高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料中ZnO量對(duì)磁性能的影響研究

1、李海華 等：高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體材料中ZnO 量對(duì)磁性能的影響研究 503高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體材料中ZnO 量對(duì)磁性能的影響研究李海華，馮則坤，何華輝（華中科技大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢 430074）收稿日期：2004-03-02 通訊作者：李海華 作者簡(jiǎn)介：李海華（1974），女，河北冀州人，博士后；武漢，華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系（430074）；主要研究方向磁性材料。摘 要：研究了MnZn 高磁導(dǎo)率鐵氧體材料在Fe 2O 3含量不變的前提下，增加ZnO 量，起始磁導(dǎo)率、品質(zhì)因數(shù)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及其與溫度、頻率的關(guān)系。結(jié)果表明，加入ZnO 可以提高起始磁導(dǎo)率，飽和磁感應(yīng)

2、強(qiáng)度B s 和居里溫度降低；當(dāng)ZnO 含量不超過(guò)25%mol時(shí)，高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體材料有著良好的頻率特性，但ZnO 含量超過(guò)25mol%時(shí)，由于Zn 2是非磁性離子，且ZnO 揮發(fā)嚴(yán)重，相反會(huì)使得起始磁導(dǎo)率µi 下降。關(guān)鍵詞：MnZn 鐵氧體；起始磁導(dǎo)率；飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 中圖分類(lèi)號(hào)：TM277+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9731（2004）增刊1 引 言高磁導(dǎo)率材料是MnZn 鐵氧體材料的另一大類(lèi)材料，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，如計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡、筆記本電腦及數(shù)字儀表的場(chǎng)致發(fā)光片、程控交換機(jī)的話頻變壓器、通信系統(tǒng)和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中的寬帶變壓器等等。由于現(xiàn)代電子設(shè)備向高頻、小型

3、化的發(fā)展，這就要求提高起始磁導(dǎo)率13。通常隨著ZnO 含量的增加，會(huì)使得磁導(dǎo)率升高，居里溫度下降。實(shí)際上，由于Zn 2+是非磁性離子，而且在燒結(jié)過(guò)程中，ZnO 量越多，揮發(fā)越嚴(yán)重，對(duì)材料的其它性能的影響也就越大，同時(shí)也導(dǎo)致磁導(dǎo)率的下降。本文研究了在Fe 2O 3含量不變的前提下，增加ZnO 量，對(duì)MnZn 高磁導(dǎo)率鐵氧體材料的起始磁導(dǎo)率、品質(zhì)因數(shù)、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度及其與溫度、頻率的關(guān)系。對(duì)提高M(jìn)nZn 鐵氧體的磁導(dǎo)率及材料的穩(wěn)定性有著重要的指導(dǎo)意義。2 實(shí) 驗(yàn)將主配方Fe 2O 3MnO ZnO=522523mol%做為初始配方A ，在保證Fe 2O 3含量不變的前提下，每一配方依次增加1mol

4、%的ZnO ，即在樣品B 、C 、D 、E 中，ZnO 所占比重分別為24mol%、25mol%、26mol%和27mol%。用HP4284A-LCR 儀測(cè)量樣品在不同頻率、溫度下的電感和品質(zhì)因數(shù)，算出相應(yīng)的其起始磁導(dǎo)率和損耗因子；用掃描電鏡分析了燒結(jié)體的微結(jié)構(gòu)；用B-H 測(cè)試儀測(cè)量樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B s 值及B s 隨溫度T 變化的曲線，推得樣品的居里溫度。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1分別示出了樣品B 、C 的掃描電鏡圖像，從圖1中可以看出樣品B 比樣品C 粒度分布均勻，樣品C 的表面有明顯的氣孔。 樣品B樣品C圖1 樣品B 、C 的掃描電鏡圖像Fig 1 The SEM images of the

5、 sample B and sample C 圖2、3列出了隨ZnO 含量的增加，起始磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)的變化情況，起始磁導(dǎo)率的變化是先升高，到ZnO 含量為25mol （樣品C ）時(shí)開(kāi)始下降；品質(zhì)因數(shù)Q 則隨著ZnO 含量的增加一直降低。圖4示出了樣品A 、B 、C 、D 和E 的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B s 與溫度的關(guān)系曲線，并且從該圖上可以看出5種樣品的居504 2004年增刊（35）卷 里溫度隨著ZnO 含量的增加而下降。圖5示出了樣品B 、C 的起始磁導(dǎo)率隨溫度變化情況，從圖中可以看出，樣品C 由于居里溫度下降，在常溫到80范圍內(nèi)，隨溫度的變化程度比樣品B 略大，但總體上兩者的起始磁導(dǎo)率隨溫度

6、(從20到80 變化幅度都不大。圖6說(shuō)明當(dāng)ZnO 含量增加時(shí)，導(dǎo)致起始磁導(dǎo)率下降的同時(shí)，兩種樣品的頻率特性沒(méi)有太大影響，即隨著頻率升高，在低于150kHz 時(shí)，樣品B 、C 的下降程度相似。在圖7中，損耗因子變化也比較一致，即隨著頻率的升高而增大，受ZnO 含量影響不大。圖2 ZnO含量與起始磁導(dǎo)率的關(guān)系曲線Fig 2 The relation of ZnO content and initial permeability 圖3 ZnO含量與品質(zhì)因數(shù)Q 的關(guān)系曲線 Fig 3 The relation of ZnO content and quality factor Q圖4 樣品A,B,C,

7、D,E 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B s 與溫度t 的關(guān)系Fig 4 The relation of saturation magnetic induction Bsand temperature t圖5 樣品B 、C 起始磁導(dǎo)率µi 的溫度特性曲線 Fig 5 The relation of initial permeability µi andtemperature t圖6 樣品B 、C 起始磁導(dǎo)率µi 頻率特性曲線 Fig 6 The curve of frequency characteristic of initialpermeability µi圖7 樣

8、品B 、C 的損耗因子tg /µi 與頻率f 關(guān)系曲線 Fig 7 The curve of frequency characteristic of lossfactor tg/µi4 分析討論MnZn 鐵氧體屬于混合型尖晶石結(jié)構(gòu)。金屬離子的分布可用下式表示4：(Znx 2+Fe 1-x 3+Mn1-x 2+Fe 1+x 3+O4其中，（）內(nèi)的離子表示占A 位置， 內(nèi)的離子表示李海華 等：高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體材料中ZnO 量對(duì)磁性能的影響研究 505占B 位置。隨著ZnO 含量的增加，非磁性離子Zn 2+必將A 位上的磁性離子Fe 3+擠到B 位，那么將會(huì)出現(xiàn)這樣一些B

9、 位，由于原來(lái)與此B 位離子產(chǎn)生超交換力的A 位為Zn 2+所占，因而處于這一B 位的離子將失去超交換力的對(duì)象。即A-B 間的超交換作用消失，但這一B 位的磁性離子卻受到它近鄰B 位磁性離子的B-B 交換作用，使得這個(gè)B 位離子的磁矩與其它多數(shù)B 位離子的磁矩反平行，結(jié)果每一個(gè)這樣的B 位離子將減少兩個(gè)離子磁矩，這相當(dāng)于B 位的磁矩?cái)?shù)下降，所以加入適量的Zn 2+可以使飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B s （或飽和磁化強(qiáng)度M s ）提高，過(guò)多的加入使B s （或M s ）下降。隨著ZnO 含量的增加，A-B 間超交換作用減弱，居里點(diǎn)有所下降，如圖4、5所示。在起始磁化階段，高µi MnZn鐵氧體主要

10、為可逆的疇壁過(guò)程，由摻雜和內(nèi)應(yīng)力理論求得壁移過(guò)程的起始磁導(dǎo)率µi 為5：µi µ0M s 2/（K 1+3s /2） 1/3式中M s 為飽和磁化強(qiáng)度，K 1為磁晶各向異性常數(shù)，s 為磁滯伸縮系數(shù)，為內(nèi)應(yīng)力，為雜質(zhì)的體積濃度。根據(jù)磁晶各向異性單離子模型，鐵氧體的磁晶各向異性是各種單個(gè)磁性離子之和，單個(gè)磁性離子微觀磁晶各向異性是由晶格電場(chǎng)和磁性離子自旋軌道耦合共同作用結(jié)果。磁致伸縮系數(shù)s 也基本相似。Zn 2+是非磁性離子，3d 軌道全部填滿，沒(méi)有空的軌道，晶場(chǎng)對(duì)其沒(méi)有影響。Zn 2+取代磁性離子后，減少了產(chǎn)生磁晶各向異性的磁性離子數(shù)目，故隨著ZnO 含量的增多，降

11、低了磁晶各向異性常數(shù)K 1和磁致伸縮系數(shù)s ，起始磁導(dǎo)率µi 升高。當(dāng)ZnO 增到x =0.5(25mol%時(shí)，非磁性ZnFe 2O 4引起Ms 急劇下降，非磁性雜質(zhì)增多，因而又導(dǎo)致µi 下降，而且MnO 含量減少，導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)下降，這與圖2、3的結(jié)果一致。起始磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)的頻率特性主要有燒結(jié)體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定。只要燒結(jié)體內(nèi)部氣孔不要太多，產(chǎn)生空位比較少，內(nèi)應(yīng)力比較低，就會(huì)有較好的頻率特性。從圖1中可以看出樣品C 表面氣孔隨著ZnO 含量的增加，與樣品B 比較而言ZnO 揮發(fā)多，產(chǎn)生氣孔，但不嚴(yán)重，因此對(duì)材料的起始磁導(dǎo)率和品質(zhì)因數(shù)的頻率特性沒(méi)有太大影響，見(jiàn)圖6、7。5

12、 結(jié) 論綜上所述，加入ZnO 可以提高起始磁導(dǎo)率，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B s 和居里溫度降低；當(dāng)ZnO 含量不超過(guò)25%mol時(shí)，高磁導(dǎo)率MnZn 鐵氧體材料有著良好的頻率特性，但ZnO 含量超過(guò)25mol%時(shí)，由于Zn 2是非磁性離子，且ZnO 揮發(fā)嚴(yán)重，相反會(huì)使得起始磁導(dǎo)率µi 下降。 參考文獻(xiàn)：1Sakaki Y, Matsuok T a. Relationship between dimen- sions and power losses of high permeability Mn-Zn ferrite cores R. Paper of Technical Group on

13、Power Electronics, I.E.C.E., Japan, 1985, 85-23. 2Ono K, Fukunaga S, Matsuo Y. Mn-Zn ferrite with MoO3 and other oxide additives J. IEEE Trans Magn, 1999, 35(5: 3406-3408. 3Slama J, Vicen R, Krivodik P, et al. Magnetic permeability study of composite magnetopolymers J. J Magn Magn. Mater, 1999, 196-

14、197: 359-361. 4張有綱, 黃永杰, 羅迪民; 磁性材料. M. 成都: 成都電訊工程學(xué)院出版社, 1988. 16. 5宛德福, 馬興隆. 磁性物理學(xué) M. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 1994, 387.Effect of ZnO content on magnetic characteristics ofhigh permeability MnZn ferriteLI Hai-hua, FENG Ze-kun, HE Hua-hui(Department of Electronic Science and Technology, Huazhong University of

15、 Science and Technology,Wuhan 430074, ChinaAbstract ：The relation of the temperature, frequency and initial permeability, quality factor and saturation magnetic induction with increasing of ZnO content and quantitative Ee2O 3 in MnZn high permeability ferrite is researched. The results show: initial permeability is improved and saturation magnetic induction, Courier temperature is dropped and the favorable frequency charcteristic