鄒姝穎，鐘喜春，劉仲武，張翼飛，王開祥

?

V2O5摻雜改善錳鋅鐵氧體組織及性能的研究

鄒姝穎1，鐘喜春1，劉仲武1，張翼飛2，王開祥2

（1. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 美的電熱電器制造有限公司，廣東 佛山 528311）

采用傳統(tǒng)陶瓷法制備錳鋅鐵氧體，研究了不同V2O5摻雜量對(duì)錳鋅鐵氧體燒結(jié)試樣微觀結(jié)構(gòu)及磁性能的影響。獲得了適用于電磁加熱的高性能MnZn鐵氧體材料。結(jié)果表明，適量的摻雜V2O5能顯著改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，并且能明顯提高材料的磁性能。當(dāng)V2O5摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，樣品擁有最佳的磁性能，其振幅磁導(dǎo)率、比總損耗及矯頑力分別為1704，30.36 W/kg，4.8 A/m（100 mT，100 kHz）。

傳統(tǒng)陶瓷法；錳鋅鐵氧體；V2O5摻雜；成相；微觀結(jié)構(gòu)；磁性能

目前，市場上的電磁爐電磁加熱系統(tǒng)中使用的磁條普遍為錳鋅鐵氧體材料。磁條在電磁爐中主要作用為引導(dǎo)磁力線進(jìn)入鍋具，使鍋具中產(chǎn)生更多的焦耳熱[1-3]。在電磁爐加熱系統(tǒng)中，磁條是其中重要的組件之一，市場上常使用的磁條主要有PC40、PC47、PC95等。以綜合性能較好的PC95磁條為例，其適用頻率范圍為100~300 kHz，并在25~120 ℃溫度范圍內(nèi)具有很低的功率損耗。而電磁爐的工作頻率一般為20~30 kHz，工作溫度范圍處于60~120 ℃之間。磁條材料的使用條件遠(yuǎn)高于電磁爐的使用范圍，如果大規(guī)模地采用PC95材料作為線圈盤磁條的話，勢必會(huì)增加成本，從而造成資源的浪費(fèi)，降低材料的性價(jià)比。因此開發(fā)出專用于電磁加熱應(yīng)用領(lǐng)域的高性能磁條材料，是非常有必要的。

電磁爐磁條材料對(duì)錳鋅鐵氧體性能的主要要求是在電磁爐工作頻率內(nèi)磁損耗及矯頑力較低而磁導(dǎo)率較高。影響磁條磁導(dǎo)率和磁損耗的因素很多，為了改善材料的磁性能，可以通過調(diào)整材料的原始配方、改善制備工藝、摻雜微量元素等方法來實(shí)現(xiàn)。

有研究[4-7]表明，在錳鋅鐵氧體中加入V2O5能使晶粒細(xì)化，提高樣品密度，改善材料的磁性能。本文在前期研究基礎(chǔ)上[8]，主要研究了摻雜V2O5對(duì)錳鋅鐵氧體組織及磁性能的影響，以期制備出適用于電磁加熱領(lǐng)域的錳鋅鐵氧體磁條材料。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的陶瓷法制備錳鋅鐵氧體樣品，制備流程如圖1所示[9-10]。

圖1 陶瓷法制備錳鋅鐵氧體材料的工藝流程圖

首先按摩爾比（Fe2O3:ZnO:MnO2）=52.5:12:35.5進(jìn)行配方，一次球磨2 h后，在920 ℃下預(yù)燒2 h，在預(yù)燒料中分別摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0，0.01%，0.03%，0.05%，0.07%的V2O5，再二次球磨4 h，烘干后加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的聚乙烯醇（PVA）水溶液造粒，再在100 MPa壓力下將粉料壓制成環(huán)，最后于1350 ℃下在氧含量為體積分?jǐn)?shù)4%的氮氧混合氣體中燒結(jié)3 h，在降溫階段通入高純氮?dú)怆S爐冷卻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖2為不同V2O5摻雜量的錳鋅鐵氧體樣品室溫XRD譜。從圖中可以看到，所有燒結(jié)樣品仍然形成了單一尖晶石相，并未有其他雜相產(chǎn)生。這是因?yàn)樵跓Y(jié)過程中，由于V5+半徑(0.061 nm)小于Fe3+半徑（0.067 nm），因此V5+可進(jìn)入鐵氧體晶格內(nèi)部參與尖晶石相的形成[4]，而并未形成第二相。

圖2 不同V2O5摻雜量的錳鋅鐵氧體樣品室溫XRD譜

2.2 微觀形貌

圖3是不同V2O5摻雜量的樣品斷口形貌照片。從圖中可以看出，在沒有添加V2O5時(shí)，樣品晶粒生長不均勻，晶粒尺寸較為粗大，且在晶粒內(nèi)部和晶界處有較多的氣孔，氣孔率較高，此時(shí)樣品的密度為4.86 g/cm3（如表1為不同V2O5摻雜量的樣品密度）；而添加V2O5后樣品的晶粒尺寸明顯減小，均勻性變好。隨著V2O5添加量的適當(dāng)增加，晶粒逐漸細(xì)化，均勻性變好且氣孔顯著減少，組織變得致密，在摻雜量達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，樣品密度達(dá)到最大。

（a）未摻雜；（b）0.01%；（c）0.03%；（d）0.05%；（e）0.07%

表1 不同V2O5摻雜量的樣品密度

Tab.1 The densities of samples with different V2O5 doping contents

由此可見，不同V2O5摻雜量對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)影響顯著。這是由于V2O5的熔點(diǎn)在700 ℃左右，在鐵氧體燒結(jié)過程中，V2O5會(huì)形成液相包裹在晶粒外面，液相浸潤固相物顆粒使得顆粒間的反應(yīng)面積增大，提高了反應(yīng)速率，促進(jìn)固相反應(yīng)的進(jìn)行[7]，從而促使晶粒長大，氣孔減少，提高了樣品密度，降低了晶界和晶粒內(nèi)的氣孔率，改善了鐵氧體的顯微組織。而當(dāng)V2O5摻雜量過多時(shí)，由于晶粒生長過快，部分晶粒異常長大，從而降低了晶體組織的均勻性，惡化了顯微組織。

2.3 磁性能

圖4為不同V2O5摻雜量對(duì)錳鋅鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（s）的影響。從圖中可以看出，樣品的s隨著V2O5摻雜量的增加先增大后減小，并在V2O5的摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，鐵氧體的s達(dá)到最大。這是因?yàn)闃悠返膕值主要依賴于主配方和樣品密度。適當(dāng)?shù)靥砑覸2O5，可使晶粒均勻生長，氣孔減少，樣品密度提高，因此樣品的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度增加；而當(dāng)V2O5的添加量超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，晶粒尺寸又開始增大，均勻性變差且氣孔增多，密度減小，因此飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度減少。

圖4 樣品飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度隨V2O5摻雜量的變化關(guān)系曲線

圖5為鐵氧體的起始磁導(dǎo)率i隨V2O5摻雜量的變化關(guān)系圖。從圖中可知，在常溫下隨著V2O5摻雜量的增加，鐵氧體的磁導(dǎo)率呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)V2O5的摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，鐵氧體的起始磁導(dǎo)率達(dá)到最大值。這是因?yàn)榇艑?dǎo)率和晶粒尺寸、燒結(jié)密度密切相關(guān)，隨著V2O5摻雜量的增加，晶粒變得致密均勻，氣孔率下降，密度增大，從而起始磁導(dǎo)率增大，而當(dāng)V2O5的添加量超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，晶粒均勻性變差且氣孔增多，密度減小，疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，因此起始磁導(dǎo)率下降。

圖5 起始磁導(dǎo)率隨V2O5摻雜量的變化關(guān)系曲線

在100 mT、100 kHz的條件下測試了不同V2O5摻雜量錳鋅鐵氧體樣品室溫下的比總損耗s和矯頑力c，并選用20 kHz和100 kHz下的數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，結(jié)果分別如圖6，7所示。圖6為不同V2O5摻雜量對(duì)鐵氧體磁損耗的影響。從圖中可以看出，在常溫下隨著V2O5摻雜量的增加，鐵氧體的磁損耗呈先減后增的趨勢，當(dāng)V2O5摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，磁損耗達(dá)到最小值，為30.36 W/kg。而當(dāng)繼續(xù)增加V2O5摻雜量時(shí)，樣品的磁損耗開始增大。其原因是當(dāng)樣品中適量添加V2O5后，V2O5包裹著晶粒，起到液相燒結(jié)作用，能有效促進(jìn)晶粒生長且抑制晶粒的吞并，使得晶粒均勻生長，氣孔減少，晶界和晶粒內(nèi)的氣孔率降低，改善鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)，疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減小，因此磁滯損耗減??；但是過量添加V2O5后，部分晶粒出現(xiàn)異常長大，晶界減少，氣孔增多，氣孔率增加，晶粒組織不均勻性增大，疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，磁滯損耗增大，從而使得磁損耗曲線呈現(xiàn)先減后增的趨勢。

圖6 磁損耗隨V2O5摻雜量的變化關(guān)系曲線

Fig.6scurves of MnZn ferrites with different V2O5contents

圖7所示為不同V2O5摻雜量對(duì)錳鋅鐵氧體樣品矯頑力的影響。從圖中可以看出，在常溫下隨著V2O5摻雜量增加，鐵氧體的矯頑力呈先減小后增大的趨勢，且當(dāng)V2O5摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，矯頑力達(dá)到最小值，為4.8 A/m，降低約72%。其原因是當(dāng)樣品中適量添加V2O5后，晶粒均勻生長，氣孔減少，晶界和晶粒內(nèi)的氣孔率降低，鐵氧體的顯微結(jié)構(gòu)改善，疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)阻力減小，因此矯頑力減小。

圖7 矯頑力隨V2O5摻雜量的變化關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文通過采用傳統(tǒng)的陶瓷法制備錳鋅鐵氧體樣品，研究了V2O5摻雜對(duì)錳鋅鐵氧體的物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和磁性能的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）少量的V2O5摻雜對(duì)錳鋅鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)沒有影響，當(dāng)摻雜量達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%時(shí)，錳鋅鐵氧體仍為單一的尖晶石相。

（2）添加微量的V2O5時(shí)，錳鋅鐵氧體的微觀結(jié)構(gòu)得到改善，組織變得致密均勻、氣孔率下降。當(dāng)V2O5摻雜量超過質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，部分晶粒出現(xiàn)異常長大，氣孔增多，組織均勻性變差，性能開始惡化。

（3）添加微量的V2O5時(shí)，同時(shí)能有效地提高錳鋅鐵氧體磁性能。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)V2O5的摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%時(shí)，鐵氧體具有最佳的磁性能。燒結(jié)樣品的振幅磁導(dǎo)率、比總損耗和矯頑力分別為1704，30.36 W/kg，4.8 A/m（100 mT，100 kHz）。

[1] 劉祝山. 電磁感應(yīng)式電磁爐加熱技術(shù)研究[J]. 科技信息, 2011(25): 100-100.

[2] 許建民. 電磁灶商用市場現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 現(xiàn)代家電, 2007(15): 19-20.

[3] MENG L C, CHENG K W E, CHAN K W. Heating performance improvement and field study of the induction cooker [C]// 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications, 2009. PESA 2009. NY, USA: IEEE, 2009: 1-5.

[4] 余忠, 蘭中文, 王京梅. 添加CaO, V2O5對(duì)高頻MnZn鐵氧體性能的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2004, 18(2): 176-180.

[5] JANGHORBAN K, SHOKROLLAHI H. Influence of V2O5addition on the grain growth and magnetic properties of Mn-Zn high permeability ferrites [J]. J Magn Magn Mater, 2007, 308(2): 238-242.

[6] 張守華, 郁黎明, 洪芳, 等. V2O5含量與燒結(jié)溫度對(duì)MnZn鐵氧體性能的影響[J]. 功能材料(增刊), 2009, 40: 126-128.

[7] 劉婭, 余忠, 孫科, 等. CuO和V2O5對(duì)MnZn功率鐵氧體性能的影響[J]. 壓電與聲光, 2011, 33(4): 623-627.

[8] 鄒姝穎, 廖僖, 劉仲武, 等.電磁加熱用MnZn鐵氧體球磨預(yù)燒工藝研究[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(6): 67-70.

[9] YUE Z, CHEN S, QI X, et al. Preparation and electromagnetic properties of low-temperature sintered ferroelectric-ferrite composite ceramics [J]. J Alloys Compd, 2004, 375(1): 243-248.

[10] 王永明. 錳鋅鐵氧體納米粉體的燒結(jié)及摻雜性能研究[D]. 天津: 河北工業(yè)大學(xué), 2007.

（編輯：陳豐）

Improving microstructure and magnetic properties of MnZn ferrites by V2O5doping

ZOU Shuying1, ZHONG Xichun1, LIU Zhongwu1, ZHANG Yifei2, WANG Kaixiang2

(1. College of Material Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Media Electric Appliances Manufacturing Company, Foshan 528311, Guangdong Province, China)

MnZn ferrites were prepared by conventional ceramic technique. The influences of V2O5doping on the microstructure and magnetic properties of MnZn ferrite were investigated. The results show that the appropriate addition of V2O5can significantly improve the microstructure and enhance the soft magnetic properties. For 0.05% mass fraction of V2O5doping amount, the optimum magnetic properties with amplitude permeabilityaof 1704, total magnetic losssof 30.36 W/kg, and coercivitycof 4.8 A/m (100 mT, 100 kHz can be obtained).

conventional ceramic technique; MnZn ferrite; V2O5doping; phase formation; microstructure; magnetic properties

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.004

TG132.2+7

A

1001-2028（2017）10-0027-04

2017-06-28

劉仲武

劉仲武（1971－），男，湖南邵東人，教授，主要研究方向?yàn)榇判圆牧?、金屬材料與納米材料，E-mail: zwliu@scut.edu.cn ；鄒姝穎（1994－），女，江西撫州人，研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶訜嵊缅i鋅鐵氧體磁條材料成分及工藝優(yōu)化，E-mail: sally_1801170@163.com 。

2017-09-27 10:57

網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.004.html