微量雜質(zhì)對(duì)MnZn鐵氧體性能的影響.pdf

1、錳鋅鐵氧體是軟磁材料中最主要的組成部分，在磁性材料中占有相當(dāng)大的比重，用錳鋅鐵氧體磁性材料做成的電感磁芯及磁性器件，應(yīng)用頻率從數(shù)百赫茲到幾千兆赫茲，是最重要的軟磁鐵氧體材料,其產(chǎn)量占了軟磁鐵氧體磁性材料總產(chǎn)量的的60％以上,因此，錳鋅鐵氧體的發(fā)展更為引人注目。本文對(duì)高磁導(dǎo)錳鋅鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)、磁性來(lái)源、磁疇理論和一些基本的表征參數(shù)，進(jìn)行了詳述；對(duì)錳鋅鐵氧體的摻雜配方、摻雜工藝和摻雜反應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行了研究；有效的添加劑是改善材料性能的必要條

2、件，本文在添加劑的研究中主要對(duì)P2O5、SnO2、Nb2O5、Nd2O3和CaCO3的影響分別作了詳細(xì)的討論。其中錳鋅鐵氧體的生成反應(yīng)為：MnO+Fe2O3→MnFe2O4；ZnO+Fe2O3→ZnFe2O4。
　　 本文主要研究了采用傳統(tǒng)陶瓷工藝制備錳鋅氧體軟磁材料的工藝過(guò)程及其相應(yīng)的原理。同時(shí)總結(jié)了近幾十年來(lái)軟磁鐵氧體材料的發(fā)展過(guò)程，評(píng)述了國(guó)內(nèi)軟磁鐵氧體材料及器件的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用和市場(chǎng)，并對(duì)其中的錳鋅系軟磁鐵氧體材料做了重點(diǎn)

3、介紹指出了在其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，軟磁鐵氧體將進(jìn)一步向高頻、高磁導(dǎo)率和低損耗方向發(fā)展。從磁學(xué)角度對(duì)該工藝的可行性進(jìn)行了系統(tǒng)研究與分析，指出了配方與摻雜對(duì)樣品磁性能的影響，采出現(xiàn)代分析手段，測(cè)試與分析μi、Bs、Ps、Tc 等特性，采用合適的配方及燒結(jié)工藝能進(jìn)一步提高樣品磁性能。
　　 本次試驗(yàn)從分析材料微觀結(jié)構(gòu)入手，研究了P2O5、SnO2、Nb2O5、Nd2O3和CaCO3的摻入，組以適配的工藝條件和不同的比例摻入，來(lái)研究對(duì)高磁

4、導(dǎo)率MnZn鐵氧體材料性能的影響。少量P2O5摻雜可使鐵氧體晶粒尺寸增大，均勻性改善，起始磁導(dǎo)率提高。但若摻雜過(guò)量,晶粒中氣孔率增加，起始磁導(dǎo)率下降，損耗也大為增加。在配方為Zn0.15Mn0.78Fe207O4的材料中，當(dāng)Nb2O5摻雜量為0.12wt％時(shí)，起始磁導(dǎo)率可達(dá)12697。由于Ca2+存在于晶界，少量的CaCO3摻入量會(huì)使鐵氧體晶粒尺寸增加，均勻性改善，起始磁導(dǎo)率增加，但如果CaCO3摻雜過(guò)量，將會(huì)增加晶粒中的氣孔率，降低起

5、始磁導(dǎo)率。SnO2的摻入，由于Sn4+存在于晶界中，為滿足電荷平衡的條件，引起晶界附近金屬離子空位的增多，從面加速疇壁的運(yùn)動(dòng)，提高材料的起始磁導(dǎo)率。Nd2O3的熔點(diǎn)為1520℃，不參與功率鐵氧體的固相反應(yīng)，面主要存在于晶界，阻止晶粒長(zhǎng)大，從面形成晶粒細(xì)小均勻的顯微結(jié)構(gòu)，當(dāng)Nd2O3添加量過(guò)多時(shí)，易導(dǎo)致較多晶界氣孔，因而材料致密化不夠，密度降低，性能受到影響。
　　 對(duì)高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體面言，高磁導(dǎo)率的關(guān)鍵在于選擇合適的配方和

6、摻雜，并輔于適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝。選擇合適的配方，在適當(dāng)?shù)膿诫s和僥結(jié)工藝條件下就可以制得μi為15K的高磁導(dǎo)率 MnZn鐵氧體材料。適量的有效雜質(zhì)P2O5、SnO2、Nb2O3，Nd2O3和CaCO3都可以促進(jìn)鐵氧體的晶粒生長(zhǎng)，提高燒結(jié)密度，井提高磁導(dǎo)率。
　　 在錳鋅鐵氧體中，雜質(zhì)離子的引入主要帶來(lái)了三種缺陷；(1)雜質(zhì)離子和基體離子半徑大小相近時(shí)，置換晶格的某些結(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生的置換缺陷。(2)雜質(zhì)離子比基體離子半徑小,雜質(zhì)離子擠入品格

7、間隙，產(chǎn)生的間隙缺陷。(3)雜質(zhì)離子比基體離子半徑大，雜質(zhì)離子只能擠入基體離子和氧離子的間隙，形成的缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，在錳鋅鐵氧體中，當(dāng)引入某種雜質(zhì)時(shí)，如果這種添加物能夠滿足上述三種缺陷，那么這種引入就會(huì)改變晶體的整體性能，使其各個(gè)方面的性質(zhì)都將發(fā)生改變，例如P5+的摻入；如果引入的雜質(zhì)，只能滿足上述三種缺陷的某一種或兩種，那么這種雜質(zhì)的引入，改變更多的可能是某個(gè)方面的性能，例如Nb5+、Sn4+、Ca2+的摻入。
　　 按照能級(jí)

8、理論，在錳鋅鐵氧體中摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢(shì)場(chǎng)受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)生附加的雜質(zhì)能級(jí)。外來(lái)雜質(zhì)的引入過(guò)程中自由能(AA)的變化表達(dá)式為：△A=△U-T△S
　　 由于缺陷帶來(lái)晶格應(yīng)變，△U為正值。同時(shí)由于點(diǎn)缺陷的存在又使體系的混亂程度增大，即引起熵值的增加。使自由能降低，雜質(zhì)缺陷的存在是使自由能降低的。隨著摻雜原子半徑的增大，錳鋅鐵氧體的電阻率是升高的，其中Nd的電阻率之所以會(huì)突變，是因?yàn)镹d為鑭系