一种电感器及其制备方法与流程

本发明涉及电感器，具体为一种电感器及其制备方法。

背景技术：

1、电感器作为一种基础无源电子元件，在电子电路中承担着储能、滤波、振荡、延迟、陷波以及信号耦合等重要作用。随着电力电子技术、通信技术、新能源技术以及电动汽车产业的快速发展，电子设备不断向高频化、小型化、集成化、高效率和高可靠性方向演进，对电感器的性能提出了越来越高的要求。特别是开关电源和功率变换器中的功率电感器，其工作频率已从早期的几十千赫兹提高到数百千赫兹甚至数兆赫兹，同时要求电感器具有较低的直流电阻、较高的饱和电流、较小的体积和良好的电磁兼容特性。

2、决定电感器性能的核心部件之一是其软磁芯体。软磁芯体材料的选择和制备工艺直接影响电感器的电感量、品质因数、损耗、温度稳定性、饱和特性以及可靠性。锰锌铁氧体是软磁铁氧体中的重要一类，被大量用于开关电源变压器和滤波电感器中。然而，锰锌铁氧体的电阻率相对较低，随着工作频率升高，磁芯内部感应涡流沿晶粒内部和晶界流动，产生焦耳热损耗；同时，畴壁共振和自然共振引起的剩余损耗也急剧上升，导致磁导率下降，限制了其在高频段的应用。锂锌铁氧体则具有较高的电阻率，为了兼顾锰锌铁氧体和锂锌铁氧体的优点，研究人员尝试将两者进行复合。常见的复合方式包括物理混合、机械球磨、层叠烧结等。然而，简单的物理混合或机械复合往往难以形成均匀的微观结构和良好的界面结合。除了铁氧体材料本身的问题外，软磁铁氧体芯体在成型和烧结过程中通常需要添加烧结助剂，以降低烧结温度、促进致密化、改善微观结构和提高机械强度。常用的烧结助剂包括低熔点氧化物如氧化铋、氧化钒等，以及碱土金属化合物如碳酸钙、碳酸锶、碳酸钡等。低熔点氧化物在烧结过程中形成液相，加速物质迁移和致密化，但液相冷却后往往在晶界处形成非磁性或弱磁性玻璃相，这些玻璃相的存在会降低磁导率、增加畴壁钉扎，导致矫顽力增大、损耗升高。碱土金属化合物虽然可以促进晶粒均匀生长，但对提高晶界电阻的作用有限，难以有效抑制高频涡流损耗。此外，单一助剂往往难以同时兼顾低温烧结、高致密度、高电阻率晶界和良好磁性能等多方面要求。因此，开发具有协同作用的多组分烧结助剂体系，对于提高软磁铁氧体芯体的综合性能具有重要意义。

3、针对上述问题，本发明提出了一种电感器及其制备方法。通过构建以锰锌铁氧体为核体、以锂锌铁氧体为壳体、并在核壳之间设置钛锰锌锂铁氧体过渡层的复合结构，实现磁性能与高频性能的协同优化；同时采用由碳酸钙、氧化钽和二氧化锡组成的三元烧结助剂，通过液相促烧结、晶界高电阻化、晶粒细化等多重机制，进一步改善芯体的致密化程度、微观结构和综合磁性能。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种电感器及其制备方法。

2、所采用的技术方案如下：

3、一种电感器，包括软磁芯体，所述软磁芯体由核壳结构复合铁氧体和烧结助剂制成；

4、所述核壳结构复合铁氧体包括锰锌铁氧体核体、钛锰锌锂铁氧体过渡层和锂锌铁氧体壳体。

5、进一步地，所述锰锌铁氧体核体的化学结构式为：mn1-xznxfe2o4，0.25≤x≤0.45。

6、进一步地，所述钛锰锌锂铁氧体过渡层的化学结构式为：liyzn0.9-y-zmnzti0.2fe1.9o4，0.2≤y≤0.4，0.05≤z≤0.15。

7、进一步地，所述锂锌铁氧体壳体的化学结构式为：li0.5-0.5qznqfe2.5-0.5qo4，0.2≤q≤0.4。

8、进一步地，所述烧结助剂由碳酸钙、氧化钽和二氧化锡组成。

9、进一步地，所述碳酸钙、氧化钽和二氧化锡的质量比为1-3：1-3：1-3。

10、进一步地，所述核壳结构复合铁氧体和烧结助剂的质量比为1：1%-5%。

11、进一步地，所述软磁芯体的制备方法如下：

12、将核壳结构复合铁氧体与所述烧结助剂混合，加入粘结剂造粒，压制成坯体；将所述坯体烧结即得所述软磁芯体。

13、进一步地，所述核壳结构复合铁氧体的制备方法如下：

14、称取锰源、锌源和铁源，溶于水后采用沸腾回流共沉淀法制得锰锌铁氧体核体前驱体，将所述锰锌铁氧体核体前驱体在600-700℃预烧，随后分散于含有锂源、锰源、锌源、钛源、铁源和尿素的溶液中，密封在110-130℃反应12-48h后再静置陈化12-48h，收集沉淀，洗涤并干燥后再分散于含有锂源、锌源、铁源和尿素的溶液中，密封在110-130℃反应12-48h后再静置陈化12-48h，收集沉淀，洗涤，干燥即得。

15、进一步地，烧结温度为1150-1250℃。

16、进一步地，烧结保温时间为2-6h。

17、进一步地，预烧气氛和烧结气氛均为氩气。

18、本发明还提供一种包含上述软磁芯体的电感器。该电感器包括软磁芯体基座、扁平线圈以及金属磁粉包覆层。其中，软磁芯体基座由前述核壳结构复合铁氧体与烧结助剂制成，采用t型结构，可以为线圈提供绕制平台；扁平线圈套设于软磁芯体的绕线柱上，线圈两端引线经弯折后直接作为电极引脚；外部在常温下整体包覆金属磁粉，经热压固化形成一体式结构。

19、制备时，首先将扁平线圈定位套装于软磁芯体上，线圈根据电性需求可选用线径厚度为0.03-0.6mm的扁平线，匝数为5-30圈，并可设计为多层堆叠或螺旋绕制结构。在线圈排布上，可通过差模磁通抵消实现8-30db的差模抑制，或通过共模磁通叠加实现15-50db的共模滤波。随后，在线圈及芯体周围填充粒径范围为10-200μm的金属磁粉，磁粉材质可与软磁芯体基体相同，也可根据应用需求选用不同磁性材料。填充完成后，将整体置于模具中，在单穴范围0.8-1.5t、温度180±10℃、保压时间40-60s的条件下进行热压固化成型，得到一体成型电感器。

20、该电感器结构中，扁平线圈具有较高的导体填充率，可显著降低直流电阻和导通损耗；线圈两端直接弯折形成电极引脚，无需焊接，避免了焊点应力和折脚造成的隐性断线；金属磁粉紧密包覆线圈和软磁芯体，形成多向散热通道，有利于热量快速传导扩散，降低温升；同时，磁路连续无集中气隙，磁场分布均匀，有效避免局部磁饱和，提高饱和电流和性能稳定性。

21、通过上述软磁芯体与扁平线圈、金属磁粉包覆的协同配合，本发明电感器在保持优异磁性能的同时，实现了低直流电阻、高饱和电流、高可靠性和良好散热性能，特别适用于高频、大电流、小型化功率电感器领域。

22、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

23、本发明以锰锌铁氧体为核体，可以为芯体提供优异的磁化能力和储能密度；以锂锌铁氧体为壳体，利用其高电阻率和低高频损耗的特点，抑制高频下涡流的产生和传播。核体与壳体的功能分工使得芯体在低频下具有较高的磁导率和饱和磁通密度，在高频下又具有较低的损耗，从而实现宽频范围内优异的综合磁性能。

24、核壳结构虽然能够实现功能分工，但核体与壳体之间若直接接触，由于两者在晶格常数、热膨胀系数和烧结收缩特性上的差异，容易在界面处产生应力集中，形成微裂纹、孔隙甚至两相分离，导致磁导率下降和损耗增大。本发明在核体与壳体之间设置钛锰锌锂铁氧体过渡层，过渡层同时含有核体与壳体的主要组成元素，并额外引入钛离子，其晶格常数和热膨胀系数与核体及壳体均具有较好的匹配性，能够有效缓冲界面应力，避免界面缺陷的产生，提高核壳界面的结合强度和结构完整性。此外，过渡层中引入了钛离子。钛离子的引入可以改变铁氧体的磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数。磁致伸缩系数的降低有助于减小磁化过程中晶格畸变引起的应力损耗；磁晶各向异性常数的适当调整则有利于畴壁的可逆移动，降低畴壁共振损耗和剩余损耗。因此，过渡层的设置不仅改善了界面结合，还从本征磁性能角度进一步降低了高频损耗。

25、本发明采用碳酸钙、氧化钽和二氧化锡组成的三元烧结助剂体系，三者之间存在明显的协同效应。碳酸钙在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳。氧化钙可与铁氧体中的某些组分形成低熔点相，在烧结过程中产生适量液相，促进颗粒重排和物质迁移，加速致密化过程，降低烧结温度。氧化钽是一种高熔点、高电阻率的氧化物。在烧结过程中，氧化钽主要富集于晶界处，形成高电阻率的晶界相或偏析层。这种高电阻率晶界能够有效阻碍电子在晶粒之间的传导，显著提高材料的整体电阻率，从而降低高频下的涡流损耗。同时，氧化钽在晶界处的钉扎作用可以抑制晶界的迁移，阻止晶粒异常长大，使晶粒尺寸均匀细化。均匀细小的晶粒有利于提高材料的机械强度和频率稳定性。二氧化锡同样具有较高的电阻率和化学稳定性。二氧化锡在晶界处的存在可以进一步修饰晶界结构，与氧化钽协同形成连续的高电阻率晶界网络。此外，二氧化锡在高温下可以与部分铁氧体组分发生固相反应，生成具有高电阻率的复合氧化物，增强晶界的绝缘性和热稳定性。三者配合使用时，液相促烧结、晶界高电阻化、晶粒细化等多种机制协同发挥作用，使软磁芯体在较低的烧结温度下即可获得高致密度、均匀的微观结构、高电阻率晶界和优异的综合磁性能。

26、通过上述多重机制的协同作用，本发明的软磁芯体在初始磁导率、饱和磁通密度、高频损耗和温度稳定性等方面均表现出明显优势。综合性能提升显著，特别适用于高频、大电流、小型化的功率电感器。综上所述，本发明通过核壳结构设计、过渡层引入以及三元烧结助剂的协同作用，有效改善了现有软磁铁氧体芯体在高频下损耗大、温度稳定性差、界面结合不良以及致密化与高电阻率难以兼顾的问题，提供了一种高频低损耗、高磁导率、高饱和磁通密度的软磁芯体、电感器及其制备方法，具有广阔的应用前景和工业化推广价值。