一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体及其制备方法与流程
本发明属于软磁铁氧体技术领域，具体涉及一种功率电感用高强度耐热冲击镍锌铁氧体及其制备方法。
背景技术：
软磁铁氧体按应用类型主要分为功率铁氧体和高磁导率铁氧体。镍锌铁氧体与锰锌铁氧体相比，具有电阻率大、工作频率高的优点，主要用作功率铁氧体，适用于制作各种高频天线、中高频电感磁芯、滤波器磁芯、变压器、磁放大器磁芯等。近年来，随着无铅绿色焊接技术的发展，各类表贴元器件在安装和焊接过程中要求具有较高的机械强度，能承受一定的压力，同时还要能承受焊接材料瞬时高温带来的热冲击，这就对器件的高性能、可靠性提出了更为严格的要求。
目前，关于耐热冲击、高机械强度的功率镍锌铁氧体及其制备方法已有一些报道：申请号为2.6、发明名称为“一种高抗弯强度镍锌软磁铁氧体材料及其制备方法”的中国专利公开了一种高抗弯强度镍锌软磁铁氧体材料，该铁氧体主要配方计算如下：氧化铁Fe2O3 35-50mol％、氧化锌ZnO 8-15mol％、氧化镍NiO 30-40mol％、氧化铜CuO 5-11mol％。本发明提供了一种磁导率为18±25％、高抗弯强度的镍锌软磁铁氧体材料的制备方法；申请号为2.6、发明名称为“一种高强度抗热震镍锌铁氧体及其制备方法”的中国专利公开了一种适用于功率电感器的高强度抗热震镍锌铁氧体及其制备方法，属于软磁铁氧体技术领域。所述铁氧体主要成分计算如下：NiO 35-50mol％、NiO 30-40mol％、CuO 30-11mol％、CuO 30……本发明公开了一种功率电感器用耐热镍锌铁氧体及其制备方法，所述铁氧体主要成分为Fe2O3 48-52mol％、NiO 16-29mol％、ZnO 22-31mol％、CuO 0.5-2mol％、Co2O3 0.01-0.09wt％、V2O5 0.05-0.19wt％、SiO2 0.8-1.5wt％，得到具有良好抗热震性和机械强度的功率镍锌铁氧体磁芯，磁导率在200左右，饱和磁感应强度在280左右；申请号2.6、发明名称为“一种耐热功率镍锌铁氧体及其制备方法”的中国专利公开了一种用于功率电感器的耐热镍锌铁氧体及其制备方法，属于软磁铁氧体技术领域，该铁氧体主要成分为～52mol％、NiO16～29mol％、ZnO22～31mol％、CuO0.5～2mol％、.01～0.1mol％，辅助成分按其标准物质计算含量为.1～0.3wt％、WO30.05～0.1wt％、.01～0.07wt％、SiO20.03～0.21wt％。结合分布式掺杂方法,得到的功率镍锌铁氧体磁芯的磁导率在340左右,饱和磁感应强度在370左右,且其抗热震性和机械强度得到一定程度的提高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电磁性能优良、抗热震性好、机械强度高的功率镍锌铁氧体及其制备方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体，具有电磁性能优良、耐热冲击、强度高等特点，用于功率电感，既能满足器件小型化的要求，又能满足材料强度、热冲击、温度稳定性的要求。该铁氧体包括主组份和次组份，主组份为氧化铁、氧化镍、氧化锌、氧化铜，主组份按各自的标准计算含量为：Fe2O3 48-50mol％、NiO 16-20mol％、ZnO 25-30mol％、CuO 5-8mol％。次组份按各自的标准计算含量相对于主组份总量为：Bi2O3 0.3-0.7wt％、Al2O3 1.0-1.5wt％。
优选的，所述辅助组分的含量相对于主组分的总量，以标准物质计，Bi2O3为0.5-0.7wt％，Al2O3为1.0-1.5wt％。
一种高强度、耐热冲击、高功率镍锌铁氧体的制备方法，依次包括混合球磨、预烧结、二次球磨、造粒、成型、烧结步骤，其中，在二次球磨中加入辅助组分，具体步骤如下：
(1)混合球磨：将主要组份按比例混合后湿式球磨6小时，主要组份含量按各自标准计算为：Fe2O3 48-50mol％、NiO 16-20mol％、ZnO 25-30mol％、CuO 5-8mol％；
（2）预烧结：将混合好的材料放入烧结炉中预烧结，烧结温度为1020±10℃，烧结时间120分钟；
(3)二次球磨：将上述预烧得到的预烧料中加入辅助组分，进行二次球磨12小时；辅助组分相对于主组分总量的含量以各自的标准物质计为Bi2O3 0.3-0.7wt％，Al2O3 1.0-1.5wt％；
(4)造粒：在步骤(3)得到的粉末中添加8～10wt％的PVA(PVA溶液浓度10wt％)，得到颗粒；
(5)压制：将步骤(4)得到的颗粒料压制得毛坯，压力为8±1MPa，保压时间为20s；
(6)烧结：在烧结炉中进行烧结，烧结温度控制在1100-1130℃，保温时间为120-180分钟，升温速度为1.5-2.0℃/分钟，烧结气氛为空气，烧结后随炉自然冷却至室温，即得到镍锌铁氧体。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的高强度耐热冲击镍锌铁氧体是通过调整配方制备而成的，即通过调整Fe2O3来调整材料的饱和磁感应强度，通过调整NiO的含量来调整材料的使用频率，通过调整ZnO的含量来调整材料的磁导率。通过添加Bi2O3作为次要成分，降低了烧结温度，改善了微观特性，从而提高了起始磁导率；通过在铁氧体中加入Al2O3作为固溶体，提高了功率铁氧体的热导率和热扩散系数，从而提高了温度稳定性和耐热冲击性能；同时，部分Bi2O3-Al2O3添加剂分布在铁氧体晶界处，有助于增加晶界厚度，从而降低损耗，提高机械强度；并通过生产工艺进一步调整材料的晶体结构，使其具有良好的综合磁性能、强度和抗热震性。
2、本发明提供的高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体，其耐热冲击性能达到400℃以上，适合于表面贴装功率电感的开发和量产，有利于传输较大功率及DC-DC电源模块的供电路径小型化、薄型化。
材料的主要性能指标为：起始磁导率μi 600±25%；饱和磁感应强度Bs400±5%mT；相对损耗因子tanδ/μi（×10-6）≤200；比温度系数αμi（×10-6/℃）≤10；居里温度Tc（℃）≥200；热冲击前机械强度≥，热冲击后机械强度≥。
附图简要说明
图1为本发明实施例1的镍锌铁氧体的扫描电子显微镜(SEM)照片。
详细描述
下面根据具体实施例对本发明进行描述，但本发明并不局限于这些实施例。
例子
一种高强度耐热冲击功率镍锌铁氧体的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合球磨：按照表1(实施例)中各主料比例将各主料混合，然后进行湿法球磨，其中水：球：料的比例为1.5：2.5：1，球磨时间为6小时；
（2）预烧结：将混合材料放入硅钼棒烧结炉进行预烧结，预烧结温度控制为1020±10℃，预烧结时间为120分钟。
(3)二次球磨：将上述预烧得到的预烧料加入辅助组份后进行二次球磨，其中水：球：料的配比为1.5：2.5：1，球磨时间为12小时；
(4)造粒：向步骤(3)所得粉末中加入8wt％的PVA溶液(PVA溶液浓度10wt％)，得到颗粒；
(5)压制：将步骤(4)得到的颗粒料通过液压机压制得到磁环和磁条毛坯，压力分别为8±1MPa、13±1MPa，保压时间为20s；
（6）烧结：烧结在硅钼棒箱式烧结炉中进行，烧结温度控制在1120℃（升温速度为2.0℃/min），保温180分钟，烧结气氛为空气。烧结完成后随炉自然降温至室温，即得镍锌铁氧体。
比较例
采用常规氧化方法制备镍锌铁氧体，其中主组分和辅助组分的含量以及制备的具体工艺参数如表1所示。其中，对比例1验证了单独添加Bi2O3对电磁性能、热震性能和机械强度的影响；对比例2和3验证了不同的Bi2O3-Al2O3掺杂对材料的电磁性能、热震性能和机械强度的影响。
经过上述工序得到NiZn铁氧体产品（磁环样品：15.9×6.9×3.0，磁条样品：44.5*8.8*2.7，单位：mm）。
对烧结磁环和磁条分别进行测试和评定。在匝数N=15Ts条件下，用测试仪测试磁环样品的起始磁导率μi和损耗因子tanδ/μi；用磁热重法测试磁环的居里温度Tc；分别在20℃和60℃温度条件下测试磁导率计算温度系数αμi；用SY-8232 BH分析仪测试样品的饱和磁感应强度Bs；用闪光热导仪LFA-457测量样品的热扩散系数和热导率系数，测试温度为400℃。磁环的热冲击试验过程为：将磁环浸入温度高于400℃的锡槽中3秒钟，观察是否出现裂纹。磁条强度测试：采用美特斯工业系统有限公司的微机控制电子万能试验机（最大荷重10kN）测试热冲击前后磁条的机械强度，压力通过球形点接触。三点弯曲强度R=（3*F*L）/（2*b*h*h），其中F表示断裂荷重，b表示磁条宽度，h表示磁条厚度，L为仪器测试跨度，此处为30mm。
表1 实施例及对比例的配料配比及工艺条件
表2 实施例与对比例的性能
表2列出了实施例和对比例的性能及评价结果，其中“*”表示未达到指标要求。从表2可以看出，与对比例相比，本发明实施例在保持相应的起始磁导率、较高的饱和磁感应强度、较低的损耗因子要求的同时，还提高了材料的机械强度和抗热震性。本发明采用提高预烧温度、按比例添加Bi2O3-Al2O3的方法，一方面改善了高温烧结样品晶粒过大、孔隙较多的问题，实施例结晶更加均匀，平均晶粒尺寸为10～15μm，孔隙分布合理；另一方面，部分Al3+离子进入铁氧体晶格结构，降低了氧空位含量，使NiZn铁氧体的热导率和热扩散系数明显提高。合理均匀且相对较小的晶粒尺寸、较少的孔隙率、良好的热导率是本实施例的镍锌铁氧体的抗热震性较对比例有较大提高的重要原因；而Bi2O3-Al2O3掺杂剂在铁氧体晶界处的分布有利于获得均匀致密的晶粒结构，同时增强了晶界强度，有效提高了材料的机械强度。本发明可满足小功率电感器对高强度抗热震NiZn铁氧体材料的性能要求。