一种高频无线充电用铁氧体及其制备方法与流程

本发明涉及磁性材料，具体涉及一种高频无线充电用铁氧体及其制备方法。

背景技术：

1、传统电能传输普遍采用金属导线和电缆线等传输介质，其在电力传输过程中不可避免地会产生传输损耗、线路老化、尖端放电等问题；频繁拔线会对设备造成物理损伤，需要定期更换充电线。目前无线充电标准主要有三个，其一是qi标准，该标准采用电磁感应式无线充电，充电频率在100-205khz左右，充电功率在几十至一百多瓦，目前主要用于手机等消费电子的无线充电；其二是a4wp标准，该标准采用电磁共振技术，充电频率在6.78mhz，充电功率在几千至十几千瓦，适用于新能源汽车的无线充电；其三是新无线充电规范wlc，采用磁共振式无线充电，充电频率在13.56mhz，充电功率只有几瓦，因其频率高而具有可采用更小型天线的特点，通用于智能手表、智能手环、无线耳机、触控笔等小型产品。

2、无线充电系统中的软磁材料需要具有高的磁导率实部，用来有效聚合磁通和低的磁导率虚部，以减小能量损耗，从而提高传输效率。无线充电系统不仅需要软磁材料来提高传输效率，同时也需要硬磁材料来定位，而软磁材料在硬磁材料的磁场下被磁化后，其电磁性能会有较大的改变，因此需要材料有较强的抗磁扰动能力；另外还需要较低的比温度系数来确保在不同温度环境下可以使用；因其充电频率高，可采用更小型天线的特点，注定其传输功率不会太高，降低其高频大信号下的损耗有助于提高其传输功率。

3、公开号为cn108164260a的专利公开了一种无线充电用镍锌软磁铁氧体及其制备方法、应用，其公开的是一种适用于qi标准（100~205khz）的无线充电用材料。公开号为cn109320228a的专利公开了一种磁共振式无线充电用镍锌铁氧体材料及其制备方法，其公开的是一种适用于a4wp标准（6.78mhz）的无线充电用材料。公告号为cn115894005b的专利公开了一种镍锌铁氧体材料及其制备方法和应用，其公开了一种适用于高频下的新能源汽车、无线充电或物联网技术领域的材料，采用主配方修正工艺，针对现有工艺导致的主配方成分偏移问题通过掺杂时加入适量的fe2o3和ni2o3进行手动修正，配合功能添加剂降低了高频在25℃和100℃下的功率损耗，但其没有考虑这种主配方修正工艺(预烧后添加主成分)对其他电性能的影响，也未考虑更多影响高频充电效率和充电功率的因素。

技术实现思路

1、本发明提供一种高频无线充电用铁氧体及其制备方法，该材料制备方法主要包括步骤如下：

2、1）设计镍铜锌铁氧体主成分摩尔配比：fe2o3：47~50mol%、zno：15~26mol%、cuo：2~6mol%、nio：18~36mol%，在铁氧体制备过程中，将该主成分分成两部分进行两次添加，第一部分主成分为fe2o3、cuo、zno和nio，第二部分主成分为fe2o3和cuo，其含量不等于0；

3、2）从步骤1中的主成分中称取第一部分主成分进行砂磨混合，其中，以步骤1中主成分总摩尔量为计算基础，fe2o3：45.5~49.5mol%、cuo：0.5~5.5mol%、zno：15~26mol%、nio：18~36mol%，zno和nio的摩尔量与步骤1相同；

4、3）将步骤2混合后的料浆烘干、过筛、预烧；

5、4）将预烧后粉料、第二部分主成分fe2o3和cuo、辅助成分放入砂磨机中进行二次砂磨，辅助成分有co2o3和sio2，还包括bi2o3和moo3中的一种或两种，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：5000~15000ppm、sio2：2000~5000ppm、bi2o3：2000~10000ppm、moo3：2000~5000ppm；

6、5）将二次砂磨后的粉料造粒，过筛后压制成所需的生坯；

7、6）将压制好的生坯以平衡氧分压方式进行烧结。

8、优选的，步骤1中，主成分配比为fe2o3：48.0~49.5mol%、zno：17~23mol%、cuo：3~5mol%、nio：22.5~32mol%；步骤2中，以步骤1中主成分总摩尔量为计算基础，fe2o3：46.5~49.0mol%、cuo：1.5~4.5mol%、zno：17~23mol%、nio：22.5~32mol%，zno和nio的摩尔量与步骤1相同。

9、优选的，步骤1中，主成分配比为fe2o3：48.5~49.0mol%、zno：18~21mol%、cuo：3.5~4.5mol%、nio：25.5~30mol%；步骤2中，以步骤1中主成分总摩尔量为计算基础，fe2o3：47.0~48.0mol%、cuo：2~3mol%、zno：18~21mol%、nio：25.5~30mol%，zno和nio的摩尔量与步骤1相同。

10、其中，步骤2中称取的第一部分主成分中，fe2o3和cuo的摩尔量应低于步骤1中相应物质的摩尔量，以确保主成分fe2o3和cuo有剩余，这样，确保步骤4中的第二部分主成分fe2o3和cuo的含量不等于0。

11、步骤2中，将主成分湿法砂磨混合10~30min，优选为15min、20min或25min。

12、步骤3中，将步骤2混合后的料浆在100~150℃下烘干12~24h，将烘干后的粉料过120目筛网后放入空气炉中预烧，预烧温度为850~1000℃，保温时间2~4h。

13、优选的，步骤3中，预烧温度是880℃、900℃、920℃、950℃或980℃。

14、步骤4中，砂磨时间为60~120min，优选为70min、80min、90min、100min或110min，最终的粉末粒径d50在1.0~2.0μm范围。

15、优选的，步骤4中，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：7000~13000ppm、sio2：2500~4500ppm、bi2o3：3000~8000ppm、moo3：3000~4000ppm。

16、优选的，步骤4中，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：8000~12000ppm、sio2：3000~4000ppm、bi2o3：4000~7000ppm、moo3：3200~3800ppm。

17、优选的，步骤4中，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：9000~11000ppm、sio2：3200~3800ppm、bi2o3：5000~6000ppm、moo3：3300~3500ppm。

18、步骤5中，将二次砂磨后的粉料与12~15wt%的pva混合造粒，将造粒完成的颗粒料过80目和240目筛网后，压制成所需的生坯；

19、优选的，步骤5中，pva含量为13wt%或14wt%。

20、步骤6中，将压制好的生坯在平衡气氛中烧结得到最终产品，烧结温度为1000~1150℃，保温时间为2~4h，氧分压为4~8%。

21、优选的，步骤6中，烧结温度为1050-1100℃，保温时间为2.5~3h，氧分压为5-7%。

22、一种高频无线充电用铁氧体，采用上述的制备方法制造而成。

23、本发明在主成分的选择上进行设计，通过选择略低于正分的铁含量和较低的锌含量，控制最终产品保持较高磁导率实部的同时，拥有较低的磁导率虚部，以此来提高充电效率，提高无线充电功率需要提高软磁材料的工作磁通密度，而在大电流信号下软磁材料畴壁发生不可逆位移，损耗会显著增大。此外，由于磁滞效应处于磁中性状态的软磁铁氧体被强磁场磁化后再撤去磁场会在其内部剩余部分磁通密度，此时的软磁铁氧体电性能会较之前发生变化。

24、本发明设计主成分中一部分fe2o3和cuo在预烧后再加入，这是因为：由于贫铁配方体系缺少fe2+来补偿k1，使得其材料具有较大的正温度系数，因此将设计主成分中一部分fe2o3在预烧后再加入，再通过在氧气气氛中下烧结，可形成部分fe2+离子，通过fe2+和co2+补偿k1，可降低材料正的比温度系数；由于磁滞效应处于磁中性状态的软磁铁氧体被强磁场磁化后再撤去磁场，会在其内部剩余部分磁通密度，此时的软磁铁氧体电性能会较之前发生变化，为降低磁扰动带来的影响，应尽可能使铁氧体晶粒结构均匀无气孔和杂质，降低磁滞效应，故设计主成分中一部份cuo在预烧后加入，一方面是cuo与其他材料组分一起烧结时在较低的温度（1026℃）就可出现液相，另一方面cu离子进入尖晶石相中导致的晶格畸变也会促进烧结，配合bi2o3或moo3等不同熔点的助溶剂可在其烧结多温度阶段形成液相，使晶粒结构更加完善，提高其抗磁扰动能力。且由于预烧过程只是初步形成尖晶石相，预烧后加入的fe2o3和cuo在最终烧结时仍然会在晶粒生长的过程中进入主相，完成最初的主成分设计。

25、sio2可与其他氧化物在晶界处形成均质玻璃相，一方面晶界处的玻璃相可稳定磁畴壁，提高抗热扰动能力，使温度稳定性进一步提高，另一方面在助熔剂生成液相使固相反应加快的同时，玻璃相又可以抑制晶粒生长过大，使得在低温下生成晶粒均匀细小、晶界明显且气孔率极少的样品，这样既可以消除应力各项异性，降低矫顽力，提高其抗磁场冲击能力，又提高了产品的机械强度。

26、本发明的有益效果是：

27、1、通过主成分含量设计配合辅助成分，在获得较高磁导率实部的同时获得较低的磁导率虚部，提高高频无线充电材料的充电效率；

28、2、通过设计主成分中少量氧化铁以掺杂的方式与四氧化三钴一起加入，并使之以平衡氧分压形式烧结，形成了co2+和fe2+离子，降低大信号下rs（提高工作磁通密度）和比温度系数，进而可提高高频无线充电材料的充电功率和温度稳定性；

29、3、通过设计主成分中少量氧化铜以掺杂的方式与辅助成分一起加入，改善微观结构，保证其有较高的密度和力学性能，降低材料应力各向异性，提高其抗磁场冲击和机械冲击能力，增加了材料可靠性。

技术特征：

1.一种高频无线充电用铁氧体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，主成分配比为fe2o3：48.0~49.5mol%、zno：17~23mol%、cuo：3~5mol%、nio：22.5~32mol%；步骤2中，以步骤1中主成分总摩尔量为计算基础，fe2o3：46.5~49.0mol%、cuo：1.5~4.5mol%、zno：17~23mol%、nio：22.5~32mol%，zno和nio的摩尔量与步骤1相同。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，主成分配比为fe2o3：48.5~49.0mol%、zno：18~21mol%、cuo：3.5~4.5mol%、nio：25.5~30mol%；步骤2中，以步骤1中主成分总摩尔量为计算基础，fe2o3：47.0~48.0mol%、cuo：2~3mol%、zno：18~21mol%、nio：25.5~30mol%，zno和nio的摩尔量与步骤1相同。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，将主成分湿法砂磨混合10~30min；所述步骤3中，将步骤2混合后的料浆在100~150℃下烘干12~24h，将烘干后的粉料过120目筛网后放入空气炉中预烧，预烧温度为850~1000℃，保温时间2~4h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：7000~13000ppm、sio2：2500~4500ppm、bi2o3：3000~8000ppm、moo3：3000~4000ppm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，以步骤1中主成分总重量为计算基础，co2o3：8000~12000ppm、sio2：3000~4000ppm、bi2o3：4000~7000ppm、moo3：3200~3800ppm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，砂磨时间为60~120min，最终的粉末粒径d50在1.0~2.0μm范围；所述步骤5中，将二次砂磨后的粉料与12~15wt%的pva混合造粒，将造粒完成的颗粒料过80目和240目筛网后压制成所需的生坯。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，将压制好的生坯以平衡氧分压方式进行烧结，烧结温度为1000~1150℃，保温时间为2~4h，氧分压为4~8%。

9.一种高频无线充电用铁氧体，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的制备方法制造而成。

技术总结
本发明提供了一种高频无线充电用铁氧体及其制备方法，主要通过调整主成分各元素含量，获得较高的复数磁导率实部和较低的复数磁导率虚部，以此来提高充电效率；其中，主成分中少量氧化铁以掺杂的方式与四氧化三钴一起加入，并以平衡氧分压方式烧结，形成了Co<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;2+</supgt;离子，可以改善高频大信号损耗和温度系数，提升无线充电的充电功率及温度稳定性；其中，主成分中少量氧化铜以掺杂的方式与辅助成分一起加入，改善微观结构，保证其有较高的密度和力学性能，降低材料应力各向异性，提高其抗磁场冲击和机械冲击能力，从而制备了一种性能优良且稳定的高频无线充电用铁氧体材料。

技术研发人员：李赟,韩晓平,张怀举,许晓亮,林波
受保护的技术使用者：天通控股股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23