MoO3掺杂对Mn0.816Zn0.091Fe2.093MoxO4微观结构与磁性能的影响

《Ceramics》：Effect of MoO3 Doping on the Microstructure and Magnetic Properties of Mn0.816Zn0.091Fe2.093MoxO4 Shuxin Liu, Xinglian Song, Changchun Wang, Wenju Liao, Zhen Wang and Haomiao Yu

　　

研究人员采用传统固相法制备Mn-Zn铁氧体，通过调控烧结温度与MoO3（三氧化钼）掺杂比例，系统探究其结构与磁性能的演变规律。实验以Fe2O3、MnO和ZnO为主要原料，在1125~1165°C、氧浓度1.5%条件下，设置MoO3摩尔掺杂量0~1000 ppm。结果表明，适量MoO3掺杂可提升品质因数（Q值）并降低损耗；X射线衍射（XRD）证实样品均形成单一尖晶石结构；扫描电镜（SEM）观察显示晶粒尺寸随MoO3含量增加而增大，与晶粒生长动力学增强趋势一致。在1150°C烧结、MoO3掺杂500 ppm的优化条件下，材料综合性能最优：25°C时Q值为22.3，100°C时为15.7；室温下500 kHz测试频率Q值为192.4，1 MHz时为137.2；对应损耗分别为27.1 kW/m3（25°C、500 kHz）、53.6 kW/m3（100°C、500 kHz）、88.2 kW/m3（25°C、1 MHz）、183.7 kW/m3（100°C、1 MHz）。此外，晶格常数稳定在8.52~8.53 ?，表明结构稳定性良好。

该研究发表于《Ceramics》，针对高频电力电子、开关电源等领域广泛应用的Mn-Zn铁氧体软磁材料在高频率、小型化、低损耗发展趋势下面临的晶粒均匀性与致密度瓶颈，开展MoO₃掺杂调控研究。研究人员采用传统固相法，以Fe₂O₃、MnO、ZnO为原料，设计正交实验覆盖1120~1165°C烧结温度与0~1000 ppm MoO₃掺杂梯度，结合X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）、B-H分析仪及高精度电感元件测试仪，系统表征晶体结构、价态分布、微观形貌及磁滞回线、品质因数（Q值）、损耗、有效磁导率等性能，揭示MoO₃掺杂浓度、工艺条件与微观结构、磁性能的关联机制，为解决常规Mn-Zn铁氧体高温高频损耗过高问题提供支撑。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于正交实验设计的多因素工艺调控，覆盖烧结温度与MoO₃掺杂浓度梯度；采用XRD分析物相组成，XPS表征元素价态，SEM-EDS观察微观结构与元素分布；通过B-H分析仪测量磁滞回线，高精度电感元件测试仪测试Q值、损耗与有效磁导率；在25°C/100°C温度与500 kHz/1 MHz频率下模拟实际工况开展性能评估。

研究结果如下：

3.1 MoO₃掺杂浓度对Mn_0.816Zn_0.091Fe_2.093Mo_xO₄性能损耗的影响

3.1.1 不同烧结温度对性能损耗的影响。研究发现损耗随MoO₃掺杂浓度增加呈先降后升趋势，500 ppm时最低；1150°C烧结样品整体损耗最低，此时晶粒结构与晶界电阻达到平衡，磁性能最稳定。适量MoO₃可促进晶粒细化、降低孔隙率、提升晶界电阻，通过抑制磁滞损耗与涡流损耗实现Q值提升，该效应遵循“适量有益、过量有害”规律，归因于低浓度Mo⁶⁺部分取代Fe³⁺并在晶界形成高阻层，有效降低涡流损耗。

3.1.2 不同测试温度与频率对性能损耗的影响。1 MHz下损耗普遍高于500 kHz，源于高频下磁畴壁响应滞后与涡流损耗增加，MoO₃对损耗的优化效应随频率升高而减弱。25°C与100°C下损耗均随掺杂浓度呈先降后升趋势，500 ppm时最低，此时材料磁畴结构稳定、内应力低，磁滞损耗与涡流损耗协同降低；过量掺杂（>500 ppm）导致孔隙率与孔径增大，磁畴壁运动阻力增加，损耗上升。100°C下损耗显著高于25°C，源于高温诱导磁畴热扰动，芯损增加且掺杂调控效应被削弱。

3.2 MoO₃掺杂浓度对Mn_0.816Zn_0.091Fe_2.093Mo_xO₄铁氧体结构与磁性能的影响

3.2.1 结构与形貌演变。SEM观察显示，随MoO₃含量增加，微观结构显著变化：250 ppm时存在少量微小孔隙与分散杂质颗粒；500 ppm时组织均匀致密、晶粒发育良好无异常生长，孔隙率低，Mo元素富集于三叉晶界与晶界处填充孔隙，为优异磁性能提供结构基础；750 ppm时孔隙率逐渐升高、晶粒尺寸增大，符合晶粒生长动力学增强规律；1000 ppm时密度显著降低、孔隙率升高且孔径明显增大，成为磁性能劣化的关键因素。XRD分析证实所有样品均为典型尖晶石结构，无杂相峰，Mo⁶⁺成功掺入晶格未破坏主相结构；晶格常数稳定在8.52~8.53 ?，符合“适量掺杂不引起显著晶格畸变”的结构稳定性规律；晶粒尺寸随掺杂浓度逐渐增加，与SEM观测结果一致。XPS分析表明，Mo⁶⁺引入调控Fe、Mn价态环境，诱导电荷补偿使部分Fe²⁺氧化为Fe³⁺，促进Mn保持高价态以减少氧空位，Zn²⁺配位环境保持稳定，从电子结构层面为性能优化提供依据。

3.2.2 磁性能变化。磁滞回线显示，100°C下回线略陡，饱和磁感应强度小幅下降，源于热能增强磁畴壁运动活性与热激发扰动磁矩取向。饱和磁感应强度随掺杂浓度先升后降，矫顽力先降后升，与晶粒尺寸、致密度及磁畴结构变化直接相关。500 ppm掺杂时，晶粒生长与致密化协同最优，孔隙少、晶粒尺寸适宜，磁畴壁运动更易、磁矩取向更有序，实现更高磁感应强度与更低矫顽力，软磁性能最佳。Q值与有效磁导率测试表明，Q值随掺杂浓度先升后降，500 ppm时达峰值，源于适量MoO₃作为助烧剂促进晶粒细化、降低孔隙率、提升致密性，进而降低矫顽力、减少损耗；有效磁导率呈先降后升趋势，初期因晶粒细化减少畴壁数量阻碍位移，后期因晶粒长大缩短畴壁位移距离。高温高频下Q值与有效磁导率普遍低于室温低频条件，源于热扰动与高频滞后效应削弱掺杂的正向调控作用。

讨论与结论部分总结：研究通过系统调控烧结温度与MoO₃掺杂比例，明确0~1000 ppm掺杂范围内样品均保持单一尖晶石结构，晶格常数稳定，晶粒生长符合动力学规律。确定1150°C烧结、500 ppm MoO₃掺杂为最优工艺，该条件下材料在高温（100°C）、高频（1 MHz）下仍保持最优性能，进一步验证了MoO₃掺杂“适量有益、过量有害”的特性。研究成果为高性能Mn-Zn铁氧体的成分设计与工艺优化提供了实验依据，对提升高频电力电子器件的效率与可靠性具有重要意义。