一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用专利检索
申请人
横店集团DMC有限公司；
发明者
陈俊林;张立康;
概括
本发明提供了一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用。 镍锌铁氧体材料包括主料、功能添加剂和修正剂。 主要材料有Fe2O3、Ni2O3、ZnO、CuO等。 所述功能添加剂包括Mn 3 O 4 、TiO 2 、Ta 2 O 5 、Co 2 O 3 或Sm 2 O 3 中的任意三种或至少四种的组合，所述修正剂包括Fe 2 O 3 和Ni 2 O 3 。 本发明采用合适的主配方校正工艺，在铁氧体材料中添加适当的廉价校正剂和功能添加剂，可以显着降低所制备的镍锌铁氧体材料在13.56MHz的功率损耗。
权利要求
1.一种镍锌铁氧体材料，其特征在于，所述镍锌铁氧体材料包括主料、功能添加剂和修正剂，所述主料包括Fe2O3、Ni2O3、ZnO和CuO，所述功能添加剂包括任意三种或Mn3O4、TiO2、Ta2O5、Co2O3或Sm2O3中至少四种的组合，所述修正剂包括Fe2O3和Ni2O3。
2.根据权利要求1所述的镍锌铁氧体材料，其特征在于，以主料摩尔量为100％计，Fe2O3的摩尔分数为47.5-49.9％。
优选地，Ni2O3的摩尔分数为18.5-22.5%；
优选地，ZnO的摩尔分数为21.5-25.5%；
优选地，CuO的摩尔分数为3.5-7.5%。
3.根据权利要求1或2所述的镍锌铁氧体材料，其特征在于，以预锻后主料的总重量为基准，Mn3O4的添加量为1000％；
优选地，TiO2的添加量为0～；
优选地，Ta2O5的添加量为300%；
优选地，Co2O3的添加量为1500%；
优选地，Sm2O3的添加量为500％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的镍锌铁氧体材料，其特征在于，以预锻后主料的总重量为基准，Fe2O3的添加量为1300％；
优选地，Ni2O3的添加量为1700％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的镍锌铁氧体材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将主材料湿法混合得到浆料，将浆料干燥并预煅烧处理得到粉末；
(2)将功能性添加剂、改性剂与粉体混合，湿磨后干燥，加入聚乙烯醇溶液，进行造粒加工；
(3)将步骤(2)造粒处理后得到的材料压制后，烧结得到镍锌铁氧体材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的湿式混合包括湿式球磨；
优选地，球磨机中使用的锆球包括Φ6mm、Φ14mm、Φ22mm三种尺寸的锆球1:1:1的混合。
优选地，所述球磨机包括行星式球磨机；
优选地，所述球磨机的球料比为1:(2-4)。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的预煅烧温度为850-980℃；
优选地，预燃时间为2.5～3.5小时；
优选地，预煅烧之后在炉中冷却至室温。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中湿磨时间为90～90℃。
优选地，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为8～12wt％。
9.根据权利要求5-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中压榨之前进行过筛；
优选的，所述过筛过程的目数为40～100目；
优选地，压制材料的密度≥3.0g/cm3。
优选地，所述烧结处理的温度为1050-1150℃；
优选地，烧结处理时间为3至5小时。
10.根据权利要求1-4任一项所述的镍锌铁氧体材料的应用，其特征在于，所述镍锌铁氧体材料用于新能源汽车、无线充电或13.56MHz的事物。 互联网技术领域。
说明全文
一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用技术领域
本发明属于软磁铁氧体技术领域，涉及一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用。
背景技术
[0002] 镍锌（NiZn)功率铁氧体具有高饱和磁感应强度（Bs)、高电阻率（ρ)、低损耗（Pcv)等特点，广泛应用于各种组件，例如电力变压器、扼流线圈、脉冲宽带变压器、磁偏转器件和传感器等。特别是采用NiZn功率铁氧体的高饱和磁化强度、高电阻率和低损耗制成的开关电源变压器铁芯已成为计算机、通信、彩电、视频等领域不可缺少的产品。录音机、办公自动化等电子设备。 成分。
高频是电力电子技术的重要标志。 提高工作频率可以减小变压器的体积和重量。 在相同磁通密度下，频率加倍可以使变压器铁芯的横截面积减少一半。 一个典型的例子是，6英寸开关电源的体积是13英寸开关电源的一半，大大节省了空间，实现了资源的有效利用。
[0004] 随着第三代半导体SiC、GaN等宽带隙材料在变压器中的应用，变压器中的晶体管可以工作在MHz及以上的频率，实现更高效的电力传输和转换，可以极大地促进开关器件的发展。电源小型化、高频化、节能化。
相应地，作为变压器核心部分的镍锌铁氧体磁芯材料，也迫切需要匹配第三代半导体材料的MHz级工作频段。 如果传统功率铁氧体的最佳应用频率也能从几十kHz提高到MHz，不仅可以在各种民用设备领域发展超高效率小型开关电源，提高效率以及各种电器的质量； 但在军事装备领域，甚至可以开发出超小尺寸、无需散热装置的高效率电源，可以适应更复杂的环境，提供更高的转换效率，大大减轻设备运输的负担。
[0006] 更重要的是，随着新能源汽车、无线快充、物联网等未来新技术领域的快速发展，需要高效率、高密度的信号和能量转换与传输，而其他低-需要避免频率干扰信息。 ，特别追求一种在13.56MHz频段能够具有超低损耗和超高转换效率的NiZn铁氧体材料。
本发明公开了一种铁氧体材料及其制造方法。 配方采用47～49mol％Fe2O3、15～22mol％NiO、25～30mol％ZnO、4～7mol％CuO和0.1～0.5mol％Co2O3组成。 该铁氧体材料在13.56MHz时功率损耗严重，不适合实际应用。
[0008] 公开了一种用于制备高性能MnZn铁氧体的In(Cd，Ga)、Ni、Ti和Co离子的联合取代方法。 在选定的主成分中，添加含有Ni、Ti、Co的一种或多种副成分； 添加一种或多种含有In、Cd、Ga元素的子成分； 添加一种或多种含有Ca、Si元素的子成分； 各种副料。 它使用贵金属和稀有金属，成本较高，不利于实际生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用。 本发明采用合适的主配方校正工艺，在铁氧体材料中添加适当的廉价校正剂和功能添加剂。 所制备的镍锌铁氧体材料在13.56MHz下的功率损耗可以显着降低。
为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
[0015] 第一方面，本发明提供一种镍锌铁氧体材料，所述镍锌铁氧体材料包括主料、功能添加剂和调节剂，所述主料包括Fe2O3、Ni2O3、ZnO和CuO，所述功能添加剂包括任意三种或Mn3O4、TiO2、Ta2O5、Co2O3或Sm2O3中至少四种的组合，所述修正剂包括Fe2O3和Ni2O3。
本发明镍锌铁氧体材料中的原料和辅助添加剂均采用市售通用材料，不含昂贵的稀有金属氧化物，仅使用Mn3O4、TiO2、Ta2O5、Co2O3等少数几种。采用普通氧化物作为添加剂，成本低，原材料独立控制，风险低。 优化了材料在13.56MHz下的功率损耗，提高了材料在13.56MHz下的功率转换效率。 具有高磁导率和高饱和磁通量。 具有密度大、损耗低等优点。
[0013] 优选地，以主料摩尔量为100%时，Fe2O3的摩尔分数为47.5-49.9%，例如：47.5%、47.8%、48%、49%或49.9%等。
[0014] 优选地，Ni2O3的摩尔分数为18.5〜22.5%，例如：18.5%、19%、19.5%、20%、21%或22.5%等。
[0015] 优选地，ZnO的摩尔分数为21.5〜25.5%，例如：21.5%、22%、23%、24%或25.5%等。
[0016] 优选地，CuO的摩尔分数为3.5〜7.5%，例如：3.5%、4%、5%、6%或7.5%等。
[0017] 优选地，基于预锻后主料的总重量，Mn3O4的添加量为1000〜，例如：、、、等。
[0018] 优选地，TiO2的添加量为0~0，例如：0ppm、10ppm、20ppm、50ppm等。
优选地，所述Ta2O5的添加量为300〜，例如：、、、、、或等。
优选地，所述Co2O3的添加量为1500〜，例如：、、、、、或等。
优选地，所述Sm2O3的添加量为500〜，例如：、、、、、或等。
[0022] 优选地，以预锻后主料的总重量为基准，Fe2O3的添加量为1300〜，例如：、、、、、、等。
优选地，Ni2O3的添加量为1700～，如：、、、、或等。
[0019] 第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的镍锌铁氧体材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤:
(1)将主料湿法混合得到浆料，将浆料干燥、煅烧得到粉末；
(2)将功能性添加剂、矫正剂与粉体混合，湿磨后干燥，加入聚乙烯醇溶液，进行造粒处理；
(3)将步骤(2)造粒处理后得到的材料压制后，经过烧结处理得到镍锌铁氧体材料。
现有研磨工艺中，无论是传统研磨法还是本发明的行星式球磨法，都无法避免由于锆球的磨损而导致粉末中Zr元素成分的增加，导致主配方偏差，材料的磁导率、效率、功率损耗、温度特性等性能与预期设计不一致，难以控制。 针对现有工艺造成的主要配方成分的偏差，本发明通过添加适量的Fe2O3和Ni2O3来人工修正偏差，采用合适的主配方比例，匹配合适的磨料工艺，添加相应的适量的主配方校正剂，使得制备得到的铁氧体材料在13.56MHz下损耗显着降低。
优选地，步骤（1）所述的湿式混合包括湿式球磨。
优选地，球磨机中使用的锆球包括Φ6mm、Φ14mm、Φ22mm三种尺寸的锆球按1:1:1混合。
大、中、小三种尺寸的钢球混合，可以使球磨时锆球之间的间隙变小。 不仅可以将原料有效混合均匀，还可以帮助原料粒度分布更加集中，避免成分偏析。 、提高粉体活性。
[0032] 优选地，球磨机包括行星式球磨机。
优选地，球磨机的球料比为1:(2-4)，如：1:2、1:2.5、1:3、1:3.5或1:4等。
行星式球磨机的工作方式是转盘的公转和罐体反方向的自转同时进行，包括球体之间的碰撞、球体与罐体的研磨以及球体的运动。球从高点到低点。 下落冲击可有效研磨不同粒径和硬度的粉末。 再加上料球比高的两种不同质量的锆球，球磨时钢球研磨可以覆盖整个罐体，并且最好每10分钟切换一次公转和自转方向。 粉末和钢球的运动轨迹不是一个方向的。 粉末的任何部分都可以研磨。 与传统研磨法相比，料球比为1:2~3，单向砂磨或球磨，使用高料球比的行星式球磨机，可有效地将粉体粒度磨成在短时间内获得更窄且更均匀的粒径分布。
优选地，步骤(1)中的预烧温度为850-980℃，例如：850℃、880℃、900℃、950℃或980℃等。
[0036] 优选地，预燃时间为2.5〜3.5h，例如:2.5h、2.8h、3h、3.2h或3.5h等。
[0037] 优选地，预煅烧后将炉体冷却至室温。
优选地，步骤(2)中所述湿法研磨的时间为90〜，例如:90min，，，，或等。
[0039] 优选地，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为8〜12wt%，例如:8wt%、9wt%、10wt%、11wt%或12wt%等。
优选地，步骤(3)所述压制之前进行过筛处理。
优选地，过筛过程的目数为40-100目，例如：40目、50目、60目、80目或100目等。
[0042] 优选地，压制材料的密度≥3.0g/cm3。
[0043] 优选地，步骤(3)中的烧结处理温度为1050-1150°C，例如:1050°C、1080°C、1100°C、1120°C或1150°C等。
[0015] 优选地，所述烧结处理的时间为3〜5h，例如:3h、3.5h、4h、4.5h或5h等。
第三方面，本发明提供了第一方面所述的镍锌铁氧体材料的应用，所述镍锌铁氧体材料用于新能源汽车、无线充电或13.56MHz的物联网。 技术领域。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用合适的主配方校正工艺，在铁氧体材料中添加适当的校正剂，可以显着降低所制备的镍锌铁氧体材料在13.56MHz的功率损耗。
(2)本发明镍锌铁氧体的初始磁导率在100±25%范围内，25℃时的饱和磁通密度为3
度≥420mT，100℃饱和磁通密度≥360mT，13.56MHz，30mT/25℃铁损可达346kW/m以上
3 3
20mT/25℃下，磁芯损耗可达279kW/m以下，30mT/100℃下，磁芯损耗可达436kW/m以下。
20mT/100℃时磁芯损耗可达到小于388kW/m。
详细方式
[0049] 下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。 本领域技术人员应当理解，以上实施例仅仅用以帮助理解本发明，并不构成对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种镍锌铁氧体材料，所述镍锌铁氧体材料的主要材料成分为ZnO:23.5mol%、FeO:49.5mol%、NiO:20.5mol%、CuO:6.5mol%，其制备方法镍锌铁氧体材料的制备方法如下：
(1)按上述比例称取FeO、NiO、ZnO、CuO四种原料，采用湿式球磨混合。 选取Φ6mm、Φ14mm、Φ22mm三种尺寸的锆球按1:1:1混合搭配，球比为1:3，得到浆料。 将浆料干燥，在空气气氛中于950℃预烧并保温3小时，随炉冷却至室温，得到粉末；
(2)按照步骤(3)中煅烧后得到的粉体的重量比称取分析纯辅助功能添加剂MnO、TiO、TaO、CoO和主配方调节剂FeO、NiO，混入到粉料中，得到掺杂粉末； 其中，以步骤（3）称量得到的粉体重量为基准，混合比例为：、、、、、、，将得到的物料放入行星式球磨机中进行湿式球磨，锆球直径为Φ4mm和Φ5mm钢球按1:1的比例混合。 料球比为1:7，得到浆料。 干燥后，加入10wt%聚乙烯醇（PVA）溶液，在研钵中研磨。 介质混合后，用压机预压成圆饼状，使聚乙烯醇（PVA）溶液与干燥粉末充分混合均匀；
(3)将所得粉末过80目筛，压制成密度≥3.0g/cm的实心环形坯体。 将所得生坯在罩式空气烧结炉中在1040℃的烧结温度下进行烧结。 ，保温时间4h，得到镍锌铁氧体材料。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于FeO、NiO、CuO含量分别为49摩尔％、22.5摩尔％、5摩尔％。 由于主配方中FeO和ZnO含量的变化会直接影响材料的温度特性，导致材料的最佳性能温度范围发生偏移。 为了保证最佳性能温度范围始终落在25～100℃范围内，需要根据实施例调整具有相同改性效果的Co2O3添加剂的掺杂量，因此钴的添加量为变化，其他条件和参数与实施例1完全相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于FeO、NiO、CuO含量分别为47.5mol％、22.0mol％、7mol％。 由于主配方中FeO和ZnO含量的变化会直接影响材料的性能温度特性，导致材料的最佳性能温度范围发生偏移。 为了保证最佳性能温度范围始终落在25～100℃范围内，需要根据实施例调整具有相同改性效果的Co2O3添加剂的掺杂量，因此钴的添加量变为，其他条件和参数与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于FeO、NiO、ZnO、CuO含量分别为49.5mol％、18.6mol％、25.5mol％、6.4mol％。 由于主配方中FeO和ZnO含量的变化，将直接影响材料的温度特性，材料的最佳性能温度范围会发生偏移。 为了保证最佳性能温度范围始终落在25～100℃范围内，需要根据实施例调整具有相同改性效果的Co2O3添加剂的掺杂量，钴的添加量变为，其它条件及参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处仅在于FeO、NiO、ZnO和CuO的含量分别为49.9mol%、22.5mol%、21.5mol%和6.1mol%。 由于主配方中FeO和ZnO含量的变化，将直接影响材料的温度特性，材料的最佳性能温度范围会发生偏移。 为了保证最佳性能温度范围始终落在25～100℃范围内，需要根据实施例调整具有相同改性效果的Co2O3添加剂的掺杂量，钴的添加量变为，其它条件及参数与实施例1完全相同。
实施例6
本实施例与实施例2的区别仅在于步骤(2)的湿式球磨时间为90min，锆球比实施例2磨掉铁少，主配方矫正剂Fe2O3、Ni2O3用量为和，其他条件参数与实施例1完全相同。
实施例7
本实施例与实施例2的区别仅在于步骤(2)中湿式球磨的时间为，锆球比实施例2磨掉铁少，主配方矫正剂Fe2O3、Ni2O3用量为，其他条件参数与例1完全相同。
实施例8
本实施例与实施例2的唯一区别在于将步骤(2)中所述的湿式球磨改为传统的砂磨，其他条件和参数与实施例1完全相同。
对比实施例1
本对比例与实施例2的唯一区别在于未添加修正剂，其他条件及参数与实施例1完全相同。
对比实施例2
本对比例与实施例2的区别仅在于添加了Fe2O3作为修正剂，其他条件及参数与实施例1完全相同。
对比例3
本对比例与实施例2的区别仅在于添加了NiO作为修正剂，其他条件和参数与实施例1完全相同。
对比例4
本对比例与实施例2唯一的区别是没有添加功能性添加剂，其他条件和参数与实施例1完全相同。
对比例5
本对比例与实施例2的唯一区别在于仅添加了Mn2O3和Co2O3两种功能添加剂，其他条件和参数与实施例1完全相同。
[0079] 性能测试：
对于实施例1-7和对比例1-2得到的样品，测试其在1KHz/0.25V下的实际导磁率，分别测试其在25℃和100℃下的磁通密度，采用日本岩崎-H测试仪测量单位体积损耗Pcv，然后选择性测试实施例8和对比例1-5，得到样品的初始磁导率和30mT时的磁芯损耗。 测试结果如表1所示：
表格1
[0082]
[0083]
由表1可以看出，由实施例1-7可知，本发明镍锌铁氧体的初始磁导率在100±25%范围内，在25℃时的饱和磁通密度°C≥ 420mT，100℃饱和磁通密度≥360mT，13.56MHz，30mT/3 3
25℃时铁损可达346kW/m以下，20mT/25℃时铁损可达279kW/m以下，100℃时铁损可达30mT/m以下
3 3
20mT/100℃时磁芯损耗可达436kW/m以下，20mT/100℃时磁芯损耗可达388kW/m以下。
从实施例1与实施例6-7的对比可以看出，本发明可以通过球磨时间来调节矫正剂的添加量，方法灵活可控，效果十分明显。
通过实施例2与实施例8的对比可以看出，在本发明镍锌铁氧体的制备过程中，研磨方式对得到的铁氧体的影响非常明显。 球磨方法如果采用传统的砂磨，而不使用行星式球磨机，在损耗和导磁性能方面存在明显的不足。 本发明采用料球比高的行星式球磨机，能够在短时间内有效地将粉体粒度研磨成越来越窄的粒度分布。 均匀。
通过比较实施例2和对比例1-3可以看出，在没有Fe2O3和/或Ni2O3校正的情况下，所制备的镍锌铁氧体材料的损耗温度性能发生变化，在25℃和25℃时损耗增加。 100°C。 大，本发明采用合适的主公式校正处理，可以显着降低13.56MHz下的功率损耗。
从实施例2与对比例4-5的对比可以看出，本发明在镍锌铁氧体材料中适当添加了多种功能添加剂，其中添加适量的MnO可以显着提高电阻率，改善电阻率。功耗特性。 ;添加适量TiO2达到2+
含Fe参与导电机制，减少材料损耗，降低烧结温度，但不促进晶粒长大，从而改善
2+
综合磁性能； 添加少量Co2O3可以改善材料的频率和损耗特性。 Co形成单轴各向异性，造成深能谷，冻结磁畴壁，从而提高磁畴壁共振频率； 添加适量的Sm2O3可以有效控制材料的磁致伸缩系数； 添加适量的Ta2O5可以使温度曲线更加平坦。
申请人声明，以上所述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不限于此，本领域的技术人员应当理解，任何本领域的技术人员都不会落入本发明的技术范围之内。对于本发明所公开的内容，容易想到的变化或替换均落入本发明的保护范围和公开范围之内。