Sn4＋取代對NiZn功率鐵氧體磁性能的影響

馬玉啟，劉先松，馮雙久，黃 鑫，黃 風

（安徽大學 物理與材料科學學院 磁性材料安徽省工程技術研究中心，合肥230601）

NiZn軟磁鐵氧體因具有高的電阻率、高的截止頻率、低的高頻損耗以及寬的使用頻帶而被廣泛應用在高頻領域的各個方面。當應用頻率在1MHz以下時，其性能不如MnZn鐵氧體，但在1MHz以上時，由于具有多孔性和較高的電阻率，其性能明顯優于MnZn鐵氧體。因此，在高頻的情況下，NiZn鐵氧體得到廣泛使用。應用領域的不同，對NiZn鐵氧體的性能要求也不盡相同，可以通過改變主配方中Ni與Zn的摩 爾 比［1，2］、離子摻雜［3－8］、燒結工藝［9，10］等方法調節鐵氧體材料的性能來滿足要求。對于功率型NiZn鐵氧體（又稱電源鐵氧體），主要用于各種開關電源變壓器和回掃變壓器的電感器件等，該類型的鐵氧體要求具有高的飽和磁通密度Bs，高頻下較低的功率損耗Pcv。為了降低NiZn鐵氧體材料的功率損耗，同時要求磁參數變化不大的情況下，本工作采用固相反應法制備了Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4鐵氧體，通過X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）檢測樣品的物相和微觀形貌，通過LCR測試儀和B－H分析儀并配合高低溫實驗箱測試樣品的磁性能和功率損耗，討論了不同Sn4＋取代量x對鐵氧體磁性能和功率損耗的影響，實現了降低鐵氧體功率損耗的目的。

1 實驗

1.1 Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4 的制備

采用固相反應法，選用化學純的Fe2O3，Ni2O3，ZnO，SnO2為基本原料，以Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4（x＝0，0.02，0.04，0.06，0.08）為主配方準確稱量各組分，分別置于行星式球磨機中一次球磨12h，烘干后于950℃預燒2h，自然冷卻。預燒后再次球磨12h，烘干，加入適量的聚乙烯醇溶液做黏結劑，造粒，在25MPa的壓力下壓制成φ20mm×φ10mm×6mm的環形樣品，置于馬弗爐中以1270℃燒結3h，隨爐冷卻至室溫，得到燒結樣品。

1.2 樣品表征

采用MPX18AHF X射線衍射儀（CuKα，λ＝0.15406nm）測試樣品的物相與結構；采用 S－4800（SEM）觀察樣品的微觀形貌；采用4285型LCR測試儀測量樣品在100kHz的電感量，然后計算起始磁導率，其中，L為電感，N為線圈匝數，r1為樣品內徑，r2為樣品外徑，h為樣品厚度。采用高低溫實驗箱（LP／GDW－225型）測量樣品電感隨溫度的變化，并計算起始磁導率，確定μi－T曲線；采用B－H分析儀（SY－8258型）測量樣品的飽和磁通密度及功耗隨溫度的變化；用排水法精確測量樣品的體密度；使用JADE軟件計算NiZn鐵氧體材料的晶格常數a。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1為不同Sn4＋取代量x下 Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4的XRD圖譜?？梢钥闯觯袠悠返难苌浞鍖木鶠榧饩啵瑳]有出現其他雜相的衍射峰，且隨著Sn4＋取代量的增加，衍射峰移向低角度。這表明，Sn4＋進入尖晶石晶格中，依然保持著尖晶石的物相。

圖1 Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4 的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4

表1為不同Sn4＋取代量下 Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4的晶格常數a和密度d變化?？梢钥闯?，隨Sn4＋取代量的增加，晶格常數逐漸變大，這可能是由于Sn4＋的離子半徑（0.71nm）比Fe3＋的離子半徑（0.67nm）稍大，當Sn4＋進入尖晶石晶格中取代八面體位（B位）的Fe3＋后，導致晶格膨脹，使得晶格常數增大，這也與Sn4＋取代后衍射峰移向低角度相符。密度對NiZn鐵氧體的影響至關重要。隨Sn4＋取代Fe3＋的增多，密度逐漸增大。究其原因，一方面可能是由于最初離子和取代離子的原子質量不同（Fe3＋（55.85）＜Sn4＋（118.7））；另一方面，可能是由于SnO2在燒結的過程中形成液相，由于固相熔融可促進液相傳質和燒結，加速燒結致密化和晶粒生長，從而提高了樣品的密度。

表1 Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4 的晶格常數和密度Table1 Lattice parameter and density for Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4

2.2 微觀形貌分析

圖2為不同Sn4＋取代量x下NiZn功率鐵氧體的微觀形貌。可以看出，隨Sn4＋取代量的增加，樣品的晶粒尺寸稍有增加，但取代量過多時（x＞0.04），晶體的均勻性變差。這可能是由于SnO2在高溫燒結過程中具有助熔的作用，其熔點為1127℃，低于實驗中的燒結溫度1270℃，從而使晶粒生長，取代過多時，部分晶粒生長過快，導致了晶體微觀結構均勻性變差。

2.3 磁導率隨Sn4＋取代的變化

圖3為不同Sn4＋取代量x下NiZn鐵氧體的起始磁導率隨溫度的變化?？梢钥闯?，材料的起始磁導率隨取代量呈現出先上升后下降的趨勢，且在取代量為x＝0.04時達到最大值。比較樣品的斜率還可以看出，在x＝0.04時，樣品的溫度系數最低，這更有利于磁芯應用于高溫的環境中。

起始磁導率可表示為

式中：Ms為飽和磁化強度；K1為磁晶各向異性常數。

當x≤0.04時，磁導率的增加，一方面是由于Sn4＋具有強烈占據B位的傾向［13］，與B位的Fe3＋發生取代，由于價態平衡的要求：2Fe3＋→Sn4＋＋Fe2＋使得Fe2＋的含量增加，由于Fe2＋對K1的貢獻為正，而NiZn鐵氧體的K1為負，因此，隨著Fe2＋的增加，K1趨向于0，材料的起始磁導率上升；另一方面，是由于SnO2可以促進NiZn鐵氧體的晶粒生長及致密化，疇壁位移及磁疇轉動的阻力降低，從而材料的起始磁導率μi增加。

圖2 不同Sn4＋取代量下樣品的微觀形貌（a）x＝0.00；（b）x＝0.02；（c）x＝0.04；（d）x＝0.06；（e）x＝0.08Fig.2 Micrographs of the samples with different Sn4＋content（a）x＝0.00；（b）x＝0.02；（c）x＝0.04；（d）x＝0.06；（e）x＝0.08

圖3 不同Sn4＋取代量下起始磁導率的溫度特性Fig.3 Temperature dependence of initial permeability with different Sn4＋content

式中：M為總磁矩；MB為B位的磁矩；MA為A位的磁矩。其中，Zn2＋為正尖晶石結構，優先占據A位，Ni2＋為反尖晶石結構，優先占據B位，而Fe3＋在A，B位都有［14］。Sn4＋占據 B位，取代該位置的Fe3＋，而Sn4＋是非磁性粒子，取代后導致B位的磁矩減小，即Mb下降，所以，M 減小，從而Ms也減小。同時，由于Fe2＋的進一步增多使K1值變正逐漸增大，根據式（1）可知，材料的起始磁導率下降。

2.4 飽和磁通密度隨Sn4＋取代的變化

圖4為不同Sn4＋取代量x下NiZn鐵氧體的飽和磁通密度Bs的變化。可以看出，飽和磁通密度隨Sn4＋取代量的增加減小。根據Bs＝μ0（H＋Ms），Ms隨Sn4＋的增加而減小，因此，Bs也在不斷地減小。

圖4 Bs隨Sn4＋取代量的變化Fig.4 Bsvariation with different Sn4＋content

2.5 功率損耗隨Sn4＋取代的變化

圖5為不同Sn4＋取代量x下功率損耗與溫度的變化關系曲線。可以看出，所有的樣品隨溫度的升高，其功率損耗都在降低。功率損耗隨著取代量的增加呈現出先降低后上升的趨勢，在Sn4＋取代量x＝0.04時，NiZn鐵氧體具有最低的功率損耗。

NiZn鐵氧體的功率損耗Pcv可分為磁滯損耗Ph，渦流損耗Pe以及剩余損耗Pr：

圖5 不同Sn4＋取代量下功率損耗與溫度的關系Fig.5 The relationship between power loss and temperature with different Sn4＋content

由于測試的頻率不高，因此剩余損耗可以忽略［15］。Sn4＋進入了NiZn鐵氧體晶格中，這使得影響K1的Fe2＋含量發生變化，由于電荷補償，2Fe3＋→Sn4＋＋Fe2＋，Sn4＋和Fe2＋結合在一起，即使 Fe2＋量增加，而高價的Sn4＋束縛了電子在Fe3＋和Fe2＋之間的電子跳躍，從而提高材料電阻率，減小了渦流損耗，而當Sn4＋取代量x＞0.04時，總損耗增加，原因可能是磁滯損耗增加，導致材料的總損耗上升。

圖6為不同Sn4＋取代量x下相對損耗因子與磁通密度關系曲線?？芍星€的tanδ／μ′與Bm近似線性關系，由于該曲線的斜率表示的是鐵氧體的磁滯損耗系數［16］，可以看出，當x＝0.04時磁滯損耗最小，且在x＞0.04時，磁滯損耗增加，導致總損耗增加。

圖6 不同Sn4＋取代量下相對損耗因子與磁通密度的關系Fig.6 Magnetic flux density dependence of relative loss factor with different Sn4＋content

3 結論

（1）用固相反應法制備了Ni0.65Zn0.35SnxFe2－xO4鐵氧體軟磁材料。隨著Sn4＋取代量的增加，晶粒尺寸變化不大，X射線衍射角移向低角度，晶格常數增大，表明Sn4＋進入了尖晶石晶格中，其結構均為尖晶石相結構。

（2）隨Sn4＋取代量x的增加，飽和磁通密度逐漸下降，起始磁導率先上升后下降，而功率損耗與起始磁導率的變化呈相反趨勢。

（3）當Sn4＋取代量x＝0.04時，NiZn功率鐵氧體具有較高的起始磁導率、較低的功率損耗和溫度系數，且功率損耗隨溫度的上升而降低。這表明在較高的溫度下，NiZn材料可作為電源變壓器功率磁芯使用。

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