课程设计镍铁氧体的制备与性能检测

1、镍锌铁氧体软磁材料的制备与性能检测学生姓名：秦月 指导老师：金丹/孙可为/孙昱艳/贺格平 材料与矿资学院 功能材料1201班摘要随着信息技术和电子数字化产品的发展，器件的发展趋向于小型化、宽频化、高性能和低损耗，这对软磁Ni-Zn铁氧体材料提出了更高的要求。镍锌铁氧体的制备方法包括传统的固相法、水热合成法、溶胶凝胶法、化学共沉淀法、自蔓延燃烧法、喷雾法以及微乳液法等方法，本文主要研究以氧化镍NiO、氧化锌ZnO和三氧化铁为Fe2O3为原料，以PVA作为粘结剂通过传统的陶瓷制备工艺制备的高性能Ni-Zn铁氧体。采用软磁直流冲击法测量装置对制备的镍铁氧体软磁样品进行性能测试。研究了制备工艺对镍锌铁

2、氧体的饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、初始磁导率ui以及最大磁导率um等磁性能的影响。结果表明：初始磁导率和最大磁导率不高；矫顽力低；饱和磁感应强度和剩余磁感应强度相对于其他铁氧体软磁材料来说较低。关键词：镍锌铁氧体，固相反应法，制备工艺，磁性能目录1引言12实验内容32.1实验方法32.2实验过程32.2.1配料32.2.2预烧料制备42.2.3预烧42.2.4颗粒料制备52.2.5成型52.2.6烧结62.2.7性能检测63实验结果与讨论83.1理论性能参数83.2试样测量与测试结果83.3.1性能方面93.3.2制备工艺的影响10参考文献12致谢131引言随着磁学理论

3、的发展和生产技术的进步，磁性材料已经成为人类社会和国民经济重要的基础材料。作为一种重要的新型功能材料，磁性材料广泛的应用在通信、电信、自动控制、家用电器等电子产品之中。磁性材料按矫顽力大小可以分为软磁材料和永磁材料。软磁材料则是其中应用最广泛、种类最多的材料之一。软磁材料指由较低的外部磁场强度即可获得大的磁化强度的材料。软磁材料主要有金属软磁材料（以硅钢片、坡莫合金、仙台合金等为代表包括Fe系、Fe-Si系、Fe-Al系、Fe-Ni系、Fe-Si-Al系、Fe-Co系、Fe-Cr系等）和铁氧体软磁材料（如Mn-Zn系和Ni-Zn系和Mg-Zn系等）为代表的晶体材料、非晶态软磁材料（主要分为Fe

4、基和Co基两种）、纳米晶软磁材料、磁粉芯软磁材料1。软磁材料中铁氧体应用广泛，目前国际上软磁铁氧体大约有五十个品种，其中最主要的是Ni-Zn铁氧体、Mn-Zn铁氧体和Li-Zn铁氧体2。镍锌铁氧体为一种非金属软磁性材料，具有高电阻率、低温度系数、高居里温度、高频性能和制备价格低廉、易于合成等优点，在变压器、高频电感磁芯、磁记录材料、微波吸收材料等磁性材料的研究领域和发展前景中有着重要的地位3。Ni-Zn铁氧体在国外发展历程:20世纪三十年代，日本、德国、法国、美国等国家相继对NiZn铁氧体进行了研究；八十年代，随着电子工业的发展，使用频率高于2MHz的高频NiZn开发成功；九十年代，为了电子器

5、件向小型化、片式化、高频化方向发展，一批高性能的NiZn铁氧体开发成功；目前成功研制出了可用于频率为13MHz开关电源的高频Ni-Zn铁氧体4,5。目前生产和研制质量比较高的Ni-Zn铁氧体软磁材料的国家和地区是日本、美国、韩国、德国和中国台湾。日本的FDK和TDK、美国的Sstealword和德国的西门子等公司生产的软磁NiZn铁氧体材料的性能被认为是世界上最高的。在这中间TDK公司生产的射频宽带NiZn软磁铁氧体材料的性能是国际上领先的6。国内Ni-Zn铁氧软磁材料的开发起步比较晚，随着一些关键设备的研制和制备工艺的完善，国内软磁Ni-Zn铁氧体材料的产量也与日俱增。1980年的3500吨

6、到，1985年的7500吨，1990年达到了15000吨，2000年30000吨，预计在未来几年的软磁铁氧体产量将达到60000吨。我国现有生产软磁铁氧体的企业也有很多，大多数企业都有砂磨机、自动推进式氮气隧道窑、喷雾干燥造粒等一些基本的设备，生产的软磁铁氧体的质量与外国的质量差距正在逐步减小7。镍锌铁氧体的制备方法有很多，包括传统的固相法、水热合成法、溶胶凝胶法、化学共沉淀法、自蔓延燃烧法、喷雾法以及微乳液法等。许多研究者借助超声等仪器，采用喷雾法、溶胶凝胶一自蔓延法等混合方法制备粒径达7 nm的镍锌铁氧体晶体。化学共沉淀法、自蔓延燃烧法和溶胶凝胶法采用醇盐，原料较贵，副产物易污染环境，但由

7、于其操作步骤简便、易于控制、能耗小等优点而得到广泛应用。传统固相法和“一步法”使用的原料价廉易得，但存在粒径难以控制、易掺入杂质等缺点而限制了产业化的发展。虽然喷雾法制备镍锌铁氧体操作较为复杂，且对仪器设备要求较高，但通过掺杂稀有金属可使镍锌铁氧体获得特殊的性能，因此成为大家研究的热点8。进入21世纪信息技术和数字化的发展，现在的电子产品取向于高频化、小型化、低损耗、高性能等，使得软磁Ni-Zn铁氧体材料的发展将面临更大的挑战。Ni-Zn铁氧体由于具有高电阻率、低损耗、截止频率高等良好的高频性能，可以应用在电感器、滤波器、电源变压器以及射频通讯、广播电视、抗电磁干扰等领域。Ni-Zn铁氧体具有

8、较低的传输损耗和较宽的频率带宽，因此我们可以用它来制作器件来完成能量传输和阻抗变换等功能。最近几年开发出来的射频变压器、混频器、射频放大器、电调衰减器以及阻抗变压器和相位检波器等以传输理论为基础的软磁Ni-Zn铁氧体器件，它们的使用频率可达几千MHz，并且其使用频率宽、重量轻、体积小，而广泛应用在在电视、通信、雷达及电子对抗等领域。目前软磁Ni-Zn铁氧体总的研究趋势是向高频化、低损耗、小型化的方向发展9。2实验内容2.1实验方法本实验采用传统的陶瓷制备工艺氧化物法来制备镍锌铁氧体，以分析纯NiO、ZnO、Fe203为原料。其工艺流程为：配料、一次混合球磨(湿磨)、湿料烘干、粉碎、预烧即得到镍

9、锌铁氧体粉料，然后对镍锌铁氧体粉料进行二次球磨(湿磨)、粉碎、混浆、湿磨料压制成型、并对成型产品烧结，即得镍锌铁氧体烧结产品，最终进行检测得出结论。2.2实验过程2.2.1配料 成品：Ni0.4Zn0.6Fe2O4（含杂）共150g 原料：三氧化二铁Fe2O3 、氧化镍NiO和氧化锌ZnO；摩尔比为5:2:3进行配料。仪器：电子秤，可精确至小数点后两位，注意每次称之前需校零。各原料的质量如表1所示：表2-1 各原料的计算及称量质量配料Fe2O3NiOZnO制备所需质量(g)100.210819.014830.7744称量质量(g)100.2219.0130.77纯度99.4%98%99% 辅助

10、材料：弥散剂水 粘结剂：聚乙烯醇PVA(浓度7%）2.2.2预烧料制备仪器：变频行星式球磨机(XQM)、电热鼓风干燥炉（烘箱）清洗：注水加钢球球磨清洗15分钟,水淹没钢球即可。混合比例（质量比）：料：水：球=1:1:5 1.一次球磨：采用湿法球磨，球磨罐中的水料球的质量比为1:1:5，球的大小配比要均匀。将配料混合后放入球磨罐，球磨罐放入球磨机中进行球磨，转速不超过10r/min，持续时间为1 h。其目的使各种原料均匀混合，比表面积大大增加，提高预烧过程反应活性，以利于预烧时固相反应的进行。球磨结束后，取出钢球并清洗，将得到的料倒入盘子中放入电热鼓风干燥炉（烘箱）中进行烘干，至少3h直至烘干为

11、止。 2.初次造粒（红喷）：将烘干所得料碾碎，使预烧充分进行。2.2.3预烧仪器：ZWL-14-8Y型中温试验炉在低于烧结温度下将一次球磨烘干后得到的粉料放入ZWL-14-8Y型中温试验炉进行预烧，焙烧数小时。目的是各种氧化物发生初步的固相反应，以减少烧结时产品的收缩率。时间：约6-7小时气氛：空气预烧的三个阶段分别为升温阶段、保温阶段和降温阶段：(1)升温阶段：200之前手动控制，200-850采用程序控制，升温速率为5/min；(2)保温阶段：预烧温度为850，保温时间为2h；(3)降温阶段：随炉自然冷却。2.2.4颗粒料制备仪器：变频行星式球磨机(XQM)、电热鼓风干燥炉（烘箱）清洗：注

12、水加钢球球磨清洗15分钟,水淹没钢球即可。混合比例（质量比）：料：水：球=1:1:5 1.二次球磨：也采用湿法球磨，水料球的质量比为1:1:5，球的大小配比要均匀。将料混合后放入球磨罐，球磨罐放入球磨机中进行球磨，持续时间为3h。其目的是将预烧过的粉料粉碎并磨细，获得成型所要求的粉料粒度，达到烧结时所需要的化学接触面。球磨结束后，将二次球磨得到的料倒入盘子中，取出钢球并清洗，将得到的料放入电热鼓风干燥炉（烘箱）中进行烘干，至少3h直至烘干为止。 2.混浆：首先将预烧的粉体进行破碎得到粒度适中的粉末，使得粉末颗粒的表面积增大，从而提高粉末的烧结活性，同时也使得压制成型过程中的填充性得到改善。然后

13、在粉末中加入质量的10%的浓度为7%的聚乙烯醇作为粘结剂增加坯块的机械强度，减少在压制成型过程中粉末粒子间的摩擦，提高粉末在模具中的填充性，脱模时不产生裂纹。此时料重142.53g，故称取约14.25g的PVA。将料放入盘子中，堆积成土丘状，并在中心部位挖坑，加入粘结剂。 3.二次造粒（黑喷）：将粘结剂聚乙烯醇尽量充分揉进粉末料中，目的是满足成型要求，使成型坯件具有一定的强度。2.2.5成型仪器：C3385-150型双辊轧膜机、YES-600压力试验机 1.将混合均匀的料均匀加入C3385-150型双辊轧膜机中进行两次轧压，使PVA混合均匀，从而获得密度均匀的成形体。 2.将轧制后的料造粒至合

14、适粉末粒度并过筛。 3.将粉料以9g为一组成型料，共得10组料。 4.将每组料放入YES-600压力试验机的环形的模具中压制成型，压力大于等于8.0 KPa，保压10s。注意压制过程中严格遵守压力试验机操作方法。 5.测量五组成型坯体并标记序号，各坯体尺寸如表2所示：表2-2 坯体尺寸编号外径(cm)内径(cm)高度(cm)130.0417.616.98230.0817.426.82330.0417.206.77430.1217.347.34530.0617.467.502.2.6烧结仪器：ZWL-14-8Y型中温试验炉烧结是将成型胚件在高温常压或加压条件下发生固相反应，使内部颗粒间相互结合，

15、将气体排除，提高材料的密度及性质，形成烧结体的过程。将成型好的各个坯件放置在烧结砖上置于ZWL-14-8Y型中温试验炉中进行烧结。烧结时间：约9-10小时烧结气氛：空气烧结可分为三个阶段，即升温阶段、保温阶段、降温阶段：(1)升温阶段：200之前手动控制，200-1200采用程序控制，升温速率为3/min；(2)保温阶段：烧结温度为1200，保温时间为3h；(3)降温阶段：随炉自然冷却。2.2.7性能检测仪器：TYU-2000D软磁直流冲击法测量装置 1.测量1个成品的内外径及高度并记录。 2.给成品环状镍锌铁氧体依次缠绕上磁化组线圈20匝，再反向缠上测量组线圈10匝。注意尽量让线圈均匀分布。

16、缠绕时留出约15cm线头，并将最前的5cm打磨以供测量，标记以区分两组线圈。 3.将成品镍锌铁氧体接入TYU-2000D软磁直流冲击法测试装置，对其的饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、初始磁导率ui以及最大磁导率um进行测试。直流环样测量操作规程：(1)“DRIVE”（电源输出端）红、黑端分别连环样磁化绕组的两端；环样测量绕组的两端分别连电源“SENSE” 的红、黑端。电源（TYU-2000D）后面板的232接口连电脑主板的232接口（COM1接口）。 (2)开机：开（TYU-2000D）电源，打开电脑，预热30分钟。(3)双击测量软件图标，进入测量程序。(4)按下“APC/

17、STOP”键。(5)输入样品参数；填好记录菜单；设定测试点。(6)测量前，电源输出调零：选X2挡，调“V”电位器，使电压显示为零，再将“X2/X20”档弹起（释放）。(7)“FLUX METER(B)”漂移调节：调节“DRIFT”电位器，使显示变化尽可能慢。(8)量程选择：磁通一般选“X2”挡。(9)测量前，点击量程框，积分器清零。点要测参数图标进行测量。(10)测量完毕，双击屏幕右下白框进行打印。(11)关机：弹起（释放）“APC/STOP”键；关测量程序；关电源；关电脑。(12)注意：在测量过程中，如“OFFSET”灯亮，则弹起（释放）“APC/STOP”键，关测量程序，关电源。 4.记录

18、数据3实验结果与讨论3.1理论性能参数 离子分布式：(Znx2+Fe1-x3+)Ni1-x2+Fe1-x3+成分：Fe2O3为(50-70%)、ZnO为(5-40%)、NiO为(5-40%)性能：ui: <6000（一般为1000） Bs: 0.16-0.31T Tc: 400 : 105·m3.2试样测量与测试结果 下表3为测试的成品尺寸及线圈匝数：表3-1 成品尺寸及线圈匝数编号外径(mm)内径(mm)高度(mm)磁化组匝数测量组匝数129.5414.505.052010下表4为测试的成品测试数据：表3-2 成品的测试数据BsBrHcuiumHiHsHum6000(Gs)2

19、030(Gs)1.4461(Oe)184(Gs/Oe)581(Gs/O)0.01(Oe)15(Oe)2.3056(Oe)0.304(T)0.203(T)115.109(A/m)0.23(mH/m)0.72(mH/m)0.796(H/m)1193.2(H/m)对比测试结果数据与理论性能参数可得：该成品镍锌铁氧体的饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br在标准范围内，矫顽力低，而初始磁导率和最大磁导率都比理论参数低。下图1为软磁材料磁导率和起始磁化曲线测试图：图3-1 成品软磁材料磁导率和起始磁化曲线3.3讨论3.3.1性能方面软磁料料的基本要求是：磁导率要高，矫顽力Hc要小，饱和磁感应强度Bs要高

20、，功率损耗w要小。而镍锌铁氧体在1MHz以上以其高电阻率高 Bs ，高磁导率µ，低矫顽力Hc ，高居里温度Tc，低温度系数，低损耗，良好的高频特性等优点在高频段得到了广泛的应用 10 。提高起始磁导率的方法：(1)饱和磁化强度Ms要高；(2)磁晶各向异性常数K1和饱和磁致伸缩系数S要小；(3)结构均匀，晶粒完整无变形，使内应力减小；(4)原料纯，无掺杂，无气孔，无另相； (5)增大晶粒尺寸，减少晶界阻滞。3.3.2制备工艺的影响镍锌铁氧体的制备工艺对其磁性能有很大的影响，以下为本实验过程中主要影响镍锌铁氧体磁性能的因素。 1.本实验采用钢罐球磨，钢罐球磨时由于掺入了Fe，使Fe2+增

21、多而降低磁各向异性聊磁致伸缩系数，故其电阻率降低而起始磁导率增加11。球磨时本实验弥散剂采用蒸馏水。研究发现在5 h以内粉料颗粒普遍较大，15-20 h以上颗粒普遍较小，颗粒间接触面积都较低，在5-15 h之间颗粒大小分布有利于颗粒间空袭填充。本实验采用球磨时间为1-3h。 2.预烧工艺对成品镍锌铁氧体性能的影响预烧使原料中的组分加热分解后发生固相反应，且不致使晶粒过度生长。预烧温度较低时粉料疏松，含有大量的气孔，而在高温预烧时，粉料中的气孔已大量排除。预烧温度过高容易会引起后期烧结中晶粒的非连续生长，也会导致密度的降低。因此，应该选择合适的预烧温度，保持适当的预烧密度，且易于粉碎，具有较高的

22、活性，使之在烧结时结晶均匀，气孔率低，烧结密度较高。本实验预烧温度较低，为200-800。在升温过程中升温速率的快慢对于铁氧体的生长形成也有较大的影响，升温速率过快导致铁氧体包裹原料粉体团聚物的出现，原料来不及反应，我们选择升温速率为5min。保温时间对于控制晶粒异常生长影响较大，我们采用保温时间为2h。 3.压制的影响 在压坯时本实验采用压力>8 MPa、保压10s，实验过程中发现当压力和保压时间超过以上条件，脱模就会变得非常空难，出现分层和破裂。 4.烧结工艺对镍锌铁氧体性能的影响烧结对最终产品的性能起着决定性作用，由烧结造成的密度、掺杂占位、晶粒生长是无法通过以后的工序挽救的。对烧

23、结温度控制一方面容易排除气体孔隙提高致密度，一方面也容易控制烧结铁氧体的晶粒生长提高材料的起始磁导率。我们选择850预烧的样品，在200-1200温度下进行烧结，1200烧结温度下保温3 h，控制晶粒尺寸。实验发现在烧结过程中通过对烧结温度需严格控制，否则实验结果将不理想。 5.镍锌相对含量对镍锌铁氧体性能的影响 在Ni-Zn铁氧体中，Ni2+、Zn2+离子的比例决定铁氧体分子磁矩，当非磁性Zn2+离子加入后，由于Zn2+占A位，有部分Fe3+被赶到B位，使A位内的磁矩下降，B位增加，使得铁氧体饱和磁矩提高，但是随着A位磁性离子的减少会严重影响其交换作用12。本组镍锌铁氧体为Ni0.4Zn0.

24、6Fe2O4，另一组为Ni0.2Zn0.8Fe2O4下表5为本组与另一组实验数据对比：表3-3 成品的测试结果对比BsBrHcuium本组6000(Gs)2030(Gs)1.4461(Oe)184(Gs/Oe)581(Gs/O)外组3040(Gs)2030(Gs)1.4461(Oe)184(Gs/Oe)581(Gs/Oe) 由上表比较可得：所以Zn2+的过分增多会使得铁氧体饱和磁感应强度下降。3.4结论制备镍锌铁氧体软磁材料的方法很多，而采用固相反应法制得的镍锌铁氧体软磁材料的磁性能初始磁导率和最大磁导率不高；矫顽力低，符合软磁材料的基本要求；饱和磁感应强度和剩余磁感应强度符合基本要求。根据了

25、解市场发展的趋势，由于电子产品的小型化和高频化要求对高性能的软磁铁氧体性能提出了更高的要求，可采用其他方法制备镍锌铁氧体以提高其磁性能而使其广泛应用于各种高频器件。参考文献1刘亚丕,何时金,包大新,任旭余.软磁材料的发展趋势.磁性材料及器件,2003,34(3).2罗广圣，李建德，姜贵文等Ni-Zn铁氧体制备的工艺及其结构研究【J】南昌大学学报(工科版)，2009，31(4)：3933973Karen S，Martirosyan and Dan LussCarbon Combustion Synthesis of Ferrites：Synthesis and CharacterizationIndustrial and Engineering Chemistry Research，2007 46(5)：149214993唐国喜，