稀土添加对电磁加热用锰锌铁氧体磁条材料性能的影响

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电磁感应加热技术具有热转化效率高、环保安全、便于控制等优点,现已广泛应用于工业和生活各方面。电磁炉是电磁感应加热技术的具体应用,它的推广不仅极大地便利了人们的生活,也改善了我们日常烹饪的能源利用。当前电磁炉能效普遍在88%左右,如何进一步提升能效是目前面临的主要问题。磁条是电磁炉必不可少的部件,从一定程度上影响电磁炉的能效及安全性、稳定性,其主要材料是锰锌铁氧体。本文主要研究通过稀土添加改善锰锌铁氧体磁条材料的软磁性能。采用传统氧化陶瓷法制备了主配方为Fe2O3:ZnO:MnO2=52.5:12:35.5(摩尔比),并添加不同的稀土氧化物和传统添加剂CaCO3、Bi2O3等的锰锌铁氧体样品。研究了磁条材料制备工艺以及添加元素对组织和性能的影响,分析了稀土元素添加的作用机理。主要研究内容和研究结果如下:首先,制备了稀土氧化物La2O3、Yb2O3或Sm2O 3单一组分添加的锰锌铁氧体。结果表明,Sm2O3添加效果更好,可以改善组织均匀性,大幅降低样品矫顽力和磁损耗,添加0.01 wt.%Sm2O3的样品具有最优磁性能:在室温25℃、频率20 kHz、磁场强度100 mT下(摘要中振幅磁导率、矫顽力和磁损耗数据均为该测试条件下测得),振幅磁导率为3.31k,矫顽力为2.74 A/m,磁损耗为2.99 W/kg。其次,在不同烧结温度下制备了稀土氧化物Ce2O3、Sm2O3与CaCO3组合的二组元添加的锰锌铁氧体。结果发现,随着烧结温度或Ce2O3添加量升高,样品晶粒粒径增大;相同添加量下,烧结温度越高,样品振幅磁导率越高;烧结温度为1350℃时加入过量的Sm2O3易诱发异常晶粒生长,严重恶化样品磁性能。不同工艺下的样品具有不同的综合性能。烧结温度为1250℃、添加0.01 wt.%Ce2O3+0.05 wt.%CaCO3的样品振幅磁导率为1.56k,矫顽力为5.46 A/m,磁损耗为6.15 W/kg;烧结温度为1350℃、添加0.01 wt.%Ce2O3+0.05 wt.%CaCO3的样品,振幅磁导率为4.11k,矫顽力为10.55 A/m,磁损耗为12.05 W/kg;烧结温度为1300℃、添加0.01 wt.%Sm2O3+0.03 wt.%CaCO3的样品,振幅磁导率为2.38k,矫顽力为2.92 A/m,磁损耗为3.18 W/kg;烧结温度为1350℃、添加0.05 wt.%Sm2O3+0.03 wt.%CaCO3的样品,振幅磁导率为3.88k,矫顽力为13.47 A/m,磁损耗为16.01 W/kg。最后,采用正交实验的方法设计制备了Sm2O3+CaCO3+Bi2O3多组分添加的锰锌铁氧体。结果表明,多组分添加有利于提高样品振幅磁导率;相同频率下,组合添加总量低的样品起始磁导率更高、矫顽力和磁损耗更低。Sm2O3、CaCO3、Bi2O3添加量均为0.01 wt.%的样品起始磁导率约为2500,振幅磁导率为4.27k,矫顽力为4.44 A/m,磁损耗为4.86 W/kg;Sm2O3、CaCO3、Bi2O3添加量为0.05 wt.%、0.01 wt.%、0.05 wt.%的样品起始磁导率约为2250,振幅磁导率为5.30k,矫顽力为6.97 A/m,磁损耗为7.64 W/kg。本文研究表明,添加适量稀土有利于提高锰锌铁氧体材料性能,满足电磁炉应用相关要求。本文的结论可用于指导电磁加热用锰锌铁氧体磁条的生产,对于电磁加热技术的推广利用和节能减排具有积极意义。
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