一种低温烧结六角晶系软磁铁氧体

摘要

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种可直接低温烧结的六角晶系软磁铁氧体材料。其特征在于采用Bi2O3作为材料组元之一，以Bi3+取代六角晶系铁氧体中的Ba2+，同时以等量二价金属Me2+取代Fe3+平衡整体电价，六角晶系软磁铁氧体的晶相为Y型六角铁氧体，其分子式为Ba2－xBixMe2+xFe12－xO22，0＜x＜0.5，Me为Co、Zn、Cu、Mg、Mn、Ni中的一种或几种。本材料烧结温度低，烧成温度宽，制备方法简单，适于工业化生产，性能稳定、可靠性好、材料性能指标高等优点。烧结样品磁导率在2～30，截止频率在500MHz～8GHz，比温度变化率不大于10－6/℃，电阻率大于108Ω·cm，介电常数10～20，完全满足甚/超高频片式电感、片式磁珠等感性元件以及各种组合片式元件对磁介质的要求。

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种可直接低温烧结的六角晶系软磁铁氧体材料。

背景技术：

片式电感作为三大无源片式元件之一，在各种电子设备中均有广泛的应用。近几年，随着移动通信技术和电子计算机等电子产品的飞速发展，电子产品的应用频率越来越高，已经超过GHz，这要求各种电子元件的应用频率也要相应提高。目前，片式电感采用NiZnCu铁氧体作为磁介质，但NiZnCu铁氧体受其立方系晶体结构的限制，截止频率最高仅100MHz左右，无法用于甚/超高频段。六角晶系软磁铁氧体(Y型、Z型、W型、M型、X型、U型)，由于具有平面各向异性，其截止频率比立方晶系铁氧体高出一个数量级以上，能够达到几GHz，可以用作甚/超高频片式电感类元件的核心材料。

目前，片式电感类元件采用叠层共烧工艺生产而成，其工艺技术的关键和难点是铁氧体磁介质与金属内电极的异质共烧。从导电性、耐氧化性及成本三个方面考虑，导电浆料一般选择银浆料，但是银的熔点只有961℃。这就要求铁氧体材料在具有高磁导率和高品质因数的同时，烧结温度必须低于900℃。但是铁氧体的烧结温度一般在1100℃以上，例如Y型六角铁氧体的烧结温度约是1200℃，Z型六角铁氧体的烧结温度超过了1300℃。为降低铁氧体的烧结温度，目前生产中普遍采用添加助烧剂的方法来降低其烧结温度。助烧剂高温熔融，在铁氧体晶界处形成液相，促进烧结。但是助烧剂与铁氧体混合需要进行二次混料，会引入更多杂质；主料与助烧剂也很难混合得十分均匀，影响烧结效果；而且助烧剂在晶界处富集，可能促进Ag沿晶界扩散，降低元件性能。

因此，急需一种无需外加助烧剂即可在900℃以下烧结的六角晶系软磁铁氧体，以满足高性能甚/超高频片式电感的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种可直接低温烧结的六角晶系软磁铁氧体材料和使用该材料的片式元件。该材料具有烧结温度低的优点，无需外加助烧剂即可在900℃以下烧结致密，可满足高性能片式电感类元件的工艺要求。

一种低温烧结六角晶系软磁铁氧体，其特征在于：所述低温烧结六角晶系软磁铁氧体，为含有Bi³⁺取代的Y型、Z型、W型、M型、X型或U型六角晶系软磁铁氧体，其分子式分别为Y型-Ba_2-xBi_xMe_2+xFe_12-xO₂₂(0＜x＜0.5)、Z型-Ba_3-xBi_xMe_2+xFe_24-xO₄₁(0＜x＜0.5)、W型-Ba_1-xBi_xMe_1.5+xCo_0.5Fe_16-xO₂₇(0＜x＜0.5)、M型-Ba_1-xBi_xTi_yMe_y+xFe_12-2y-xO₁₉(0＜x＜0.5，1.0＜y＜1.5)，X型-Ba_2-xBi_xMe_2+xFe_28-xO₄₆(0＜x＜0.5)，U型-Ba_4-xBi_xMe_2+xFe_36-xO₆₀(0＜x＜1)，其中Me为Co、Zn、Cu、Mg、Mn、Ni中的一种或几种，即Me为Co或Zn或Cu或Mg或Mn或Ni，或Co-Zn或Co-Cu或Co-Mg或Co-Mn或Co-Ni，或Zn-Cu，或Zn-Mg，或Zn-Mn，或Zn-Ni，或Cu-Mg，或Cu-Mn，或Cu-Ni，或Mg-Mn，或Mg-Ni，或Co-Zn-Cu，或Co-Zn-Mg，或Co-Zn-Mn，或Co-Zn-Ni，或Zn-Cu-Mg，或Zn-Mg-Mn，或Zn-Mn-Ni，或Cu-Mg-Mn，或Cu-Mg-Ni，或Mg-Mn-Ni，或Co-Zn-Cu-Mg，或Co-Zn-Cu-Mn，或Co-Zn-Cu-Ni，或Co-Cu-Mg-Mn，或Co-Cu-Mg-Ni，或Co-Mg-Mn-Ni，或Zn-Cu-Mg-Mn，或Zn-Cu-Mg-Ni，或Zn-Cu-Mn-Ni，或Zn-Mg-Mn-Ni，或Cu-Mg-Mn-Ni，或Co-Zn-Cu-Mg-Mn，或Co-Zn-Cu-Mg-Ni，或Co-Zn-Cu-Mn-Ni，或Co-Zn-Mg-Mn-Ni，或Co-Cu-Mg-Mn-Ni，或Co-Zn-Cu-Mg-Mn-Ni。使用该材料的片式元件可以为片式电感、片式磁珠或含有感性部件的组合片式元件，这些片式元件可用于数百MHz至数GHz的频段。

本发明中所述的低温烧结六角晶系软磁铁氧体，将Bi₂O₃作为材料的组元之一，而非一种外加助烧剂，采用Bi³⁺取代成分中的Ba²⁺，同时采用等量的二价金属取代Fe³⁺平衡整体电价。该材料中采用Bi³⁺取代低价的Ba²⁺，从而有效避免Bi³⁺被氧化成Bi⁵⁺所造成材料电性能的急剧恶化，确保材料的高频应用特性。本发明所述铁氧体材料无需添加任何外加助烧剂即可在900℃以下烧结，因而避免了可能引入杂质的二次混料过程，可保证最终产品具有高性能。此外，所述材料中的Me选自Co、Zn、Cu、Mg、Mn、Ni等二价金属中一种或几种，通过不同金属离子或离子组合的选择，可实现对材料电磁性能的有效调节，获得性能各异的材料，以满足实际应用中不同的要求。

本发明的优点是，所述的低温烧结六角晶系铁氧体具有烧结温度低(900℃以下)，烧成温度宽，制备方法简单，适于工业化生产，性能稳定、可靠性好、材料性能指标高等优点。该六角晶系铁氧体低温烧结样品，磁导率在2～30，截止频率在500MHz～8GHz，比温度变化率不大于10^-6/℃，电阻率大于10⁸Ω·cm，介电常数10～20，完全满足甚/超高频片式电感、片式磁珠等感性元件以及各种组合片式元件对磁介质的要求，具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例2样品的磁频谱特性曲线图；

图2为本发明实施例2样品的介电频谱特性曲线图；

具体实施方式

下面结合一些实施例更具体的描述本发明。

实施例1，采用分析纯的Fe₂O₃、BaCO₃、Bi₂O₃、CuO、Co₃O₄、ZnO、MgO、MnO₂、NiO、TiO₂为初始原料，按表1所示成分比例(重量比)称取原料，以无水乙醇为介质球磨混合24小时，75℃烘干，过200目筛，预烧4小时；将所得粉料球磨过筛，造粒，成型，分别在890℃烧结保温4小时。环形样品，外径20mm，内径10mm，厚度2.5mm，成型压力7MPa；片状样品，直径10mm，厚度1mm，成型压力2MPa。烧成后的片状样品上下表面被银后测量其介电常数和电阻率。烧成后的环状样品用HP4291B(1M-1GHz)射频阻抗分析仪测量磁频谱。所获得样品的性能参数见表1。

实施例2，采用分析纯的Fe₂O₃、BaCO₃、Bi₂O₃、CuO、Co₃O₄、ZnO为初始原料，按重量比Fe₂O₃∶BaCO₃∶Bi₂O₃∶CuO∶Co₃O₄∶ZnO＝100∶37.7∶4.9∶3.4∶8.5∶6.9称取原料，以无水乙醇为介质球磨混合24小时，75℃烘干，过200目筛，在900℃预烧，保温4小时，获得纯净单相的Y-型六角铁氧体粉料；球磨过筛，造粒，成型，分别在850℃、870℃、890℃、910℃烧结保温2小时(记作样品2-1，2-2，2-3和2-4)。环形样品，外径20mm，内径10mm，厚度2.5mm，成型压力7MPa；片状样品，直径10mm，厚度1mm，成型压力2MPa。烧成后的片状样品上下表面被银后测量其介电常数和电阻率。烧成后的环状样品用HP4291B(1M-1GHz)射频阻抗分析仪测量磁频谱及介电谱。图1给出了样品的磁频谱特性曲线，图2给出了介电频谱特性曲线。所获得样品的性能参数见表2。

上述实例说明，本发明所述六角晶系铁氧体无需外加助烧剂即可实现低温烧结，低温烧结样品致密度高，晶粒尺寸均匀，具有优异的电磁性能，材料的磁导率在2～30，截止频率可高达1GHz以上，介电常数10～20，比温度变化率不大于10^-6/℃，电阻率大于10⁸Ω·cm，而且实验表明本发明材料性能稳定，再现性好。

表2：

样品编号密度线收缩率(％)    磁导率  介电常数  电阻率(Ω·cm)  比温度系数  (/℃)  2-1  4.86    11.2    3.0    16.7    6.0×10⁸  1.2×10^-7  2-2  4.93    11.5    3.0    17.4    5.2×10⁸  1.5×10^-7  2-3  5.13    12.8    3.2    18.0    5.0×10⁸  1.4×10^-7  2-4  5.23    13.2    3.4    17.8    5.1×10⁸  1.6×10^-7

表1：

  编号  成分组成 晶 相烧结温度(℃)    收缩率    (％)密度(g/cm³)磁导率  Fe₂O₃    BaCO₃    Bi₂O₃  CuO    Co₃O₄  ZnO    MgO    MnO₂    NiO    TiO₂  1-1  100    38.6    3.7  3.4    8.1  6.9    0    0    0    0 Y    890    12.9    5.1  3.2  1-2  100    39.5    2.5  3.3    6.8  7.7    0    0    0    0 Y    890    12.8    5.0  5.4  1-3  100    37.7    4.9  3.4    6.8  6.9    0    1.8    0    0 Y    890    13.2    5.2  4.0  1-4  100    36.8    6.2  3.4    6.8  6.9    1.1    0    0    0 Y    890    13.6    5.3  3.6  1-5  100    28.2    3.7  2.5    5.1  0    0    0    2.0    0 Z    890    12.0    4.9  8.1  1-6  100    26.3    6.2  3.0    7.7  0    0    0    0    0 Z    890    12.5    5.0  7.5  1-7  100    12.5    3.7  5.0    4.5  4.5    0    0    0    0 W    890    12.2    4.9  3.3  1-8  100    12.5    3.7  5.0    7.6  1.3    0    0    0    0 W    890    12.3    4.9  2.0  1-9  100    11.2    3.3  0    6.2  1.2    0    0    0    6.3 M    890    11.9    4.9  8.5  1-10  100    12.0    2.5  0    1.0  7.9    0    0    0    6.9 M    890    11.9    5.0  10.2  1-11  100    15.2    3.2  2.9    3.3  2.2    0    0    0    0 X    890    10.1    4.9  3.1  1-12  100    23.7    4.9  2.25    2.3  2.9    0    0    0    0 U    890    8.0    4.9  3.4