(diǎn)是需要消耗能量的，因此穩(wěn)定化組份可以起到穩(wěn)定晶型的作用。

四方相的穩(wěn)定存在是保持PSZ陶瓷強(qiáng)度、韌性的關(guān)鍵，而長(zhǎng)期處于MnZn鐵氧體燒制溫度下（最高約1400℃）的鋯板會(huì)發(fā)生反穩(wěn)定化現(xiàn)象，即出現(xiàn)大量四方相→單斜相轉(zhuǎn)變，反穩(wěn)定化的結(jié)果會(huì)造成陶瓷性能的明顯衰退。

（2） 兩種不同穩(wěn)定劑的PSZ反穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn)

選取Ca-PSZ承燒板和Y-PSZ承燒板在1400℃下分別保溫40h、100h、200h，冷卻至室溫，然后測(cè)試其抗折強(qiáng)度及氣孔率，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，Ca-PSZ材料的總體抗折強(qiáng)度低于Y-PSZ材料，而且隨熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)抗折強(qiáng)度降低速度較快，氣孔率增長(zhǎng)速率較快。說(shuō)明Ca-PSZ材料在熱處理過(guò)程中損壞的速度高于Y-PSZ材料。取不同熱處理時(shí)間的兩種材料做XRD分析，結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2、圖3中可以看出，經(jīng)熱處理后Ca-PSZ材料的單斜鋯含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Y-PSZ材料，受熱時(shí)單斜鋯會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，同時(shí)伴隨體積效應(yīng)，在材料中產(chǎn)生一定量的微裂紋，使得材料的抗折強(qiáng)度下降，開(kāi)口氣孔率上升。

4 結(jié)論

（1） 抗熱震性最好的材料是Y-PSZ，鐵氧體同體材料抗熱震性最差。

（2） 目前，在MnZn鐵氧體承燒時(shí)，使用Y-PSZ材料的承燒板最為合適。在高溫下與鐵氧體反應(yīng)最少，有利于保持鐵氧體的磁導(dǎo)率，而且長(zhǎng)時(shí)間使用可以保持其物理性能，不易開(kāi)裂、變形等。

（3） Ca-PSZ材料經(jīng)熱處理后單斜鋯含量高于Y-PSZ材料，這會(huì)造成材料性能下降。

參考文獻(xiàn)

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