寬頻低損耗MnZn鐵氧體材料的研制*

譚福清，豆小明

0 引言

通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，促使電子產(chǎn)品向小型化、高頻化、輕量化和高性能方向發(fā)展，MnZn鐵氧體材料的發(fā)展由單一性能的縱深提高轉(zhuǎn)向多項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)提高的橫向拓展。MnZn功率鐵氧體用作變壓器磁芯，進(jìn)行能量的傳輸和轉(zhuǎn)換[1]。一副磁芯傳輸?shù)墓β蚀笮】梢员硎緸椋?/p>

工作頻率f越高、磁芯的有效體積Ve越大，傳輸?shù)墓β示驮酱蟆Q言之，傳輸額定的功率，若工作頻率越高，磁芯的有效體積就可以越小。考慮銅損、波形等因素，一個(gè)變壓器傳輸?shù)墓β蚀笮椋?/p>

工作頻率f越高、磁芯的損耗Pcv越低，變壓器傳輸?shù)墓β示驮酱骩2]。綜合起來(lái)，工作頻率越高，磁芯的損耗越低，傳輸額定的功率，所需磁芯的體積就越小，變壓器就可以做得更小?？梢?jiàn)，MnZn鐵氧體材料的高頻低損耗，正是器件小型化、輕量化的基礎(chǔ)。因此，世界主要MnZn鐵氧體生產(chǎn)廠家競(jìng)相開(kāi)發(fā)在高頻下具有更低損耗的材料[3-5]。本文主要研究主配方、SiO2和CaCO3添加劑及燒結(jié)溫度在高頻下對(duì)寬頻低損耗MnZn鐵氧體材料的微結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，成功制備了寬頻低損耗MnZn鐵氧體材料。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 樣品制備

采用傳統(tǒng)的陶瓷工藝，以市售Fe2O3（純度99.4%）、Mn3O4（以Mn計(jì)純度71.3%）和ZnO（純度99.7%）為原料，按一定的比例稱量，進(jìn)行砂磨混合；料漿烘干后過(guò)篩、預(yù)燒；加二次添加劑，濕式研磨至平均粒度0.9～1.1 μm；烘干、過(guò)篩、加膠造粒，壓制成密度為3.0 g/cm3的OR25×8-15標(biāo)環(huán)；在1 100～1 300℃下燒結(jié)，降溫采用平衡氣氛，樣品冷卻至180℃出爐。

其制備工藝流程如圖1所示。

圖1 MnZn鐵氧體制備工藝流程Fig.1 Experimental process

1.2 樣品測(cè)試

用HP4284A LCR測(cè)試儀測(cè)試樣品的磁導(dǎo)率，用Model 2335 Watt Meter和SY-8258 B-H測(cè)試樣品的功率損耗；用S-530掃描電子顯微鏡觀察燒結(jié)樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 理論分析與主配方設(shè)計(jì)

為了分析高頻低損耗材料的組成和結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料組成和微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能的原理，對(duì)筆者公司量產(chǎn)的中頻低損耗材料的損耗特性進(jìn)行損耗分離。

圖2分析表明，中頻（100 kHz）低損耗材料在高頻（500 kHz）下的損耗特性發(fā)生了顯著的變化：渦流損耗Pe超過(guò)總損耗的一半，剩余損耗Pr的比重超過(guò)了磁滯損耗Ph。中、低頻下的低損耗材料是以磁滯損耗為主。因此，要降低高頻損耗，主要是降低渦流損耗和剩余損耗[6]。

圖2 中頻低損耗材料的損耗分離（Bm=50 mT，T=100℃）Fig.2 Loss separations of Medium Frequency Low Loss MnZn ferrites as Bm=50 mT at 100℃

要降低渦流損耗，必須提高材料、特別是晶界的電阻率，要求材料具有晶粒小、較厚晶界的顯微結(jié)構(gòu)等。渦流損耗公式：

可采用降低燒結(jié)溫度和在晶界中摻入高電阻的雜質(zhì)，如SiO2、CaCO3等實(shí)現(xiàn)上述要求。

剩余損耗主要由疇壁共振引起，要降低剩余損耗，就要提高材料的截止頻率以避開(kāi)共振頻率。根據(jù)Snoek公式：

可通過(guò)減小晶粒尺寸、降低材料的起始磁導(dǎo)率來(lái)提高材料的截止頻率。這可以通過(guò)調(diào)整主配方和低溫?zé)Y(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

主配方的選擇必須滿足三個(gè)基本條件[7]：即磁導(dǎo)率μi、居里溫度Tc和損耗溫度特性Pcv-T。首先采用混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定兩種主成分的范圍，再進(jìn)行正交試驗(yàn)，尋找μi和Pcv-T走勢(shì)接近目標(biāo)值的最佳方案。此外，還要考慮二次添加劑和燒結(jié)工藝對(duì)三個(gè)基本條件的影響，即，既要考慮這種影響的負(fù)面效應(yīng)，又要考慮利用這種影響彌補(bǔ)主配方的不足。

圖3 隨ZnO變化的Pcv-T曲線（Fe2O3=52.9mol%）Fig.3 Pcv-T curve with ZnO variation（Fe2O3=52.9mol%）

通過(guò)理論分析及試驗(yàn)，“Fe2O3=52.9mol%，ZnO=9.1mol%，其余為Mn3O4”的主配方，其μi＞1 400，理論計(jì)算Tc＞240℃，Pcv-T特性接近目標(biāo)走勢(shì)，是符合寬頻低損耗材料要求的主配方，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2 添加劑的篩選

添加劑的作用[8]：（1）改善材料微觀結(jié)構(gòu)和電磁性能，如促進(jìn)或抑制晶粒生長(zhǎng)、降低損耗、改善μi-T、Pcv-T、μi-f特性等；（2）作為助熔劑，降低燒結(jié)溫度，加速反應(yīng)，提高燒結(jié)密度等。寬頻低損耗材料比中頻低損耗材料燒結(jié)溫度要低，助熔劑的作用尤為重要。由于燒結(jié)溫度低很多，添加劑的種類和添加量也可能不同，本文重點(diǎn)討論SiO2、CaCO3的添加對(duì)磁性能的影響。

眾所周知，高溫下鐵氧體材料中的SiO2和CaCO3會(huì)發(fā)生固相反應(yīng)生成CaSiO3，在晶界形成高電阻的石英相，可顯著降低材料的渦流損耗。因此，通過(guò)在鐵氧體中添加SiO2、CaCO3來(lái)降低功率損耗是一種常用的方法。

圖4為μi隨CaCO3/SiO2添加比的變化曲線。結(jié)果表明，SiO2添加量相對(duì)減少，材料的μi升高。這說(shuō)明過(guò)量添加SiO2會(huì)促使晶粒異常生長(zhǎng)，引起材料內(nèi)應(yīng)力增加，導(dǎo)致μi下降。

圖4 μi隨CaCO3/SiO2添加比的變化曲線Fig.4 μicurve with CaCO3/SiO2variation

圖5 為Pcv-T特性隨SiO2添加量的變化曲線。當(dāng)CaCO3添加800ppm保持不變，隨著SiO2的添加量加大，材料的損耗先降低后上升。究其原因，隨著SiO2的增加，生成的CaSiO3的量增加，晶界電阻提高，渦流損耗下降，而過(guò)量的SiO2卻促使晶粒異常生長(zhǎng)，引起材料內(nèi)應(yīng)力增加，晶界變薄，導(dǎo)致磁滯損耗和渦流損耗均上升，材料的整體損耗上升。

圖5 Pcv-T特性隨SiO2添加量的變化（CaCO3=800ppm）Fig.5 Pcv-T curve with amount of SiO2variation（CaCO3=800ppm）

圖6 是Pcv-T特性隨CaCO3添加量的變化曲線。當(dāng)SiO2添加20 ppm保持不變，隨著CaCO3的增加，材料的高溫?fù)p耗下降。這是由于CaCO3增加，材料中的Ca2+濃度提高，部分Ca2+進(jìn)入晶格，抑制了Fe3+向Fe2+的轉(zhuǎn)換，二峰后移所致。但需要注意的是，添加過(guò)多的CaCO3會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率降低。

V2O5、Nb2O5等基礎(chǔ)摻雜試驗(yàn)是通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)完成的。需要說(shuō)明的是，基于寬頻低損耗材料獨(dú)特的燒結(jié)工藝，選擇了不同于中低頻功率材料的助熔劑，在提高密度和降低損耗方面作用十分明顯。

圖6 Pcv-T特性隨CaCO3添加量的變化（SiO2=20ppm）Fig.6 Pcv-T curve with amount of CaCO3variation（SiO2=20ppm）

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)微觀形貌和磁性能的影響

試驗(yàn)變化燒結(jié)溫度，研究了對(duì)樣品的微觀形貌和材料的起始磁導(dǎo)率μi和PL-T的影響，燒結(jié)保溫5小時(shí)。

從圖7可看到，1 160℃燒結(jié)時(shí)，晶粒直徑約為10 μm（圖7（a））；而1 300℃燒結(jié)時(shí)，晶粒直徑約為15 μm（圖7（b））。隨燒結(jié)溫度降低，晶粒變小并趨于均勻，可在晶界處形成高電阻層，有效地降低渦流損耗。低損耗鐵氧體一般要求燒結(jié)體晶粒大小均勻，氣孔少且密度高，這就要求在燒結(jié)過(guò)程中針對(duì)不同材料的特點(diǎn)，選擇最佳燒結(jié)溫度[9]。

圖7 不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)樣品的微觀形貌Fig.7 SEM images at different sintering temperatures

圖8 顯示，燒結(jié)溫度越低，材料的起始磁導(dǎo)率μi越低。究其原因：燒結(jié)溫度降低，材料的晶粒尺寸減小造成的，圖7的樣品的微觀形貌可以證明。

圖8 起始磁導(dǎo)率μi隨燒結(jié)溫度的變化Fig.8 μicurve with sintering temperatures variation

圖9 為Pcv-T特性隨燒結(jié)溫度的變化曲線。結(jié)果表明，燒結(jié)溫度的越低，材料的整體損耗減小，二峰后移。其產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)晶粒尺寸減小，晶界變厚，材料的渦流損耗顯著降低，導(dǎo)致總損耗下降。將1 160℃和1 300℃燒結(jié)的損耗特性進(jìn)行損耗分離，見(jiàn)圖10，損耗分離也證明上述分析。

圖9 Pcv-T特性隨燒結(jié)溫度的變化Fig.9 Pcv-T curve with sintering temperatures variation

圖10 不同燒結(jié)溫度下的損耗分離（Bm=50mT，T=100℃）Fig.10 Loss separations of MnZn ferrites as Bm=50mT at 100℃at different sintering temperatures

在圖10中，將兩種燒結(jié)溫度燒結(jié)的損耗特性進(jìn)行損耗分離。1 160℃燒結(jié)的材料的Pcv/f-f曲線的斜率明顯小于1 300℃燒結(jié)的斜率，說(shuō)明材料在1 160℃燒結(jié)時(shí)渦流損耗明顯下降。至于二峰后移，則是因?yàn)榫Я３叽鐪p小，Ph、Pe和Pr的比例改變，而各種損耗隨溫度的變化趨勢(shì)是不同的，導(dǎo)致總損耗的最低點(diǎn)產(chǎn)生漂移。當(dāng)然，燒結(jié)溫度不可能無(wú)限制的降低，必須兼顧到材料的起始磁導(dǎo)率和燒結(jié)密度。

3 實(shí)例研制結(jié)果

3.1 電磁性能測(cè)試

根據(jù)以上研究結(jié)論，研制了寬頻低損耗材料，并對(duì)電磁性能測(cè)試。

表1 與TDK公司的PC50材料的對(duì)比Table 1 Contrast with PC50 of TDK

3.2 損耗分離結(jié)果

研制的寬頻低損耗材料的損耗分離見(jiàn)圖11。

從圖11可以看出，磁滯損耗已在總損耗中占主導(dǎo)地位，而渦流損耗和剩余損耗居于次要地位。從25℃與100℃的Pcv/f-f曲線斜率接近而截距不同來(lái)看，從常溫到高溫，高頻下總損耗的下降主要是源于磁滯損耗的下降。

表2 與天通TDG公司的TP5B材料的對(duì)比Table 2 Contrast with TP5B of TDG

圖11 寬頻低損耗材料的損耗分離（Bm=50 mT）Fig.11 Loss separations of Wide Frequency and Low Loss MnZn ferrites as Bm=50 mT

4 結(jié)論

（1）中頻低損耗材料在高頻下的渦流損耗Pe超過(guò)總損耗的一半，剩余損耗Pr的比重超過(guò)了磁滯損耗Ph。

（2）“Fe2O3=52.9mol% ， ZnO=9.1mol% ， 其 余 為Mn3O4”的主配方，其μi＞1 400，理論計(jì)算 Tc＞240 ℃，PL-T特性接近目標(biāo)走勢(shì)，是符合寬頻低損耗材料要求的主配方。

（3）適量的SiO2和CaCO3，高溫會(huì)發(fā)生固相反應(yīng)生成CaSiO3，在晶界形成高電阻的石英相，可顯著降低MnZn鐵氧體材料的渦流損耗。

（4）燒結(jié)溫度為1 160℃時(shí)渦流損耗明顯下降，導(dǎo)致總損耗降低。

（5）寬頻低損耗材料在高頻下，總損耗的下降主要是源于磁滯損耗的降低。

目前，筆者公司已批量生產(chǎn)高頻低損耗JPP-5材料（500 kHz） 和 高 頻 低 損 耗 JPP-5A 材 料 （700 kHz、1 MHz），可參看2017年A-CORE產(chǎn)品目錄。具有更高頻的寬頻低損耗材料的研究，也取得可喜的進(jìn)展。

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