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發(fā)表時間：2009-09-15 文章來源：
1 引言
軟磁鐵氧體是當今電子信息產(chǎn)業(yè)的重要支撐材料之一，自上世紀三十年代問世以來已有半個多世紀的工業(yè)化生產(chǎn)歷史。近二十年來，開關(guān)電源、射頻通訊、抗電磁干擾、高清晰度顯示、數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理以及節(jié)能照明技術(shù)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展為軟磁鐵氧體材料的應(yīng)用打開了更為廣闊的市場空間。用軟磁鐵氧體材料制成的各種磁性元器件，如偏轉(zhuǎn)線圈、回掃變壓器、枕校變壓器、 濾波器、隔離變壓器、電感器、扼流圈以及磁傳感器等，廣泛用于家用電器、攝錄器材、視聽設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)與終端(手機、電話機、計算機、程控交換機)、辦公設(shè)備、遠程監(jiān)控、自動化、儀器儀表以及醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)。
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和世界范圍的產(chǎn)業(yè)調(diào)整，我國軟磁鐵氧體近年來一直呈逐年遞增態(tài)勢，這推動著我國軟磁鐵氧體行業(yè)在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模兩方面不斷進步。針對當前軟磁鐵氧體干法和濕法生產(chǎn)中存在的能耗高和環(huán)境污染的問題，近年來開展了新型合成工藝技術(shù)的研究，如自蔓延高溫合成法、機械化學(xué)合成法、水熱合成法、超臨界流體干燥法以及微波燒結(jié)法等，希望通過新的合成工藝技術(shù)，提高軟磁鐵氧體的電磁性能，降低制備成本和防止環(huán)境污染，其中自蔓延合成技術(shù)是當前的研究熱點之一。本文工作正是基于上述背景，在采用SHS(Self-propagating High-temperature Synthesis)技術(shù)合成MnZn鐵氧體粉體，通過二次添加劑和氣氛燒結(jié)工藝制備MnZn功率鐵氧體材料方面進行了初步探索。
2 自蔓延高溫合成技術(shù)
自蔓延高溫合成又叫燃燒合成（Combustion Synthsis），是利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制備材料的新技術(shù)，其主要特點是：
·利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱，完全（或部分）不需要外熱源；
·通過快速自動波燃燒的自維持反應(yīng)得到所需成分和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物；
·通過改變熱的釋放和傳輸速度來控制過程的速度、溫度、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)于1967年由前蘇聯(lián)科學(xué)院化學(xué)物理研究所宏觀動力研究室A.G.Merzhanov I.P. Borovinskaya等在研究Ti-B體系的燃燒過程中首先發(fā)明。1972年前蘇聯(lián)開始工業(yè)化生產(chǎn)耐高溫化合物粉末(如氮化物、碳化物、硼化物等)。1975年SHS技術(shù)開始和傳統(tǒng)冶金與材料加工方法相結(jié)合，通過SHS技術(shù)直接制備陶瓷、金屬陶瓷等致密材料，并開始工業(yè)化生產(chǎn)MoSi2粉末和加熱元件。1980年代以后，SHS技術(shù)開始國際化，美國、日本、中國等加強了對SHS技術(shù)的研究。美國將SHS技術(shù)列入國防部高級研究計劃(簡稱DARPA)，日本于1981年采用鋁熱離心法制備出陶瓷內(nèi)襯鋼管并提出功能梯度材料概念，最近，日本采用SHS技術(shù)制備了高密度TiC涂層(其密度達到理論密度的99％)和TiNi形狀記憶合金線。我國也通過國際合作開展了梯度材料的研究，并實現(xiàn)了陶瓷復(fù)合鋼管的工業(yè)化生產(chǎn)。當前，SHS技術(shù)已由早期結(jié)構(gòu)材料向功能材料領(lǐng)域滲透，與傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)相結(jié)合，形成了SHS粉末技術(shù)、SHS燒結(jié)技術(shù)、SHS加壓致密化技術(shù)、SHS冶金技術(shù)、SHS焊接技術(shù)和SHS氣相傳輸涂層技術(shù)。目前，俄羅斯已建立了一條1500噸鐵氧體連續(xù)生產(chǎn)線，原料從生產(chǎn)線一端進入，合成物從另外一端輸出，生產(chǎn)效率由燃燒速率決定，以鐵粉為燃料，取代部分氧化鐵原料，高溫燃燒合成時完成氧化物間的鐵氧體化。這種SHS粉末技術(shù)與傳統(tǒng)方法比較，省卻了耗時耗能的預(yù)燒環(huán)節(jié)，成本低、效率高、占地少，并且粉體鐵氧體化程度高，粒度分布范圍窄，燒結(jié)性好。其工藝框圖如圖1所示：
與傳統(tǒng)的氧化物陶瓷工藝相比，SHS粉末技術(shù)具有兩大顯著的優(yōu)點：(1)小型、高效的自蔓延合成器代替了大型回轉(zhuǎn)窯，極大地減小占地面積；(2)燃燒合成取代了傳統(tǒng)工藝中耗能、耗時的預(yù)燒環(huán)節(jié)，節(jié)能高效。表1列出了兩種工藝的對比。
3 實驗過程
采用市售氧化物原料Fe2O3（純度≥98.5％），MnCO3（純度≥94％），ZnO（純度≥99.5％）和還原鐵粉（純度≥98.0％），將原料置于烘箱中80℃干燥24h，按Zn0.16Mn0.78Fe2.06O4配方，采用加去離子水的濕法工藝混合球磨6h，轉(zhuǎn)速120r/min，漿料在烘箱中120℃烘干24h，粉碎后壓成圓柱型預(yù)制塊，放入石英容器中，SHS工藝在有水冷系統(tǒng)的高壓反應(yīng)釜中進行，內(nèi)設(shè)石墨和陶瓷管雙重保護裝置，用Ni-Cr絲線通電點燃引燃劑，依靠其反應(yīng)產(chǎn)生的足夠熱量引燃反應(yīng)物粉體，實現(xiàn)自蔓延高溫合成，經(jīng)自蔓延反應(yīng)得到質(zhì)地疏松的毛坯塊，然后按傳統(tǒng)工藝加入添加劑，濕法球磨16h后烘干，加入濃度10％的聚乙烯醇（PVA），造粒后制成MnZn功率鐵氧體粉體，在50MPa壓力下成型坯件，最后在鐘罩式氣氛燒結(jié)爐中1240℃×3h（保溫階段氧分壓為5%，按平衡氣氛控制降溫）燒結(jié)成MnZn功率鐵氧體磁環(huán)樣品?16×?8×5mm，其反應(yīng)方程式如下：
其中Fe為燃料，O2為氧化劑，K為控制反應(yīng)物發(fā)熱量的系數(shù)。制備流程如圖2所示。
SHS粉體和燒結(jié)體樣品的顯微形貌通過S-530型掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析，采用HP4275A測試樣品起始磁導(dǎo)率μi和居里溫度TC，用CL-16磁性參數(shù)測量儀測試樣品飽和磁感應(yīng)強度Bs，剩磁Br和矯頑力Hc，用SY-8232 B-H分析儀測量樣品單位體積功耗Pcv，用MD-2密度儀測量樣品密度d。
4 實驗結(jié)果
SHS技術(shù)合成的MnZn功率鐵氧體粉體的 SEM照片如圖3所示，可見其平均顆粒尺寸約0.5μm，粉末顆粒均勻性較好，但由于MnZn鐵氧體為亞鐵磁性的強磁性氧化物，粉末存在明顯的團聚現(xiàn)象。
燒結(jié)樣品斷面形貌如圖4所示，可見燒結(jié)體晶粒完整，晶界清晰，其平均晶粒尺寸為10μm，樣品的電磁性能參數(shù)測試結(jié)果如表2所列。
從我們初步的實驗結(jié)果來看，由于SHS技術(shù)合成的鐵氧體粉末平均粒度僅為0.5μm左右，因此在燒結(jié)中表現(xiàn)出良好的反應(yīng)活性。在1240℃×3h條件燒結(jié)，密度即達4.8g·m－3以上，并且由圖4可見燒結(jié)體固相反應(yīng)充分，平均晶粒尺寸約10μm。雖然樣品單位體積功耗Pcv較Philips公司3F4材料尚有差距，但其它電磁性能已不相上下，說明自蔓延高溫合成（SHS）鐵氧體是一種有前途的工藝技術(shù)。在解決好SHS粉末與后工序配合以及成分控制等問題后，這種工藝技術(shù)將在鐵氧體行業(yè)發(fā)揮作用。這對鐵氧體材料降低能耗、減少成本、防止污染和提高生產(chǎn)效率有重要意義。
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