磁性晶界工程化的鐵氧體磁芯材料的制作方法
【專利摘要】一種復合材料可以包括一種晶粒組分以及一種納米結構的晶界組分。該納米結構的晶界組分可以是絕緣的且具有磁性的，以便提供該復合材料的更大的磁化的連續(xù)性。該晶粒組分可以具有約0.5至50微米的平均晶粒大小。該晶界組分可以具有約1至100納米的平均晶粒大小。該納米結構的磁性晶界材料具有至少約250mT的磁通密度。該晶粒組分可以包含MnZn鐵氧體顆粒。該納米結構的晶界組分可以包含NiZn鐵氧體納米顆粒。磁芯組件及其系統(tǒng)可以由該復合材料制成。
【專利說明】磁性晶界工程化的鐵氧體磁芯材料
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2011年5月9日提交的共同待決的美國臨時申請?zhí)?1/483，922的優(yōu)先權以及權益，這是因為所有主題是兩項申請所共有的。所述臨時申請的披露內容通過引用以其全文結合在此。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及適合用作(例如)利用開關式電源的設備中的以及其他電子裝置和應用中的磁芯(core)組件的材料。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有納米結構的磁性晶界材料的復合材料，該復合材料可以實施用于感應磁芯組件。
【背景技術】
[0004]感應磁芯和磁芯組件在眾多的電子應用中使用。如本領域技術人員可以認識到的，一個示例實現(xiàn)方式是開關式電源(SMPS)，即在多種電子裝置中使用的一種常見電源形式。其他應用包括變壓器、電力轉換器、發(fā)電機、電源調節(jié)組件、以及感應器，它們例如可以在電子掃描相控陣(ESPA)和電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)、用于無線和衛(wèi)星通信的調節(jié)組件、雷達系統(tǒng)、電力電子設備、感應裝置、以及利用開關式電源的系統(tǒng)、裝置或電子設備中使用。
[0005]SMPS的實例可以用于解釋對磁芯組件施加的一些要求和需求。一般來說，SMPS涉及輸入電源在完全開啟與完全關閉之間的重復切換。切換速率被測定為頻率。如本領域技術人員可以認識到的，流經這種系統(tǒng)的輸入功率能夠以多種方式來改變，以便產生一個特別希望的輸出信號。例如，輸入功率可以被調整、轉換、循環(huán)轉換、變換、逆變，與AC到AC電源、AC到DC電源、DC到DC電源、以及DC到DC電源相關聯(lián)的幅值或相位也可以進行許多其他改變。所有此類改變都能夠以特定的方式進行控制以產生具有特別希望的電壓和/或電流特征的一個輸出功率等級。
[0006]通過將能量捕獲并儲存在一個“磁芯”中，SMSP實現(xiàn)了比其他競爭電源如線性電源更高的效率。磁芯是由一種或多種磁性材料制成并且可以儲存由系統(tǒng)產生的能量的一種結構組件(在SMPS系統(tǒng)中并且也在大范圍的其他系統(tǒng)中使用)。由于磁性材料擁有高的儲存磁場(在此類應用中便捷的且可使用的能量形式)的容量，所以它們被用于制造磁芯。磁芯經常由如軟性鐵氧體的材料構建成，這是因為這些材料顯示出了高磁化強度、低導電率、以及低矯頑力(低剩余磁化強度)。
[0007]繼續(xù)SMPS的實例，SMPS的更高切換頻率與許多已知的益處如更高功率效率相關聯(lián)。增加的切換頻率還使SMPS系統(tǒng)大小能縮減，因為更小的切換周期會造成更低的儲存要求。換言之，更高切換頻率導致在磁芯中誘導(即，儲存)磁場的時間的量更短，這使得該磁芯中的磁場變得更小，從而使得該磁芯自身能夠縮減大小。
[0008]然而，最大切換頻率受到磁芯中特定類型的功率損耗的限制，該功率損耗在更高頻率下變得更明顯。具體地說，隨著操作頻率增大，功率效率變得高度依賴于“渦流損耗”(即，因磁芯內形成渦流而產生的損耗)。將渦流的存在和效應減到最低典型地成為了改進磁芯特征的最重要因素，對于高頻功率鐵氧體來說尤其如此。減少因鐵氧體材料中出現(xiàn)渦流而產生的磁芯損耗的一種已知方法是增加該磁芯材料的電阻率，因為電阻率總體上限制電流流動，并且尤其限制渦流的流動。本領域技術人員可以認識到，通過限制電子的移動，渦流變得愈加難以誘導，從而限制相關聯(lián)的損耗。
[0009]因此，限制渦流損耗的一些嘗試涉及將一種或多種高電阻絕緣材料散布在該磁芯的晶粒材料的晶界處，以便阻止電子流過絕緣體并且由此穿過該磁芯。然而，此類嘗試經常無法提供能夠在極高頻率(例如，大于IMHz)下操作的磁芯。減少渦流損耗的其他努力涉及實施具有高電阻率的鐵氧體材料。這些努力都遭遇了類似的缺點:在極高頻率下功率損耗更高以及該磁芯材料的總磁導率減小。
[0010]在許多情況下，在高頻下的令人不滿意的性能歸因于以下事實:規(guī)格需求趨于對磁芯施加矛盾的物理要求。由于磁特性的相互依賴性，同時優(yōu)化幾個磁特性常常是困難的或不可能的。因此，改進一個特性可能導致幾個其他特性的破壞。因此，現(xiàn)有的磁芯材料無法滿足日益嚴格的高頻要求。
[0011]本領域技術人員可以認識到，在將磁芯應用于不利用SMPS的其他系統(tǒng)和應用時，同樣存在與在此針對SMPS描述的磁芯相關聯(lián)的問題?？傮w來說，現(xiàn)有的感應磁芯無法滿足所希望的規(guī)格要求，在高頻下尤其如此。

【發(fā)明內容】

[0012]在本領域中需要一種能夠更好地滿足高頻操作要求的磁芯材料。在本領域中還需要實施這種材料的磁芯組件，如感應磁芯及其裝置和系統(tǒng)。本發(fā)明涉及解決這些需要的解決方案，除此之外還具有本領域技術人員在閱讀本說明書之后將認識到的其他所希望的特征。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種復合材料可以包含一種晶粒組分，該晶粒組分具有一個磁性鐵氧體相。可以包含一種納米結構的磁性晶界組分。該磁性晶界組分是具有磁性的并且絕緣的。該納米結構的磁性晶界組分具有大于約250mT的磁通密度。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，該納米結構的磁性晶界組分可以具有約IO8至IO12Q-Cm的電阻率。該納米結構的磁性晶界組分可以包括NiZn鐵氧體納米顆粒，這些鐵氧體納米顆粒具有的一個磁性鐵氧體相主要由Mn、Zn、Fe以及O元素組成。該晶粒組分可以包括一種MnZn鐵氧體材料。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，一種設備可以包括一種復合材料，并且該復合材料可以包括具有一個磁性鐵氧體相的一種晶粒組分。一種具有磁性的并且絕緣的納米結構的磁性晶界組分可以被包括在內。該納米結構的磁性晶界組分可以具有約250mT或更大的磁通密度。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，該設備可以是一種磁芯組件。該設備可以是選自下組的一種磁芯組件，該組由以下各項組成:鐵氧體環(huán)、鐵氧體板、鐵氧體盤、鐵氧體C型磁芯、鐵氧體Cl型磁芯、平面E型磁芯、EC型磁芯、EFD型磁芯、EP型磁芯、ETD型磁芯、ER型磁芯、平面ER型磁芯、U型磁芯、RM/I型磁芯、RM/LP型磁芯、P/Ι型磁芯、PT型磁芯、PTS型磁芯、PM型磁芯、PQ型磁芯、缺口環(huán)(gaped toroid)、線軸式磁芯、鐵氧體E型磁芯、以及鐵氧體EI型磁芯。該設備可以是包括一個磁芯組件的一種裝置，并且該磁芯組件可以包括該復合材料。該設備可以是包括一個磁芯組件的一種裝置，并且該磁芯組件可以包括該復合材料，并且該設備可以選自下組，該組由以下各項組成:變壓器、電子裝置、感應器、電力電子裝置、電力轉換器、感應器裝置、發(fā)送和接收模塊(TRM)、電子掃描相控陣(ESPA)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)、以及具有SMPS調節(jié)組件的通信裝置。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，一種用于制造復合材料的方法可以包括提供具有一個磁性鐵氧體相的一種第一組分?？梢蕴峁┚哂写判缘牟⑶医^緣的一種第二組分?？梢援a生該第一組分與該第二組分的混合物。在該混合物中，該第二組分可以被布置在該第一組分的晶粒的晶界處，從而形成一種納米結構的磁性晶界組分。該納米結構的磁性晶界組分可以具有約250mT或更大的磁通密度。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的又另外的實施例，該納米結構的磁性晶界組分可以包括NiZn鐵氧體納米顆粒。該第一組分可以包括MnZn鐵氧體顆粒。產生該混合物可以包括將該第一組分與該第二組分組合；形成該第一組分與該第二組分的混合物；干燥該混合物；并且根據(jù)粒徑分離該混合物?？梢詫⒃摶旌衔镄纬蔀橐粋€生坯?？梢詿Y該生坯。在燒結該生坯之前可以對該生坯進行加熱。該生坯可以成形為選自下組的一種磁芯組件，該組由以下各項組成:鐵氧體環(huán)、鐵氧體板、鐵氧體盤、鐵氧體E型磁芯、以及鐵氧體EI型磁芯?？梢蕴峁┮环N設備并且可以將該生坯布置在該設備中，并且該設備可以選自下組，該組由以下各項組成:變壓器、電子裝置、感應器、電力電子裝置、電力轉換器、感應器裝置、發(fā)送和接收模塊(TRM)、電子掃描相控陣(ESPA)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)、以及具有SMPS調節(jié)組件的通信裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]通過參考結合附圖的以下詳細說明，本發(fā)明的這些和其他特征將得到更充分的理解，其中:
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有布置在晶界處的NiFz鐵氧體納米顆粒的MnZn鐵氧體粉末的示意圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的幾個磁芯組件的示意圖；
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的電子應用、裝置應用以及系統(tǒng)應用的示意圖；
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明的多個方面的用于產生MnZn鐵氧體粉末的方法的流程圖；
[0024]圖5是根據(jù)本發(fā)明的多個方面的用于產生NiFz鐵氧體納米顆粒的方法的流程圖；
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明的多個方面的用于形成由MnZn鐵氧體粉末和NiFz鐵氧體納米顆粒制成的磁芯的方法的流程圖；
[0026]圖7是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，圖6的步驟432的執(zhí)行方式的實例的流程圖；
[0027]圖8是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，平均晶粒大小隨著NiZn鐵氧體納米顆粒濃度變化的測試結果的示圖；
[0028]圖9圖解了描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，四種性能特征隨著NiZn鐵氧體納米顆粒濃度變化的測試結果的四部分堆疊的示圖；
[0029]圖10圖解了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的示例復合材料的三個SEM圖像；[0030]圖11是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對不同操作頻率，功率損耗隨著NiZn鐵氧體納米顆粒濃度變化的測試結果的示圖；
[0031]圖12是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對具有不同NiZn鐵氧體納米顆粒濃度的不同樣品，飽和磁通量隨著外加磁場變化的測試結果的示圖；
[0032]圖13是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對NiZn鐵氧體納米顆粒濃度為2wt_%的樣品的不同的外加磁場，功率損耗隨著操作頻率變化的測試結果的示圖；
[0033]圖14是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對NiZn鐵氧體納米顆粒濃度為5wt_%的樣品的不同的外加磁場，功率損耗隨著操作頻率變化的測試結果的示圖；
[0034]圖15是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對NiZn鐵氧體納米顆粒濃度為7wt_%的樣品的不同的外加磁場，功率損耗隨著操作頻率變化的測試結果的示圖；并且
[0035]圖16是描繪了根據(jù)本發(fā)明的多個方面的，針對不同溫度，功率損耗隨著操作頻率變化的測試結果的示圖。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明的一個說明性實施例以此科學發(fā)現(xiàn)為根據(jù):在高頻(例如，約0.1至IOMHz)下操作的鐵氧體磁芯中實施不僅絕緣而且具有磁性的一種晶界材料可以是極為有益的。具體地說，已發(fā)現(xiàn)利用具有磁性的晶界材料可以通過提供所得磁芯材料的晶粒之間的磁連續(xù)性來極大地提高性能。這可以顯著改進擁有這種晶界材料的復合材料的凈磁通密度，從而提高實施此類復合材料的磁芯組件的性能。在此提供的測試結果證實了將絕緣的磁性材料提供在這些晶界處來產生在高頻下高效的磁芯的有效性。根據(jù)本發(fā)明的多個實施例利用了在晶界處包括一種絕緣的磁性組分的一種人工復合材料的一種設計，這反駁了本領域中的極大量的現(xiàn)有傳授內容以及常規(guī)想法。根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例，該絕緣的磁性組分具有至少約250mT的磁通密度。
[0037]磁芯的性能可以通過選擇高電阻的磁性晶界材料以及利用特別希望的磁芯材料(例如晶粒)粒徑和晶界材料粒徑得以進一步提高。然而，此類特征如粒徑、磁化強度的具體值、以及電阻率的具體值并不會限制本發(fā)明的實施例。相反，本發(fā)明涵蓋由具有絕緣的且有磁性的晶界材料的一種材料制成的任何磁芯材料、所得磁芯組件或所得裝置/系統(tǒng)應用。
[0038]本領域的常規(guī)傳授內容顯示增加在高頻下操作的一種磁芯材料的磁導率會導致更大的渦流損耗。這是因為從數(shù)學上來講，由渦流產生的趨膚深度與磁導率的平方根成反t匕。更小的趨膚深度與更高的電流密度相關聯(lián)，這容易放大電阻損耗的效應并且引起過熱。考慮到趨膚深度也與電流頻率成反比，迄今為止本領域的傳授內容是高頻操作要求具有相對低的磁導率的絕緣磁芯材料。例如，此傳授內容解釋了在電線中不使用鐵絲的原因。
[0039]因此，絕緣氧化物如Ca0、Si02、Ta205、Nb205典型地被用作在高頻下操作的磁芯中的晶界材料，因為它們具有高電阻率。雖然此類絕緣體在出于阻礙渦流的目的而增加電阻這方面是有效的，但諸位發(fā)明人已認識到此類絕緣氧化物與某些不希望的副作用相關聯(lián)。一個這樣的副作用是減小該復合材料的凈磁通密度。此類絕緣體降低了磁通密度，因為它們不具有磁化強度，這造成了該復合材料中的磁不連續(xù)性。另一方面，已發(fā)現(xiàn)磁化的連續(xù)性會增加該復合材料的磁效應，并且會增加復合材料的Bs和Ui的總體值。這是因為磁性晶界材料為總磁化提供了更多的磁自旋，并且還使得能夠增強由晶粒之間的磁自旋的相互作用所致的自旋的晶粒間磁耦合。更高的磁通密度會導致更大地誘導磁場，這通過在此提供的測試數(shù)據(jù)得到了直接證明。
[0040]利用絕緣氧化物作為晶界材料的另一個不希望的副作用是由這種實施所要求的晶界的大小所致的電子隧穿效應的可能性的增加。因為無磁性氧化物阻擋層會導致磁化減少，所以通常期望厚度薄的阻擋層以便保持高磁化。但采用薄阻擋層會產生電子隧穿的可能性增加這種副作用，因為更小的距離與更高的隧穿可能性相關聯(lián)。更高水平的電子隧穿會導致更低的有效電阻，因為隧穿可以允許電子流過，即使是在存在此類絕緣材料和氧化物的情況下。即使在隧穿的情況下，電子流也會導致源自電阻加熱和渦流的更高損耗。
[0041]因此，基于這些發(fā)現(xiàn)和認識，本發(fā)明的多個實施例實施包括絕緣的并且具有磁性的一種晶界材料的人工復合材料。在本發(fā)明的另外的實施例中，該晶界材料具有相對聞的電阻值和相對高的磁化強度值，以便進一步改進特定應用的特征。利用這樣一種絕緣的又具有磁性的晶界材料使得能夠在高頻范圍下進行有效操作。在本發(fā)明的一些實施例中，所得復合材料的操作頻率是約0.1MHz至約IOMHz。在本發(fā)明的又另外的實施例中，所得復合材料的操作頻率是約I至7MHz。
[0042]圖1至圖16圖解了根據(jù)本發(fā)明的由人工復合材料制成的鐵氧體磁芯的示例實施例，該人工復合材料包括具有磁性的并且絕緣的晶界材料，其中貫穿全文的相同零件由相同參考號標示。雖然本發(fā)明將參考附圖中圖解的示例實施例進行描述并且針對粒徑和具體材料(例如NiZn和MnZn材料)進行實施，但應理解許多替代形式也可以實現(xiàn)本發(fā)明。確切地說，許多其他類型的適合材料和相應大小都是可行的并且為本領域技術人員在閱讀本說明書后所理解。另外，本領域技術人員將另外認識到以與本發(fā)明的精神和范圍仍然一致的方式改變所披露的實施例的參數(shù)的不同方式，這些參數(shù)如大小、形狀、元素或材料的類型、晶粒材料的組成、晶界材料的組成、操作頻率范圍、材料的磁特性、優(yōu)化因素等等。MnZn和/或NiZn材料的說明性使用和它們相應的粒徑不以任何方式限制本發(fā)明的實施例。
[0043]圖1描繪了具有多晶MnZn鐵氧體晶粒112的多個幾何形狀的人工復合材料110，該多晶MnZn鐵氧體晶粒用作復合材料110的晶粒組分。多個鐵氧體晶粒112集體形成一種MnZn鐵氧體粉末。人工復合材料110還包括一種晶界組分。如圖1中所描繪，位于晶粒112的晶界處的是NiZn鐵氧體納米顆粒114,該NiZn鐵氧體納米顆粒具有非零值磁化強度并且是電絕緣的。在示例實施例中，MnZn鐵氧體晶粒112可以具有約0.5至50微米的平均粒徑。在另外的示例實施例中，該鐵氧體晶粒組分的平均粒徑是約I至10微米，并且另外可以是約3至4微米。在示例實施例中，NiZn鐵氧體納米顆粒114可以具有約I至100納米的平均粒徑。在另外的示例實施例中，該晶界組分的平均粒徑可以是約I至50納米，并且更確切地說可以是約I至20納米。在又另外的示例實施例中，該晶界組分的平均粒徑是約10至20納米。NiZn鐵氧體與MnZn鐵氧體的比例可以控制在約lwt_%至20wt_%之內，以便增強復合材料110的高頻磁特性以及其他性能特征。在另外的實施例中，可以將這個比例控制到約lwt-%至15wt-%,而在又另外的實施例中可以將該比率控制到約lwt-%至lOwt-%。晶粒材料與晶界材料的比率可以基于所希望的性能特征和目標應用(例如裝置類型、電路類型、目標系統(tǒng)應用等等)來選擇。
[0044]在示例實施例中，該MnZn鐵氧體粉末可以由富含F(xiàn)e的非化學計量的(Μηα 62Zn0.38)Fe2.2504± Δ與添加劑TiO2(約0.lwt-%至lwt-%)制成。該MnZn鐵氧體粉末可以具有約300至1000的起始磁導率μ 1、約400至500mT的磁通密度Bs、大于約200°C的居里溫度Tc、以及約500至5000 Ω -cm的電阻率。本領域技術人員將認識到這些數(shù)值都是說明性的并且不以任何方式限制根據(jù)本發(fā)明的實施例的復合材料。
[0045]在示例實施例中，NiZn鐵氧體納米顆粒114可以由缺乏Fe的非化學計量的Ni(1_x)ZnxFeyO4 (其中x等于約0.3至0.7并且y等于約1.70至1.95)制成。NiZn鐵氧體納米顆粒114可以擁有約5至100的起始磁導率μ 1、約250至500mT的磁通密度Bs、以及約IO8至IO12Q-Cm的電阻率。在另外的示例實施例中，磁通密度是約340mT并且電阻率是約IO8至IO9Q-Cm0本領域技術人員將認識到這些數(shù)值都是說明性的并且不以任何方式限制根據(jù)本發(fā)明的實施例的復合材料。
[0046]復合材料110的起始磁導率μ i可以是約300至1000，復合材料110的磁通密度Bs可以大于約450mT，復合材料110的居里溫度Tc可以是約220°C至300°C，并且復合材料110的電阻率可以是約IO3至105Q-cm而在又另外的實施例中可以是約104Q-cm。
[0047]圖2描繪了包含復合材料110并且由該復合材料構造的磁芯組件116。磁芯組件116可以是任何已知的磁芯組件或鐵氧體零件，包括鐵氧體板118、鐵氧體環(huán)120、鐵氧體E型磁芯122、鐵氧體EI型磁芯124、鐵氧體盤126、以及其他磁芯組件和鐵氧體零件。例如，其他磁芯組件和鐵氧體零件包括鐵氧體C型磁芯、鐵氧體Cl型磁芯、平面E型磁芯、EC型磁芯、EFD型磁芯、EP型磁芯、ETD型磁芯、ER型磁芯、平面ER型磁芯、U型磁芯、RM/1型磁芯、RM/LP型磁芯、P/Ι型磁芯、PT型磁芯、PTS型磁芯、PM型磁芯、PQ型磁芯、缺口的圓環(huán)、線軸式磁芯、以及任何其他磁芯組件或鐵氧體零件。磁芯組件116的具體形狀和大小取決于以下因素，如目標裝置應用、操作頻率范圍、輸入信號類型(AC、DC、幅值、相位等等)、輸出信號類型(AC、DC、幅值、相位等等)、以及其他可調整的因素。這些因素以及它們如何影響具體的磁芯組件116在本領域中是眾所周知的。
[0048]一般來說，本領域技術人員可以認識到根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁芯組件(例如，感應磁芯)可以用于許多應用，包括用于SMPS系統(tǒng)、電力調節(jié)器、發(fā)電機、電力轉換器、以及許多其他應用之中。圖3描繪了幾個示例應用，包括利用根據(jù)本發(fā)明的實施例的復合材料110和/或利用磁芯組件116的電子組件、電子裝置、以及系統(tǒng)。確切地說，圖3描繪了變壓器130、電子組件132、感應器/反應器134、以及電力電子裝置136，例如利用SMPS的電力電子裝置。作為另外的非限制性實例，電子組件132可以是電力轉換器138 (例如，AC到AC轉換器、AC到DC轉換器、DC到AC轉換器、以及DC到DC轉換器)、感應裝置140 (例如，高頻感應加熱器、不間斷供電系統(tǒng)、電流傳感器、濾波感應器、以及其他感應裝置)、調節(jié)組件、以及其他電子組件/裝置。作為另外的實例，電力電子裝置136可以是發(fā)送和接收模塊(TRM)142、電子掃描相控陣(ESPA)系統(tǒng)144、電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)146、具有一個SMPS調節(jié)組件的通信裝置148 (例如衛(wèi)星通信裝置、無線通信裝置、雷達裝置、以及其他通信裝置)以及其他電力電子裝置。這些實例證實了電子組件132和電子裝置136可以是利用、適合利用或涉及SMPS的任何已知的電子組件/裝置。因此，圖3的這些具體說明性實例并未將本發(fā)明的實施例限制于此類應用。
[0049]圖3的所有裝置、電子組件、以及系統(tǒng)都可以根據(jù)本領域技術人員所熟知的多種方法來構建和使用?？紤]到這些方法在本領域中是熟知的并且普遍的，關于此類裝置的制造和使用的另外細節(jié)和描述是多余的且不必要的。[0050]但是，為清楚起見，在此參考圖4至圖7描述了用于制造根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的磁芯組件116的一種示例方法。對于MnZn鐵氧體粉末來說，生產可以涉及本領域技術人員已知的常規(guī)技術。例如，可以使用一種陶瓷加工技術。在一個示例實施例中，該MnZn鐵氧體粉末被制造成具有Mn。.62ZnQ.38Fe2.2504± s化學成分。為了實現(xiàn)這種成分,可以稱量約53mol%Fe203、約29mol%Mn0、以及約18mol%Zn0并且將它們混合在具有約0.lwt%至
1.0wt%Ti02的添加劑的一個行星式磨機之中。然后在約900°C下將這些混合氧化物煅燒約5小時。接著研磨并且篩分這些煅燒的粉末以便得到這些煅燒的MnZn鐵氧體顆粒的特別希望的粒徑。例如，粒徑范圍可以是約0.5至50 μ m，或在另外的示例實施例中可以是約I至10 μ m，或在又另外的示例實施例中可以是約3至4μπι。如本領域技術人員所認識的，這些大小、材料、以及其他相關偏好可以根據(jù)所利用的具體濃度以及目標應用和所希望的性能特征來改變。
[0051]圖4描繪了用于制造NiZn鐵氧體納米顆粒114的一種示例方法。在示例實施例中，NiZn鐵氧體納米顆粒114可以被制造成具有Nia6Zna4Fe1^O4化學成分。首先，將起始材料混合以形成一種混合物(步驟410)?？梢詫⑦@些起始材料以適當?shù)姆腔瘜W計量的比例按以下數(shù)量進行混合:約8.90wt-%的氯化亞鐵(FeCl2.4H20)、約1.7wt-%至
4.0wt-%的乙酸鋅二水合物(C4H6O4Zn.2H20)、約1.7wt_%至4.0wt-%的乙酸鎳四水合物((C2H3O2) 2Ν?.4H20)、以及約85.32wt-%的氫氧化鈉(NaOH)。在混合之前或在混合步驟期間，這些材料可以是粉末形式。接著，該混合物連同一種或多種鹽以及一種或多種氯化物可以一起添加到含有乙二醇的一個大容器中以生成一種溶液(步驟412)。可以將乙二醇預熱至約100°C至200°C的溫度，并且在另外的示例實施例中可以將乙二醇加熱至約160°C的溫度?？梢岳萌魏芜m合的加熱機構如熱板來進行加熱。該大容器可以是例如平底燒杯。乙二醇可以是本領域中已知的任何適合形式的乙二醇；例如，可以使用四乙二醇。
[0052]隨后可以使用一個電動攪拌器將該溶液混合(步驟414)。如本領域技術人員所認識的，混合可以在300rpm下進行I小時，或者在適于實現(xiàn)相同效果的攪拌速率和時間的任何其他組合下進行?？梢愿鶕?jù)顆粒的質`量將攪拌過的溶液分成離散的顆粒組(步驟416)。這可以使用標準離心技術來進行。接著，可以進行沖洗以便去除多余的乙二醇(步驟418)。例如，該沖洗可以是一種甲醇沖洗，或可以涉及任何其他已知的沖洗劑。這種沖洗的結果是NiZn鐵氧體納米顆粒114的收集。NiZn鐵氧體納米顆粒114的具體大小可以根據(jù)所得磁芯組件的目標應用而改變。NiZn鐵氧體納米顆粒114可以具有約I至IOOnm的大小。在另外的示例實施例中，NiZn鐵氧體納米顆粒114的大小是約I至50nm,并且更確切地說約I至20nm,并且在又另外的示例實施例中,NiZn鐵氧體納米顆粒114的大小是約10至20nm。這些大小可以根據(jù)所利用的具體濃度以及目標應用和所希望的性能特征來改變。
[0053]所制造的材料的相純度可以使用如X射線衍射(XRD)的技術來確認。此外，粒徑可以使用掃描電子顯微術(SEM)和透射電子顯微術(TEM)來確認。
[0054]圖5描繪了制造根據(jù)由MnZn鐵氧體顆粒112和NiZn鐵氧體納米顆粒114制成的復合材料110的一種可壓粉末的一種不例方法。該可壓粉末可以用于形成磁芯組件116。首先，通過行星式球磨機將MnZn鐵氧體顆粒112與NiZn鐵氧體納米顆粒114混合在乙醇中，持續(xù)4至10小時(步驟420)。NiZn鐵氧體顆粒與NiZn鐵氧體顆粒的比例可以控制在約lwt-%至20wt-%之間。在幾個示例實施例中，該比例被維持在約2wt-%、約5wt-%、以及約7wt-%。一旦混合，就將該混合物干燥以形成一種粉末(步驟422)。例如，干燥可以在100°C下進行。接著，根據(jù)粒徑來分離該粉末(步驟424 )。這可以包含用一個#200篩子來篩分該粉末。一旦獲得所希望的粒徑，就將該粉末轉化成一種可壓粉末(步驟426)。這可以通過添加約5wt-%至10wt-%的粘合劑來進行。在此類實施例中，可以將約10wt-%的聚乙烯醇-PVA溶液與該粉末混合。這可以提供這樣的益處:一旦該粉末被擠壓，就給予其額外的強度。
[0055]該可壓粉末隨后按粒徑來分離(步驟430)，例如經由穿過一個#40篩子的篩選。這種造粒可以增強所得鐵氧體粉末在稍后的模壓步驟過程中的流動特征。確切地說，該粘合劑可以促進在壓縮過程中的顆粒流動，并且大概是通過形成顆粒-粘合劑-顆粒類型的結合來增大顆粒之間的結合。
[0056]如圖6中所描繪，該可壓粉末可以形成為一個生坯(步驟432)。例如，這可以涉及形成具有圓環(huán)形狀的一個生坯并且使該形成的生坯經受I至2噸/cm2的單向壓力?？梢允褂玫湫偷臄D壓機構。本領域技術人員可以認識到精確數(shù)量、壓力分布以及其他形成特征可以在很大程度上取決于所形成的生坯的類型以及所形成的磁芯組件116的最終裝置或目標應用。所有此類情況均涵蓋在本發(fā)明的范圍之內。在此處描述的具有圓環(huán)形狀的示例生還中，該生還可以進一步具有約13至18mm的外徑、約5至8mm的內徑、以及約1.5至3mm的厚度。
[0057]接著，該可壓粉末的粘合劑組分可以經由加熱(步驟434)，例如同時暴露于空氣或另一種適合的氧化環(huán)境中來燃燒。在圖6的說明性操作中，使用了高達約600°C的加熱速率。然后，可以例如在氮氣氣氛條件下在約1150°C至1250°C下對磁芯組件116燒結約2至10小時(步驟436 )。在所希望的氣氛條件下的低氧分壓可以通過增加氮氣的流動速率例如I至5ml/分鐘來控制。以下 表1中詳細描述了一種說明性燒結方案。
[0058]
【權利要求】
1.一種復合材料，該復合材料包含: 一種晶粒組分，該晶粒組分具有一個磁性鐵氧體相；以及 一種納米結構的磁性晶界組分，該磁性晶界組分是具有磁性的并且絕緣的； 其中該納米結構的磁性晶界組分具有大于約250mT的磁通密度。
2.如權利要求1所述的復合材料，其中該納米結構的磁性晶界組分具有約IO8至IO12Q-Cm的電阻率。
3.如權利要求1所述的復合材料，其中該納米結構的磁性晶界組分包含NiZn鐵氧體納米顆粒，該鐵氧體納米顆粒具有的一個磁性鐵氧體相主要由Mn、Zn、Fe、以及O元素組成。
4.如權利要求1所述的復合材料，其中該晶粒組分包含一種MnZn鐵氧體材料。
5.一種包含復合材料的設備，其中該復合材料包含: 一種晶粒組分，該晶粒組分具有一個磁性鐵氧體相；以及 一種納米結構的磁性晶界組分，該磁性晶界組分是具有磁性的并且絕緣的； 其中該納米結構的磁性晶界組分具有約250mT或更大的磁通密度。
6.如權利要求5所述的設備，其中該設備是一種磁芯組件。
7.如權利要求5所述的設備，其中該設備是選自下組的一種磁芯組件，該組由以下各項組成:鐵氧體環(huán)、鐵氧體板、鐵氧體盤、鐵氧體C型磁芯、鐵氧體Cl型磁芯、平面E型磁芯、EC型磁芯、EFD型磁芯、EP型磁芯、ETD型磁芯、ER型磁芯、平面ER型磁芯、U型磁芯、RM/1型磁芯、RM/LP型磁芯、P/Ι型磁芯、PT型磁芯、PTS型磁芯、PM型磁芯、PQ型磁芯、缺口環(huán)、線軸式磁芯、鐵氧體E型磁芯、以`及鐵氧體EI型磁芯。
8.如權利要求5所述的設備，其中該設備是包括一個磁芯組件的一種裝置，并且另外其中該磁芯組件包含該復合材料。
9.如權利要求5所述的設備，其中該設備是包括一個磁芯組件的一種裝置，并且另外其中該磁芯組件包含該復合材料，并且另外其中該裝置是選自下組，該組由以下各項組成:變壓器、電子裝置、感應器、電力電子裝置、電力轉換器、感應器裝置、發(fā)送和接收模塊(TRM)、電子掃描相控陣(ESPA)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)、以及具有SMPS調節(jié)組件的通信裝置。
10.一種用于制造復合材料的方法，該方法包括: 提供具有一個磁性鐵氧體相的一種第一組分；并且 提供具有磁性的并且絕緣的一種第二組分； 產生該第一組分與該第二組分的混合物； 其中，在該混合物中，該第二組分被布置在該第一組分的晶粒的晶界處，從而形成一種納米結構的磁性晶界組分；并且 其中該納米結構的磁性晶界組分具有約250mT或更大的磁通密度。
11.如權利要求10所述的方法，其中該納米結構的磁性晶界組分包含NiZn鐵氧體納米顆粒。
12.如權利要求10所述的方法，其中該第一組分包含MnZn鐵氧體顆粒。
13.如權利要求10所述的方法，其中產生該混合物包括: 將該第一組分與該第二組分組合； 形成該第一組分與該第二組分的混合物；干燥該混合物；并且 根據(jù)粒徑來分離該混合物。
14.如權利要求10所述的方法，進一步包括: 將該混合物形成為一個生坯；并且 燒結該生坯。
15.如權利要求14所述的方法，進一步包括在燒結該生坯之前對該生坯進行加熱。
16.如權利要求14所述的方法，其中該生坯成形為選自下組的一種磁芯組件，該組由以下各項組成:鐵氧 體環(huán)、鐵氧體板、鐵氧體盤、鐵氧體E型磁芯、以及鐵氧體EI型磁芯。
17.如權利要求14所述的方法，進一步包括提供一種設備并且將該生坯布置在該設備中，其中該設備是選自下組，該組由以下各項組成:變壓器、電子裝置、感應器、電力電子裝置、電力轉換器、感應器裝置、發(fā)送和接收模塊(TRM)、電子掃描相控陣(ESPA)系統(tǒng)、電子戰(zhàn)(Eff)系統(tǒng)、以及具有SMPS調節(jié)組件的通信裝置。
【文檔編號】C08K3/08GK103765524SQ201280031300
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年5月8日 優(yōu)先權日:2011年5月9日
【發(fā)明者】陳亞杰, 文森特·G·哈利斯 申請人:變磁公司