邹姝颖，钟喜春，刘仲武，张翼飞，王开祥



V2O5掺杂改善锰锌铁氧体组织及性能的研究

邹姝颖1，钟喜春1，刘仲武1，张翼飞2，王开祥2

（1. 华南理工大学 材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2. 美的电热电器制造有限公司，广东 佛山 528311）

采用传统陶瓷法制备锰锌铁氧体，研究了不同V2O5掺杂量对锰锌铁氧体烧结试样微观结构及磁性能的影响。获得了适用于电磁加热的高性能MnZn铁氧体材料。结果表明，适量的掺杂V2O5能显著改善材料的微观结构，并且能明显提高材料的磁性能。当V2O5掺杂量为质量分数0.05%时，样品拥有最佳的磁性能，其振幅磁导率、比总损耗及矫顽力分别为1704，30.36 W/kg，4.8 A/m（100 mT，100 kHz）。

传统陶瓷法；锰锌铁氧体；V2O5掺杂；成相；微观结构；磁性能

目前，市场上的电磁炉电磁加热系统中使用的磁条普遍为锰锌铁氧体材料。磁条在电磁炉中主要作用为引导磁力线进入锅具，使锅具中产生更多的焦耳热[1-3]。在电磁炉加热系统中，磁条是其中重要的组件之一，市场上常使用的磁条主要有PC40、PC47、PC95等。以综合性能较好的PC95磁条为例，其适用频率范围为100~300 kHz，并在25~120 ℃温度范围内具有很低的功率损耗。而电磁炉的工作频率一般为20~30 kHz，工作温度范围处于60~120 ℃之间。磁条材料的使用条件远高于电磁炉的使用范围，如果大规模地采用PC95材料作为线圈盘磁条的话，势必会增加成本，从而造成资源的浪费，降低材料的性价比。因此开发出专用于电磁加热应用领域的高性能磁条材料，是非常有必要的。

电磁炉磁条材料对锰锌铁氧体性能的主要要求是在电磁炉工作频率内磁损耗及矫顽力较低而磁导率较高。影响磁条磁导率和磁损耗的因素很多，为了改善材料的磁性能，可以通过调整材料的原始配方、改善制备工艺、掺杂微量元素等方法来实现。

有研究[4-7]表明，在锰锌铁氧体中加入V2O5能使晶粒细化，提高样品密度，改善材料的磁性能。本文在前期研究基础上[8]，主要研究了掺杂V2O5对锰锌铁氧体组织及磁性能的影响，以期制备出适用于电磁加热领域的锰锌铁氧体磁条材料。

1 试验方法

实验采用传统的陶瓷法制备锰锌铁氧体样品，制备流程如图1所示[9-10]。

图1 陶瓷法制备锰锌铁氧体材料的工艺流程图

首先按摩尔比（Fe2O3:ZnO:MnO2）=52.5:12:35.5进行配方，一次球磨2 h后，在920 ℃下预烧2 h，在预烧料中分别掺杂质量分数0，0.01%，0.03%，0.05%，0.07%的V2O5，再二次球磨4 h，烘干后加10%（质量分数）的聚乙烯醇（PVA）水溶液造粒，再在100 MPa压力下将粉料压制成环，最后于1350 ℃下在氧含量为体积分数4%的氮氧混合气体中烧结3 h，在降温阶段通入高纯氮气随炉冷却。

2 实验结果与讨论

2.1 物相分析

图2为不同V2O5掺杂量的锰锌铁氧体样品室温XRD谱。从图中可以看到，所有烧结样品仍然形成了单一尖晶石相，并未有其他杂相产生。这是因为在烧结过程中，由于V5+半径(0.061 nm)小于Fe3+半径（0.067 nm），因此V5+可进入铁氧体晶格内部参与尖晶石相的形成[4]，而并未形成第二相。

图2 不同V2O5掺杂量的锰锌铁氧体样品室温XRD谱

2.2 微观形貌

图3是不同V2O5掺杂量的样品断口形貌照片。从图中可以看出，在没有添加V2O5时，样品晶粒生长不均匀，晶粒尺寸较为粗大，且在晶粒内部和晶界处有较多的气孔，气孔率较高，此时样品的密度为4.86 g/cm3（如表1为不同V2O5掺杂量的样品密度）；而添加V2O5后样品的晶粒尺寸明显减小，均匀性变好。随着V2O5添加量的适当增加，晶粒逐渐细化，均匀性变好且气孔显著减少，组织变得致密，在掺杂量达到质量分数0.05%时，样品密度达到最大。

（a）未掺杂；（b）0.01%；（c）0.03%；（d）0.05%；（e）0.07%

表1 不同V2O5掺杂量的样品密度

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

由此可见，不同V2O5掺杂量对材料的微观结构影响显著。这是由于V2O5的熔点在700 ℃左右，在铁氧体烧结过程中，V2O5会形成液相包裹在晶粒外面，液相浸润固相物颗粒使得颗粒间的反应面积增大，提高了反应速率，促进固相反应的进行[7]，从而促使晶粒长大，气孔减少，提高了样品密度，降低了晶界和晶粒内的气孔率，改善了铁氧体的显微组织。而当V2O5掺杂量过多时，由于晶粒生长过快，部分晶粒异常长大，从而降低了晶体组织的均匀性，恶化了显微组织。

2.3 磁性能

图4为不同V2O5掺杂量对锰锌铁氧体饱和磁感应强度（s）的影响。从图中可以看出，样品的s随着V2O5掺杂量的增加先增大后减小，并在V2O5的掺杂量为质量分数0.05%时，铁氧体的s达到最大。这是因为样品的s值主要依赖于主配方和样品密度。适当地添加V2O5，可使晶粒均匀生长，气孔减少，样品密度提高，因此样品的饱和磁感应强度增加；而当V2O5的添加量超过质量分数0.05%时，晶粒尺寸又开始增大，均匀性变差且气孔增多，密度减小，因此饱和磁感应强度减少。

图4 样品饱和磁感应强度随V2O5掺杂量的变化关系曲线

图5为铁氧体的起始磁导率i随V2O5掺杂量的变化关系图。从图中可知，在常温下随着V2O5掺杂量的增加，铁氧体的磁导率呈先增大后减小的趋势，当V2O5的掺杂量为质量分数0.05%时，铁氧体的起始磁导率达到最大值。这是因为磁导率和晶粒尺寸、烧结密度密切相关，随着V2O5掺杂量的增加，晶粒变得致密均匀，气孔率下降，密度增大，从而起始磁导率增大，而当V2O5的添加量超过质量分数0.05%时，晶粒均匀性变差且气孔增多，密度减小，畴壁位移和磁畴转动阻力增大，因此起始磁导率下降。

图5 起始磁导率随V2O5掺杂量的变化关系曲线

在100 mT、100 kHz的条件下测试了不同V2O5掺杂量锰锌铁氧体样品室温下的比总损耗s和矫顽力c，并选用20 kHz和100 kHz下的数据作对比分析，结果分别如图6，7所示。图6为不同V2O5掺杂量对铁氧体磁损耗的影响。从图中可以看出，在常温下随着V2O5掺杂量的增加，铁氧体的磁损耗呈先减后增的趋势，当V2O5掺杂量为质量分数0.05%时，磁损耗达到最小值，为30.36 W/kg。而当继续增加V2O5掺杂量时，样品的磁损耗开始增大。其原因是当样品中适量添加V2O5后，V2O5包裹着晶粒，起到液相烧结作用，能有效促进晶粒生长且抑制晶粒的吞并，使得晶粒均匀生长，气孔减少，晶界和晶粒内的气孔率降低，改善铁氧体的显微结构，畴壁位移和磁畴转动阻力减小，因此磁滞损耗减小；但是过量添加V2O5后，部分晶粒出现异常长大，晶界减少，气孔增多，气孔率增加，晶粒组织不均匀性增大，畴壁位移和磁畴转动阻力增大，磁滞损耗增大，从而使得磁损耗曲线呈现先减后增的趋势。

图6 磁损耗随V2O5掺杂量的变化关系曲线

Fig.6scurves of MnZn ferrites with different V2O5contents

图7所示为不同V2O5掺杂量对锰锌铁氧体样品矫顽力的影响。从图中可以看出，在常温下随着V2O5掺杂量增加，铁氧体的矫顽力呈先减小后增大的趋势，且当V2O5掺杂量为质量分数0.05%时，矫顽力达到最小值，为4.8 A/m，降低约72%。其原因是当样品中适量添加V2O5后，晶粒均匀生长，气孔减少，晶界和晶粒内的气孔率降低，铁氧体的显微结构改善，畴壁位移和磁畴转动阻力减小，因此矫顽力减小。

图7 矫顽力随V2O5掺杂量的变化关系曲线

3 结论

本文通过采用传统的陶瓷法制备锰锌铁氧体样品，研究了V2O5掺杂对锰锌铁氧体的物相结构、微观形貌和磁性能的影响，得到的主要结论如下：

（1）少量的V2O5掺杂对锰锌铁氧体的晶体结构没有影响，当掺杂量达到质量分数0.07%时，锰锌铁氧体仍为单一的尖晶石相。

（2）添加微量的V2O5时，锰锌铁氧体的微观结构得到改善，组织变得致密均匀、气孔率下降。当V2O5掺杂量超过质量分数0.05%时，部分晶粒出现异常长大，气孔增多，组织均匀性变差，性能开始恶化。

（3）添加微量的V2O5时，同时能有效地提高锰锌铁氧体磁性能。在本实验中，当V2O5的掺杂量为质量分数0.05%时，铁氧体具有最佳的磁性能。烧结样品的振幅磁导率、比总损耗和矫顽力分别为1704，30.36 W/kg，4.8 A/m（100 mT，100 kHz）。

[1] 刘祝山. 电磁感应式电磁炉加热技术研究[J]. 科技信息, 2011(25): 100-100.

[2] 许建民. 电磁灶商用市场现状和发展前景[J]. 现代家电, 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, 兰中文, 王京梅. 添加CaO, V2O5对高频MnZn铁氧体性能的影响[J]. 材料研究学报, 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] 张守华, 郁黎明, 洪芳, 等. V2O5含量与烧结温度对MnZn铁氧体性能的影响[J]. 功能材料(增刊), 2009, 40: 126-128.

[7] 刘娅, 余忠, 孙科, 等. CuO和V2O5对MnZn功率铁氧体性能的影响[J]. 压电与声光, 2011, 33(4): 623-627.

[8] 邹姝颖, 廖僖, 刘仲武, 等.电磁加热用MnZn铁氧体球磨预烧工艺研究[J]. 热加工工艺, 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. 锰锌铁氧体纳米粉体的烧结及掺杂性能研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2007.

（编辑：陈丰）

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

刘仲武

刘仲武（1971－），男，湖南邵东人，教授，主要研究方向为磁性材料、金属材料与纳米材料，E-mail: zwliu@scut.edu.cn ；邹姝颖（1994－），女，江西抚州人，研究生，主要研究方向为电磁加热用锰锌铁氧体磁条材料成分及工艺优化，E-mail: sally_1801170@163.com 。

2017-09-27 10:57

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.004.html