Al2O3摻雜對(duì)高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料的影響

李 昂, 畢建國(guó)

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

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

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 高磁導(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%), Mn3O4(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥98.5%)和ZnO(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥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(dǎo)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(jī)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(yù)燒, 預(yù)燒溫度為850 ℃, 燒結(jié)3 h. 先將預(yù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的PVA膠水造粒. 采用液壓機(jī), 在5 MPa下將樣品壓制成25 mm×15 mm×6 mm標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán). 在燒結(jié)曲線鐘罩爐中燒結(jié), 燒結(jié)曲線如圖2所示.

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3摻雜對(duì)起始磁導(dǎo)率的影響 在25 ℃材料的起始磁導(dǎo)率μi隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖3所示. 由圖3可見, 隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加, 材料的起始磁導(dǎo)率μi先上升后下降. 當(dāng)Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%時(shí), 材料的μi最大. 采用X射線能量色散光譜儀研究Al2O3對(duì)初始磁導(dǎo)率的作用機(jī)理, 不同樣品的內(nèi)部及表面成分列于表1.

表1 不同樣品的內(nèi)部及表面成分

由表1可見, 隨著Al2O3的添加, 樣品的內(nèi)外成分差逐漸減少. 這是由于在燒結(jié)過程中, 樣品的內(nèi)外溫度差導(dǎo)致ZnO揮發(fā)較大, 添加Al2O3可抑制ZnO揮發(fā), 使樣品內(nèi)外成分的梯度和應(yīng)力減少, 從而材料的磁導(dǎo)率增加.

2.2 Al2O3摻雜對(duì)起始磁導(dǎo)率溫度特性的影響 不同Al2O3摻雜量樣品的起始磁導(dǎo)率μi隨溫度的變化關(guān)系如圖4所示. 由圖4可見, Al2O3添加量越多, 起始磁導(dǎo)率越平滑, 其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的Al2O3可提升材料的整體磁導(dǎo)率. 磁導(dǎo)率的比溫度系數(shù)列于表2.

表2 不同樣品的比溫度系數(shù)αμr(10-6)

由表2可見, 添加Al2O3可降低比溫度系數(shù)αμr. 其機(jī)理為: 在高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體中, Fe3+占據(jù)B位, 且Fe3+的K1值為負(fù). 摻雜Al2O3后, Al3+更易占據(jù)尖晶石結(jié)構(gòu)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(dǎo)率的溫度特性, 如圖5所示. Al3+在晶粒內(nèi)部存在濃度梯度, 晶粒外部濃度大, 內(nèi)部濃度小, 在一定的溫度范圍內(nèi), 晶粒各個(gè)區(qū)域的μi-T曲線的2個(gè)極大值位置各不相同, 迭加后導(dǎo)致μi-T趨于平坦[5]. 但隨著Al2O3添加量的繼續(xù)增加, 磁導(dǎo)率將大幅下降, 因此不宜過量添加Al2O3.

2.3 Al2O3摻雜對(duì)起始磁導(dǎo)率頻譜特性的影響 樣品磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系如圖6所示. 由圖6可見, 磁導(dǎo)率的頻帶隨Al2O3摻雜量的增加而變寬. 其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的Al2O3為最佳添加量.

圖3 MnZn鐵氧體起始磁導(dǎo)率與 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship of initial permeability of MnZn ferrite vs Al2O3 mass fraction

圖4 不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)樣品的起始 磁導(dǎo)率μi隨溫度的變化關(guān)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(dǎo)率的關(guān)系Fig.5 Relationship between K1 of MnZn and initial permeability

圖6 樣品磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)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(fā), 提升了MnZn鐵氧體的起始磁導(dǎo)率, 并改善了磁導(dǎo)率的溫度特性, 拓寬了磁導(dǎo)率的頻率范圍, 其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%的Al2O3為最佳添加量; 過量添加會(huì)降低材料的磁導(dǎo)率.

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