[发明专利]超低高频损耗功率MnZn铁氧体及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于高性能铁氧体软磁材料先进制备与应用领域，涉及一种截止频率高达4.8MHz的超低高频损耗MnZn功率铁氧体材料及其制备方法。该超低高频损耗功率MnZn铁氧体材料尤其适用于采用零电流/零电压软开关技术的高频大功率密度模块开关电源，对微电子学器件的小型化与高密度集成具有重要应用价值。

背景技术：

MnZn铁氧体是一类广泛应用于现代通讯、计算机、广播电视、汽车电子以及国防科技等领域中的软磁材料。近年来，随着微电子技术对磁性功能器件不断提出小型化和集成化的要求，尤其是随着零电流/零电压软开关技术走向成熟，可工作至兆赫兹频率的高转换效率大功率密度模块开关电源和各种高性能电感器件的发展与需求，有力地促进了高频低损耗MnZn功率铁氧体材料研制与应用。在具有高起始磁导率与饱和磁通密度的基础上，用作电源变压器或电感器磁芯的高频低损耗铁氧体不仅可有效提高模块电源的功率密度，同时可大大提高电源转换效率。国际上，二十世纪末TDK推向市场的PC50属于典型的高频低损耗功率铁氧体产品，其工作频率在0.3~1.0MHz，起始磁导率为μ_i=1400±20%、功耗P_cv=80mW/cm³50mT/500kHz。荷兰Philips公司报道的3F4铁氧体材料工作频率则可提高到3MHz。我国软磁铁氧体材料总体上虽产量大，但高性能铁氧体材料发展一直滞后于世界先进水平。在高频低损耗MnZn铁氧体材料方面，仅有少数厂家能生产供货，但仍存在起始磁导率偏低、或截止频率低和功率损耗大等问题。有公开专利报道，起始磁导率μ_i=1500±20%时，功耗P_cv~100mW/cm³(50mT500kHz/100℃)，或~300mW/cm³(30mT1MHz/100℃)。当工作频率增加到1MHz以上时，材料功耗将成指数关系上升。这种情况一定程度上阻碍了我国高性能开关电源的发展。

研究表明，铁氧体材料各项磁性能参数间在物理上存在复杂的相互制约关系，且强烈地依赖于材料的化学组成、晶体结构、制备工艺以及材料的微观结构细节。MnZn铁氧体通过化学组成和显微结构的调节可实现高的起始磁导率和饱和磁通密度，但起始磁导率与截止频率的Snoke关系却使材料的截止频率随其起始磁导率的增加而降低，导致MnZn铁氧体材料常在～1MHz时就因磁化共振效应而出现磁导率虚部（功率损耗）的陡然增加和功率损耗峰，其峰形特征与铁氧体化学组成、磁晶各向异性系数、晶粒尺寸和磁畴结构等参数及其分散性密切相关。此外，MnZn铁氧体的半导性也可使材料在高频时产生强烈的涡流损耗。因此，高频低损耗MnZn功率铁氧体的实现应在主配方优化的基础上，使材料达到功率铁氧体所应具有的饱和磁通密度，进而根据铁氧体高频损耗的机制着力改善与调控包括晶界组成与结构、晶粒尺寸与磁畴结构等方面在内的材料微观结构。

发明内容：

本发明的目的是提供一种具有均匀致密细晶微结构特征、截止频率达4.8MHz的超低高频损耗功率MnZn铁氧体，本发明的另一目的是提供上述超低高频损耗功率MnZn铁氧体的制备方法。

本发明的技术方案为：本发明特征在于N₂中预烧合成单相尖晶石结构铁氧体粉料，并进行颗粒尺寸的旋流分选，以实现对铁氧体晶粒尺寸大小及其分散性的调控；同时，引入和优化纳米氧化物颗粒的复合掺杂，在实现对铁氧体晶粒磁晶各向异性系数与磁致伸缩系数、铁氧体中晶粒生长与材料致密化过程调控的同时，对磁畴状态和晶界结构与组分达到了有效调控，实现了提高材料截止频率和减小其功率损耗密度的目的。