超高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料BRL15K的研制

1、磁性材料及器件 2006年8月 49工藝·技術(shù)·應(yīng)用 超高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料BRL15K 的研制徐輝宇，戴志云（上海寶鋼磁業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201900）摘 要：主要介紹了上海寶鋼磁業(yè)發(fā)展有限公司批量生產(chǎn)的高頻、高居里溫度、超高磁導(dǎo)率錳鋅軟磁鐵氧體材料BRL15K 的工藝技術(shù)及材料特性。關(guān)鍵詞：MnZn 軟磁鐵氧體；燒結(jié)；添加劑；顯微結(jié)構(gòu)；磁導(dǎo)率中圖分類號(hào)：TM277+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1001-3830(200604-0049-03Development of Soft Ferrite Material BRL15KWith Super High In

2、itial PermeabilityXU Hui-yu, DAI Zhi-yunShanghai BaoSteel Magnetic Material Co.,Ltd, Shanghai 201900, ChinaAbstract: This paper introduce the technology and properties of soft ferrite material BRL15K with super highinitial permeability, which features high operation frequency, high Curie temperature

3、 and high saturation magnetic induction B s .Key words: MnZn soft ferrite; sintering; additives; microstructure; permeability1 引言隨著數(shù)字技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展，在電子電路寬帶變壓器、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN ）、局域網(wǎng)（LAN ）、廣域網(wǎng)（WAN ）、背景照明等領(lǐng)域脈沖變壓器中需要大量性能優(yōu)良的高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體磁芯，這些應(yīng)用促進(jìn)了高磁導(dǎo)率材料的飛速發(fā)展，尤其是超高磁導(dǎo)率材料的產(chǎn)業(yè)化研究。日本TDK 公司1996年就成功開發(fā)出了i 為15000的H5C3材料

4、，最近又推出了i 為30000的H5C5材料。而國(guó)內(nèi)由于基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)的落后，目前尚無企業(yè)能夠大規(guī)模生產(chǎn)性能穩(wěn)定的i 為15000的超高磁導(dǎo)率材料，僅有天通（TDG ）、東磁等少數(shù)國(guó)內(nèi)知名軟磁企業(yè)有過批量生產(chǎn)類似產(chǎn)品的報(bào)道。由于國(guó)內(nèi)鐵氧體工業(yè)的不斷進(jìn)步，目前對(duì)高磁導(dǎo)率材料的要求，已不再局限于過去的單純追求磁導(dǎo)率高。它還必須有良好的頻率特性，即隨著頻率的增高磁導(dǎo)率衰減緩慢，阻抗降低較小，當(dāng)然還須收稿日期：2006-05-09 修回日期：2006-08-07 作者通信：E-mail: xuhuiyu2000有較高的居里溫度和良好的溫度特性。近幾年來，隨著國(guó)際電子制造業(yè)重心向亞洲轉(zhuǎn)移，亞洲發(fā)展中

5、國(guó)家和地區(qū)的軟磁鐵氧體工業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2006年底，整個(gè)亞洲軟磁鐵氧體產(chǎn)量將達(dá)到20萬噸，約占全球鐵氧體產(chǎn)量的三分之一左右，其中高磁導(dǎo)率鐵氧體占30%，而磁導(dǎo)率為15000的材料處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)地位，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景1。本文報(bào)道我公司研制的BRL15K 材料的工藝和性能。2 理論依據(jù)根據(jù)鐵磁學(xué)理論，鐵氧體的起始磁導(dǎo)率i 來源于可逆疇壁位移和可逆的磁矩矢量轉(zhuǎn)動(dòng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：2s i 1s M +式中，a 、b 為常數(shù)，M s 為材料飽和磁化強(qiáng)度，K 1為磁晶各向異性常數(shù)，s 為飽和磁致伸縮系數(shù)，為內(nèi)應(yīng)力。由此式可以看出，起始磁導(dǎo)率值i 與50 J Magn

6、 Mater Devices Vol 37 No 42s M 成正比，與1s aK b +成反比，由于M s 的變化范圍很小，所以不同配方組分鐵氧體所獲得的磁導(dǎo)率差異主要源于磁晶各向異性常數(shù)及磁致伸縮系數(shù)。當(dāng)磁晶各向異性常數(shù)及磁致伸縮系數(shù)同時(shí)達(dá)到最小值時(shí)，才能獲得最高的起始磁導(dǎo)率i 值，工藝過程中通常通過微量添加物來調(diào)整K 1和s 的值，另外還要合理控制鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)2。3 研制過程根據(jù)以上理論，在實(shí)際研制過程中我們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。3.1 工藝路線目前，國(guó)內(nèi)軟磁鐵氧體生產(chǎn)工藝一般分為干法和濕法兩種，干法生產(chǎn)軟磁鐵氧體材料具有效率高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于濕法則存在工藝穩(wěn)定性差的

7、缺點(diǎn)，較難生產(chǎn)出對(duì)工藝、設(shè)備要求苛刻的高磁導(dǎo)率材料。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)超高i 材料普遍采用濕法工藝?？紤]到本公司有著多年干法批量生產(chǎn)一般高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為了能與后續(xù)的量產(chǎn)很好地銜接，因此我們采用干法生產(chǎn)工藝研制BRL15K 超高i 材料。干法工藝的生產(chǎn)工序一般包括配料、混合、預(yù)燒、粗粉碎、細(xì)粉碎、噴霧造粒、壓制、燒結(jié)等八個(gè)重要工序，任何環(huán)節(jié)的疏忽都有可能前功盡棄。為研制超高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體材料，我們對(duì)每個(gè)生產(chǎn)工序進(jìn)行了多次對(duì)比組合試驗(yàn)，逐步確定了生產(chǎn)超高磁導(dǎo)率軟磁鐵氧體的最佳工藝條件。3.2 原材料原材料的優(yōu)劣直接影響著鐵氧體材料的性能。綜合考慮性能指標(biāo)和生產(chǎn)成本，我們選擇

8、多種高純度、良好活性及有害雜質(zhì)含量少的原材料，再根據(jù)它們物理性能（包括粒度、顆粒分布、BET ）的匹配關(guān)系，我們將NKK-SH 公司的氧化鐵紅、金瑞科技的氧化錳、上海京華化工廠的氧化鋅作為研制BRL15K 材料的主原材料。 3.3 工藝條件主要包括配方、預(yù)燒、粉碎。眾所周知，鐵氧體研制中配方是基礎(chǔ)，要滿足K 1和s 都趨近于零，我們?cè)谠瑽RL10K 主配方的基礎(chǔ)上略作調(diào)整，適當(dāng)增加了ZnO 的含量。Fe 2O 3在52mol%左右，MnO 在23mol%左右，ZnO 在25mol%左右。再用進(jìn)口球磨機(jī)混合，適當(dāng)延長(zhǎng)混合時(shí)間，并選擇合適的預(yù)燒溫度，經(jīng)雙管回轉(zhuǎn)窯預(yù)燒后再進(jìn)行多級(jí)碾磨，使得最終料粉平

9、均粒徑為0.70.9m 。在此過程中發(fā)現(xiàn)多級(jí)碾磨可以很好地將料粉的粒徑分布控制在比較狹窄的范圍內(nèi)。3.4 添加劑添加劑的摻入可以人為地調(diào)控材料的晶粒生長(zhǎng)，從而改善材料的顯微結(jié)構(gòu)。在此過程中，我們使用了多種添加劑，其中Bi 2O 3作為一種助熔劑，它在高溫下存在于晶界處，通過液相促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，從而提高材料磁導(dǎo)率。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)添加MoO 3的作用非常明顯，當(dāng)摻入量控制在0.050.1%時(shí)，材料磁導(dǎo)率得到大幅度的提高，如圖1所示。其原因在于高價(jià)的Mo 離子存在于晶界附近，增加了晶格內(nèi)的空位，提高了晶界的移動(dòng)度，從而促進(jìn)了晶粒的長(zhǎng)大，使得材料磁導(dǎo)率升高。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，由于Mo 的摻入，材料對(duì)

10、燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛的選擇有了不同的要求。另外為了改善其頻譜特性，我們還添加了微量的CaO ，也取得了明顯的效果。 3.5 燒結(jié)燒結(jié)是制備高磁導(dǎo)率鐵氧體的關(guān)鍵，由于試驗(yàn)設(shè)備有限，我們只能利用鋼包爐進(jìn)行燒結(jié)。而鋼包爐的氣氛可控性較差，因此燒結(jié)時(shí)提高氣流量，并降低升溫速率，將晶粒生長(zhǎng)和氣孔收縮時(shí)間相對(duì)錯(cuò)開，以提高材料密度。同時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間及改變降溫過程中的氣氛，使材料的磁導(dǎo)率及頻譜特性達(dá)到最佳。4 研制結(jié)果與分析根據(jù)上述過程制成20×10×8mm 樣環(huán)，置于鋼包爐中于1380溫度下燒結(jié)。用HP4284ALCR 測(cè)量?jī)x測(cè)試樣品的電磁性能，并用JEOL6460LV 掃描電子顯微鏡

11、對(duì)樣品進(jìn)行SEM 分析。4.1 材料基本性能表1給出了材料的基本性能。磁性材料及器件 2006年8月 51表1 基本性能測(cè)試（f r 150kHz ）樣品itg /i 10T C B s B r H c 1 15880 3.85 135 435 59.8 2.30 2 16260 3.88 135 435 55.8 2.24 3 15970 3.46 136 429 63.6 2.27 4 15290 3.17 134 431 46.9 2.34 5 15490 2.99 135 433 57.4 2.324.2 材料特性曲線 050001000015000200002500030000 圖2

12、給出了材料i 的溫度特性與頻率特性。i T 曲線次峰位置處于常溫附近，且在2070內(nèi)磁導(dǎo)率曲線比較平坦（低溫度系數(shù)），可以適用于溫度變化較寬的環(huán)境中。由i f 曲線圖中可以看到，在頻率為150kHz 時(shí)，其磁導(dǎo)率仍然保持在10000以上，因此該材料的頻率適應(yīng)范圍也較寬。 4.3 材料的顯微結(jié)構(gòu)圖3 材料樣品的SEM 照片：(aBRL15K，(bBRL10K圖3同時(shí)給出了BRL15K 和BRL10K 材料的SEM 照片，可以清晰地看到BRL15K 晶粒直徑（35m ）明顯大于BRL10K 材料。4.4與國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比較表2列出了材料的性能及與國(guó)外同類產(chǎn)品的比較。從表2可以看出，BRL15

13、K 材料完全達(dá)到國(guó)外同類牌號(hào)材料性能，如TDK 的H5C3，且具有更高的B s 和T C 值。表2 與國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)比較3,4TDK NEC-TOKIN FERROXCUBEEPCOS 本公司H5C5 12001H3E6 T46 BRL15Ki 15000 300001200012000 12000 15000 15000(tg/i /×1067 15 1510 7 7 7B S /mT 380 380 340 400 400 400 430 B r /mT 100 100 100 100 100 10070H c /A·m 14.4 4.22.44.0 7.0 7.0 3.5T C / 110 110 120 120 120 120 120d /g·cm 34.95 5.00 5.004.95 4.95 4.95 5.005 結(jié)論（1）采用干法工藝成功制備了i 達(dá)15000的超高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體BRL15K 材料，該材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到日本TDK 公司H5C3材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。（2）添加劑MoO 3的摻入，能很好地改善材料顯微結(jié)構(gòu)，當(dāng)摻入量為0.050.15wt%時(shí)，可以明顯地提高材料磁導(dǎo)率。（3）燒結(jié)工藝對(duì)獲得高磁導(dǎo)率的MnZn 鐵氧體是十分重要的。燒結(jié)時(shí)減緩升溫速率，并將晶粒生長(zhǎng)和氣孔收縮時(shí)間相對(duì)錯(cuò)開，可以提高材料密度。致謝