锰锌铁氧体损耗、磁导率和阻抗特性及制备技术研究

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华中科技大学

博士学位论文

锰锌铁氧体损耗、磁导率和阻抗特性及制备技术研究

姓名：黄爱萍

申请学位级别：博士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：何华辉;冯则坤

20060511

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摘 要

MnZn铁氧体是现代电子工业及信息产业的基础材料。MnZn铁氧体按应用特征可以分为三大类型：功率MnZn铁氧体、高磁导率MnZn铁氧体和抗电磁干扰（EMI）MnZn铁氧体。近年来，随着通讯技术、计算机技术的飞速发展，促使电子产品向小型化、高频化、轻量化和高性能方向发展，MnZn铁氧体材料的发展由单一性能的纵深提高转向多项指标同时提高的横向拓展。本文将主要对功率MnZn铁氧体、高磁导率MnZn铁氧体和宽频高阻抗贫铁MnZn铁氧体的机理及技术进行研究。

首先，总结分析了高性能MnZn铁氧体材料的国内外发展状况、研究进展和基础理论。从亚铁磁性的奈耳分子场理论出发，在理论上计算了MnZn铁氧体的分子饱和磁矩和亚铁磁居里温度。分析了MnZn铁氧体的电磁性能与材料组分、工艺参数之间的关系。分析探讨损耗和起始磁导率等基本概念及其机理，为制备高性能MnZn铁氧体奠定理论基础。采用氧化物法制备MnZn铁氧体，研究了MnZn铁氧体的制备工艺过程，总结了MnZn铁氧体常用参数的检测方法。

其次，对功率MnZn铁氧体的损耗机理、损耗分离、直流叠加特性及其制备技术进行了深入研究。根据磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗与频率的关系进行损耗分离，结果发现：100 kHz，200 mT下材料的损耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成，剩余损耗可以忽略不计，500 kHz，50 mT下剩余损耗不可忽略，且JPP-44材料和JPP-5材料的损耗组成有很大的不同。采用合适的原材料、主配方、预烧温度、二次砂磨的球料比和砂磨时间、适当的烧结工艺可以制备出JPP-44材料。JPP-5材料与JPP-44材料的不同主要是主配方采用高铁高锰低锌、掺杂量可以适当提高、烧结温度可以低至1160 ℃，晶粒尺寸小、电阻率高，涡流损耗小。在直流叠加场下，材料的磁导率称为增量磁导率，MnZn铁氧体磁芯的增量磁导率随外加直流场的增大先略有增大而后才减小；通过适当调整主配方及掺杂可以得到直流叠加特性良好的材料；较大的ΔB=Bs-Br是软磁铁氧体磁芯具有良好的直流叠加特性的前提。

然后，探讨分析了MnZn铁氧体起始磁导率的机理，并研究了起始磁导率的温度及频率稳定性、直流叠加特性和低谐波失真特性及相关制备技术。适当添加MoO3、Bi2O3、SnO2，结合低温长时间（1365 ℃×9 h）烧结工艺和适当的排坯方式可以制得μi>15,000的高磁导率MnZn铁氧体。起始磁导率的温度特性可以通过调整主配方、Co2O3掺杂、优化烧结工艺来改善；起始磁导率的频散与吸收特性，包括涡流损耗、尺寸共振、磁力共振、畴壁共振及自然共振，掺Nb2O5能有效改善材料起始磁导率的

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频率特性。高磁导率MnZn铁氧体的增量磁导率随直流叠加场的变化规律与功率MnZn铁氧体相同；当x(Fe2O3)= 52.8 %时，减少ZnO含量可以提高材料的常温增量磁导率；少量添加Co2O3、V2O5能改善材料直流叠加特性。变压器的总谐波失真特性与磁芯的材料本征特性（磁滞常数）、磁芯的形状尺寸、变压器的设计均有密切关系。研制低谐波失真MnZn铁氧体最主要的目标是降低材料的磁滞常数ηB。研究了主配方、TiO2、V2O5、Co2O3、Bi2O3、Nb2O5掺杂对材料磁滞常数的影响。

最后，研究了贫铁MnZn铁氧体的居里温度、电阻率、起始磁导率及其频散特性、阻抗特性及相关制备技术。与富铁MnZn铁氧体相比，Fe2O3和ZnO含量变化对贫铁MnZn铁氧体居里温度的影响相对缓慢，在富铁MnZn铁氧体居里温度的经验计算公式的基础上，提出贫铁MnZn铁氧体居里温度的经验计算公式。贫铁MnZn铁氧体的电阻率明显高于富铁MnZn铁氧体，甚至可高达104 Ω·m，研究了主配方中Fe2O3含量和TiO2、SiO2、CaCO3掺杂对材料电阻率的影响。贫铁MnZn铁氧体起始磁导率的频散特性可用三段型频散特性模型进行模拟。磁芯的阻抗可以通过公式由磁导率实部与虚部、磁芯尺寸、线圈匝数和频率计算出来，对于相同尺寸的磁芯，在测量线圈匝数相等的情况下，磁芯阻抗的频率特性仅与材料复数磁导率的频率特性相关。贫铁MnZn铁氧体几乎兼具了富铁MnZn铁氧体的低频特性和NiZn铁氧体的高频特性，且居里温度也不低，是一种很有应用潜力的软磁铁氧体材料。

关键词： MnZn铁氧体 功率损耗 磁导率 阻抗特性 直流叠加 贫铁

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Abstract

Manganese zinc (MnZn) ferrites are known as the basic materials of modern electronic industry and information industry. According to application characteristics, they can be divided into three types: power ferrites, high permeability ferrites and anti electro magnetic interference (EMI) ferrites. With the rapid development of telecommunication and computer technology, and the demand for more compact, lighter, thinner, and higher frequency electronic devices and equipments is more urgent. And MnZn ferrites are required for better performances in many targets more than for one best characteristic. For this reason, this dissertation presents a deep study on the mechanism and technology of high properties power MnZn ferrites, high permeability MnZn ferrites and high impedance MnZn ferrites with Fe-poor composition in broad band width.

Firstly，this dissertation introduced the domestic and overseas research development status of high properties MnZn ferrites and basic ferrimagnetism theory. The molecular magnetic moment and Curie temperature were calculated by using the theory of Neer molecular field of ferrimagnetism theoretically. The relationship of the electromagnetic characteristics with composition and technology parameters was analyzed. The mechanism of MnZn ferrites magnetic characteristics, such as loss and initial permeability was discussed. MnZn ferrites samples were prepared by conventional ceramic processing techniques and the preparation process were studied. The measurement methods of common physic, electric, and magnetic parameters of MnZn ferrites were summarized.

Secondly, we studied the mechanism and separation of power loss, DC-bias mechanism and preparation technology of power MnZn ferrites. The hysteresis loss, eddy current loss and residual loss were separated from the total power loss of MnZn ferrites by extrapolating the PL/f~f plots. This separation found that: 1) at 100 kHz, 200 mT, the total power loss is made up of hysteresis loss and eddy current loss, and the residual loss can be ignored; 2) at 500 kHz, 50 mT, the residual loss becomes important, and the total power loss is made up of hysteresis loss, eddy current loss and the residual loss. The power loss composition of JPP-44 material with low loss at middle frequency is very different from that of JPP-5 material w …… 此处隐藏：19016字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……