Co?O?和Y?O?共掺杂对MnZn铁氧体高频损耗和宽温度稳定性的协同效应

《Materials Science and Engineering: B》：Synergistic effects of Co 2O 3 and Y 2O 3 co-doping on high-frequency loss and wide-temperature stability of MnZn ferrites

本研究通过共掺杂Co?O?和Y?O?优化MnZn铁氧体的高频损耗与宽温稳定性，实验表明最佳配比（800 ppm Co?O?和800 ppm Y?O?）使总损耗降至87 mW/cm3，并保持稳定性能于-20°C至100°C。

　　

李梦瑞|江红|蔡邦贤|刘丹|王明旭|徐善清|王莉

山东大学机械、电气与信息工程学院，中国威海

摘要

MnZn铁氧体是高频电力电子领域的关键软磁材料，其同时具备低功率损耗和宽温度稳定性至关重要。本研究系统地探讨了Co₂O₃和Y₂O₃共掺杂对MnZn铁氧体高频损耗行为和热稳定性的协同效应。通过传统的氧化物陶瓷制备方法制备了一系列Ta₂O₅含量固定、Co₂O₃/Y₂O₃比例不同的样品。在制备过程中，将Co₂O₃和Y₂O₃作为氧化物添加剂加入基础Mn-Zn-Fe氧化物粉末混合物中，经湿法行星球磨均匀化处理后进行造粒、压实和烧结。微观结构、电学和磁学表征结果显示，Y₂O₃通过细化晶粒和提高晶界电阻有效抑制了涡流损耗，而Co₂O₃主要通过补偿磁晶各向异性降低了残余损耗并提高了温度稳定性。在3 MHz和10 mT条件下，当Y₂O₃掺量为800 ppm（Co₂O₃固定为800 ppm）时，总损耗从317 mW/cm³降至87 mW/cm³，涡流损耗从212 mW/cm³降至69 mW/cm^{3₂O₃和800 ppm Y₂O₃的样品在3 MHz和10 mT下的功率损耗仅为87 mW/cm3，相比未掺杂样品降低了69.9%；同时在整个-20°C至100°C的温度范围内，功率损耗（P_cv）始终低于250 mW/cm3，并且保持了10 MHz的高截止频率。这些结果证明了掺杂剂的协同作用，并为设计高性能、低损耗的MnZn铁氧体提供了可行的策略。}

引言

MnZn铁氧体是一种重要的软磁材料，由于其高磁导率、高饱和磁通密度和相对较低的功率损耗，被广泛应用于开关电源和电磁干扰（EMI）抑制元件中[1]、[2]、[3]。随着电子设备的发展、新能源汽车、太阳能发电系统以及5G通信技术的快速推进，以及对能源效率和低碳运行的全球追求，对电子元件及其组成材料的要求也越来越严格[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。为了满足更高工作频率（1–3 MHz）和更高功率密度的需求（例如新能源汽车的车载充电器OBC和DC-DC转换器），用作磁芯材料的MnZn铁氧体不仅需要在高频下可靠运行，还必须在高频条件下保持严格的功率损耗控制，并在宽温度范围内表现出稳定的性能[9]、[10]。MnZn铁氧体的总功率损耗P_cv通常包括磁滞损耗（P_h）、涡流损耗（P_e）和残余损耗（P_r）[11]、[12]、[13]。这些损耗成分的相对贡献强烈依赖于激励条件。在亚MHz频率范围（例如100–500 kHz）和典型工作磁通密度下，P_cv主要由P_h和P_e主导[14]、[15]。随着频率的升高，P_r变得显著。当工作频率超过MHz范围时，P_r可能占总损耗的相当部分[16]、[17]，这凸显了在保持稳定磁性能的同时抑制P_e和P_r的必要性。实际上，这些损耗成分对频率、温度和微观结构具有不同的依赖性。因此，有效的损耗降低策略必须根据MnZn铁氧体的目标工作条件进行定制。例如，用CaO等传统氧化物掺杂可以提高电阻率从而抑制P_e[18]、[19]、[20]、[21]、[22]；而添加低熔点氧化物则可能在烧结过程中诱导液相形成，促进或抑制晶粒生长，从而改变微观结构和磁性能[23]、[24]。然而，尽管这些方法可以部分抑制P_e，但往往无法有效控制P_r，并且在大的温度波动下性能会显著下降。因此，开发能够在MHz频率范围内同时抑制P_e和P_r并保持宽温度稳定性的MnZn铁氧体，已成为下一代高性能电力电子系统中的关键技术挑战。

为了提高MnZn铁氧体的温度稳定性，设计和选择合适的添加剂是最有效的方法之一[9]。研究表明，引入Co²⁺离子可以通过调节磁晶各向异性来有效抑制温度依赖的损耗波动。Beatrice等人[25]报告称，用3000–4000 ppm的CoO掺杂MnZn铁氧体可以显著提高其在-20°C至130°C范围内的温度稳定性和磁导率，有效各向异性常数K_eff从-20°C时的43 J/m³降至130°C时的约13 J/m^{32+部分替代Fe2+可以在100 kHz和200 mT下将总损耗稳定在370 kW/m3以下，从而显著提高热稳定性。然而，单独使用Co2+掺杂不足以实现高频条件下的低损耗性能。Irfan等人[27]发现，向铁氧体中引入Y3+离子可以通过改变微观结构和电传输特性来有效降低高频损耗。在烧结过程中，Y3+离子优先在晶界处聚集，抑制晶粒生长，细化微观结构并提高晶界电阻，从而抑制Fe2+和Fe3+离子之间的电子跃迁。Luo等人[28]还发现，用0.1 wt%的Y₂O₃掺杂Ni-Zn-Co铁氧体可以细化晶粒，使体积密度增加到5.151 g/cm3，同时将矫顽力降低到153.75 A/m。将Y₂O₃含量增加到0.3 wt%后，6.78 MHz时的交流电阻从3.75 × 103 Ω·cm增加到8.63 × 103 Ω·cm，显著提高了截止频率和品质因数Q，使材料适用于高频、低损耗设备（如磁耦合共振无线充电系统）。这些效应共同有助于在高频操作下抑制损耗。然而，单独使用Y3+对材料温度稳定性的改善有限。这些发现突显了单一掺杂策略的局限性，并强调了探索Co2+和Y3+在各向异性控制、微观结构优化和电性能优化方面的互补作用的重要性。}

基于这些单一掺杂效应，现有研究越来越多地探索结合含Co添加剂和稀土相关掺杂剂（包括含Y添加剂）的共掺杂策略，以同时调节磁晶各向异性和晶界电传输[29]、[30]。通常认为，这种共掺杂可以实现更低的高频功率损耗和更好的热稳定性，尽管最佳性能窗口对掺杂比例和加工条件敏感[31]。特别是Co–Y共掺杂被认为具有互补作用：Y相关的晶界分离/细化可以增强电阻率并抑制涡流损耗，而Co相关的各向异性补偿可以稳定磁动态并减轻温度依赖的损耗变化[32]、[33]。然而，大多数现有研究集中在亚MHz条件或狭窄的温度范围内，针对1–3 MHz工作频率并量化宽温度激励下P_h/P_e/P_r重新分布的系统研究仍然有限。

为了在高频条件下（例如3 MHz）抑制MnZn铁氧体的功率损耗并同时提高其温度稳定性，本研究采用了Co₂O₃和Y₂O₃共掺杂策略来改善其磁性能。为了将共掺杂效应与其他添加剂的影响区分开来，所有样品的制备均基于固定的Ta₂O₅含量。采用单变量优化方法系统地调整了Co₂O₃/Y₂O₃比例。首先，在固定Co₂O₃浓度下优化Y₂O₃含量；随后，以最优Y₂O₃含量为基准调整Co₂O₃含量，确定最佳共掺杂配方。通过结合微观结构表征和详细的磁学及电学表征，阐明了Co₂O₃-Y₂O₃共掺杂对MnZn铁氧体磁性能的影响及其机制。本研究的新颖之处在于，在固定添加剂基准下的可控、逐步单变量优化能够清晰地归因于Co和Y的贡献，并通过基于机制的损耗分离将微观结构/电学变化与各损耗成分定量关联起来，从而表明Y₂O₃主要抑制涡流损耗，而Co₂O₃主要降低残余损耗并提高温度稳定性。此外，优化后的配方在MHz激励下的宽温度范围内得到了验证，为先进电力电子系统中紧凑型、低损耗的MnZn铁氧体核心材料的设计提供了实际指导。

样品制备

样品制备

MnZn铁氧体样品采用传统的氧化物陶瓷方法制备。原料Fe₂O₃（99%）、Mn₃O₄（97%）和ZnO（99%）的质量分数分别为69 wt%、23 wt%和8 wt%。将粉末与钢球和去离子水按3:1:1的质量比混合后进行球磨1小时。所得浆料在100°C下干燥，然后在980°C下空气中煅烧2小时。煅烧后的粉末再掺入800 ppm的Ta₂O₅

CY掺杂MnZn铁氧体的结构和物理性质

为了确定Co₂O₃/Y₂O₃共掺杂是否改变晶体结构或引入次要相，首先通过XRD进行了相鉴定，因为相纯度和晶格畸变为解释后续的微观结构演变和磁损耗行为提供了结构基础。图1展示了不同Co₂O₃/Y₂O₃（CY）含量的MnZn铁氧体的XRD图谱。所有样品均呈现单相尖晶石结构，衍射峰吻合良好

结论

本研究通过控制Co₂O₃和Y₂O₃的共掺杂，展示了MnZn铁氧体中明显的掺杂剂协同效应。在所研究的配方中，掺杂了800 ppm Co₂O₃和800 ppm Y₂O₃（C8Y8）的样品表现出最优异的综合性能。在3 MHz和10 mT的高频激励下，C8Y8样品的总功率损耗最低，为87 mW/cm³，截止频率最高，达到10 MHz，相比未掺杂样品降低了69.9%

CRediT作者贡献声明

李梦瑞：撰写——原始草稿、方法论、研究、概念化。江红：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、数据管理。蔡邦贤：撰写——审稿与编辑、可视化。刘丹：撰写——审稿与编辑、数据管理。王明旭：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。徐善清：撰写——审稿与编辑、监督、研究。王莉：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

资助

作者声明在撰写本手稿期间未收到任何资助、拨款或其他支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。