（材料学专业论文）fesial磁粉芯制备及性能研究.pdf

、。二o - a 1 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：啦 恳o ，栉 学位论文作者签名：工次 日期：泖孑7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：二已交 导师签名： 亏e 专砺 签字日期：_ 形子7 7 签字日期： 嘲7 - - ) v -卜，1 t 一 - 卜一【卜 一 一i 川，j-ii_j - 0 弋 i 毫 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 金属磁粉芯是采用粉末冶金工艺制造的一种软磁材料，其特殊的磁性能使得其在许 多应用场合具有其它材料难以比拟的优势。2 1 世纪以来，科技进步需要各种高性能电子 器件，由此对磁粉芯提出了更高的要求。f e s i a l 磁粉芯因其具有电阻高，高频损耗低等 特点，且价格低廉，被广泛应用于高频下做电感铁芯。 本文研究了f e s i a l 磁粉芯制备过程中钝化处理，绝缘包覆，压制成型，热处理等 工艺因素对f e s i a l 磁粉芯磁性能及力学性能的影响。 绝缘工艺是磁粉芯制备的关键工艺。首先，在不加入云母时，考察粘结剂种类对磁 粉芯性能的影响，初步探索粘结剂的影响；其次，在上述绝缘方案的基础上，添加少量 云母，考察粘结剂含量对样品磁性能和力学性能的影响；最后，确定云母为绝缘剂，考 察云母添加量对磁粉芯样品磁性能的影响，确定合适的添加量。 实验发现，在一定范围内增加粘结剂用量和云母添加量，可有效提高磁粉芯频率特 性，降低高频损耗；当云母含量为1 o ，硅酮树脂含量为3 5 时，磁粉芯综合磁性能最 好； 压力是保证磁粉芯获得好的磁性能和力学性能的基础，增大压力有利于增大样品的 密度，提高磁导率，提高压溃强度；但压力过大也会带来负面影响，使磁粉芯内的应力 及缺陷增加，因此对压力的确定要考虑绝缘层的承受能力；当成型压力为1 8t c m 2 时， 磁粉芯的综合磁性能最好； 热处理也是影响磁性能的重要工艺，热处理可提高样品的磁导率，降低涡流损耗； ， 在保证绝缘层不被烧蚀的情况下，要尽可能提高热处理温度；此外，热处理时需要一定 的保温时间，以使磁粉芯内部的应力释放完全：采用6 6 0 l h 的热处理工艺，样品磁 性能最好； 不同粉末粒度磁粉制成的磁粉芯性能不同，粗粉制成的磁粉芯磁导率高，但涡流损 耗大，样品的恒导磁性差。高恒磁导率的获得在于控制粉末粒度和粒度分布，提高磁粉 芯的密度；适当增加细粉比例有利于减少涡流损耗，提高磁粉芯的高频性能；当粒度配 比为：1 0 0 + 1 5 0 目占4 ，1 5 0 - - + 2 5 0 目占8 ，2 5 0 , - - + 3 2 0 目占3 4 ，3 2 0 目占5 4 时，样品磁性能最好； 一i i 东北大学硕士学位论文摘要 采用最优化工艺：绝缘剂云母含量为1 0 ，粘结剂硅酮树脂含量为3 5 ，成型压 力1 8t c m 2 ，热处理。6 6 0 ( 2 l h ，粒度配比：1 0 0 + 1 5 0 目占4 ，1 5 0 + 2 5 0 目占8 ， 2 5 0 - + 3 2 0 目占3 4 ，3 2 0 目占5 4 ，制得的磁粉芯性能：磁导率1 2 7 9 4 ，单位质量 损耗1 2 4 3 9 w k g ，强度2 8 5 m p a 。 关键词：f e s i a l 磁粉芯，磁导率，损耗，涡流损耗 一i i i 一 ， j ， ， ， t 东北大学硕士学位论文 a bs t r a c t s o f tm a g n e t i cc o m p o s i t em a t e r i a l sa l ep r o d u c e db yp o w d e rm e t a l l u r g yp r o c e s s ，t h e i r s p e c i a lp r o p e r t i e sa r ec a l l tb ec o m p a r e db yo t h e rm a t e r i a l s i nt h e2 1t hc e n t u r y , s o f tm a g n e t i c c o m p o s i t em a t e r i a l sh a v er e c e n t l yr e g a i n e di n t e r e s t 嬲m a g n e t i cc o i e sf o re l e c t r i c a lc o n v e r t s f e s i a lm a g n e t i cp o w d e rc o r ei s w i d e l yu s e di nh i g hf r e q u e n c y b e c a u s eo fi t sh i g h r e s i s t a n c e ，l o wm a g n e t i cc o r el o s s ，a n dl o wp r i c e i nt h i sp a p e r , w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to ft h et e c h n o l o g i cp r o c e d u r ep a r a m e t e r s o nm a g n e t i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff e s i a lm a g n e t i cp o w d e rc o r e s c o n c e r n i n gt h em o s ti m p o r t a n ti n s u l a t i o np r o c e d u r e ，f i r s to fa l l ，t h ek i n d so f i n s u l a t i o n s o l v n tw a sc h o s e nw i t h o u ti n s u l a t i o ns o 雒t oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fb o n ds o l v e n t s e c o n d l y , b a s e do nt h ef i r s ti n s u l a t i o ns c h e m e , a d d i n gs o m em i c a ，t h ei n f l u e n c eo f c o m p o n e n to fb o n ds o l v e n tw a ss t u d i e d ；t h el a s tb u tn o tt h el e a s t ，m a k i n gs u r et h em i c ai s m a i ni n s u l a t i o n , t h ea d d i t i o no f m i c aw a si n v e s t i g a t e dt oo b t a i nt h ep r o p e ra d d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：h i g hm a g n e t i cp e r m e a b i l i t y , l o wc o r el o s so fs a m p l e sw e r eg o t w h e ni n c r e a s i n gb o n dp r o p o r t i o na n dm i c ai nac e r t a i n t yr a n g e ；w h e nm i c ac o n t e n ti s1 o ， r e s i nc o n t e n ti s3 5 ，t h em a g n e t i cp r o p e r t i t yi sb e s t ； c o m p a c t i o np r e s s u r ei s t h eb a s e m e n tt or e c e i v eh i 曲m a g n e t i cp r o p e r t ya n dg o o d s t r e n g t h , a d d i n gp r e s s u r ei sb e t t e rf o rp e r m e a b i l i t ya n ds t r e n g t h ；b u tm u c ht o ob i gp r e s s u r e w i l lm n gb a de f f e c t ，s oi t si m p o r t a n tt oc o n s i d e rt h ea b i l i t yo fi n s u l t a n tt om a k es u r ep r o p e r p r e s s u r e ；t h eb e s tc o m p a c t i o np r e s s u r ei s18t c m 2 ； a n n e a l i n gt r e a t m e n ti s a l s oa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y , t h r o u g ha n n e a l i n g , m a g n e t i c p o w d e rc o r ec a l lg e th i g hm a g n e t i cp e r m e a b i l i t y , a n dl o wc o r el o s s i t sn e c e s s a r yt oi m p r o v e t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew h e nt h er e s i ni sn o tb u md o w n a d d i t i o n , i t sa l s oi m p o r t a n tt o c o n t r o la n n e a l i n gt i m et om a k es u r et h es t r a i ni nt h em a g n e t i cp o w d e rh a sf u l l yr e l e a s e d ；t h e b e s ta n n e a l i n gt r e a t m e n tp r o c e s si s6 6 0 1 2 x 1 h ； m a g n e t i cp r o p e r t yo fm a g n e t i cp o w d e rc o r e sm a d ew i md i f f e r e n ts i z eo fp o w d e ra 佗 d i f f e r e n t m a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo fm a g n e t i cp o w d e rc o r ew i t hb i gs i z ep o w d e ri sh i g h ，b u ti t s i v - 查! ! 垄兰塑主堂堡垒查垒堕空生 _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - i - - - l _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ - 一。 e d d yl o s si sa l s ov e r yh i g h t or e c e i v eg o o dp r o p e r t y , t h es i z eo ft h ep o w d e rm u s tb e c o n t r o l l e d , a n dp r o p e ra d d i t i o ni sg o o dt og e td o w n t h ee d d yc u r r e n tl o s ss oa st oi m p r o v ei t s p r o p e r t yu n d e rh i g hf r e q u e n c y ；, t h eb e s ts i z ec o m p o u n d i s4 o f - l o o + 1 5 0 ，8 o f 1 5 0 - + 2 5 0 ，3 4 o f 2 5 0 - - + 3 2 0 ，5 4 o f - 3 2 0 ； o p t j m u 加p r o c e s s ：i n s u l t a n tw i t h1 o m i c a , b o n dw i t h3 5 r e s i n , c o m p a c t i o np r e s s u r e i s1 8 讹m 2 ，锄c a l i n ga t6 6 0 c l o tl h , s i z ec o m p o u n di s4 o f - 1 0 0 - - - + 1 5 0 ，8 o f - 1 5 0 - + 2 5 0 ，3 4 o f 2 5 0 - - + 3 2 0 ，5 4 o f 3 2 0 ；m a g n e t i cp r o p e r t y ：p e r m e a b i l i t yi s1 2 7 9 4 ，m a g n e t i c t c o r el o s si s12 4 3 9 w k g ；s t r e n g t hi s2 8 5 m p a k e y w o r d s ：f e s i a im a g n e t i cp o w d e rc o r e ，p e r m e a b i l i t y , m a g n e t i cc o r el o s s ，e d d y l o s s v f ： 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明l 摘要i i a b s t r a c t i v 第一章绪论l 1 1 软磁材料概述l 1 1 1 软磁材料的发展历程1 1 1 2 软磁材料的分类2 1 2 磁粉芯5 1 2 1 磁粉芯的发展历程5 1 2 2 磁粉芯分类6 1 2 3 磁粉芯的应用9 1 2 4 金属磁粉芯材料的发展现状1 0 1 2 5 磁粉芯发展方向1l 1 3 磁粉芯的制备工艺l l 1 3 1 磁粉芯制备工艺l l 1 3 2 金属粉末的制备1 2 1 3 3 粘结剂与耦联剂1 5 1 4 论文目的及意义。l7 第二章实验技术与方法1 8 2 1 试验样品的制备1 8 2 1 1 样品制备的工艺流程1 8 2 1 2 粉体预处理1 8 2 1 3 绝缘包覆。1 9 2 1 4 磁粉芯的压制成型2 0 2 1 5 磁粉芯成型后热处理2 l 2 2 试验样品的组织结构分析与性能测试2 2 2 2 1 磁粉芯密度测算2 2 2 2 2 动态磁性能测试2 2 2 2 3 磁粉芯强度测试2 3 - v i - 东北大学硕士学位论文目录 2 2 4 形貌分析2 3 第三章实验结果与分析2 4 3 1f e s i a l 粉末形貌2 4 3 2 绝缘包覆对磁粉芯性能的影响2 4 3 2 1 绝缘粘结剂的作用。2 5 3 2 2 粘结剂对磁粉芯性能的影响2 6 3 2 3 绝缘剂对磁粉芯性能的影响3 3 3 2 4 小结3 6 3 3 成型压力对磁粉芯性能的影响3 7 3 3 1 成型压力对磁粉芯磁性能的影响3 7 3 3 2 成型压力对磁粉芯强度的影响4 l 3 3 3 小结4 1 3 4 热处理对磁粉芯性能的影响4 2 3 4 1 热处理温度对磁粉芯性能的影响4 2 3 4 2 退火时间对磁粉芯性能的影响4 5 3 4 3 小结4 6 3 5 粉末粒度对磁粉芯性能的影响4 7 3 5 1 单一粒度对磁粉芯性能的影响4 7 3 5 2 粒度配比对磁粉芯性能的影响4 9 3 5 3 小结5 1 3 6 断口形貌分析5 2 结论5 3 参考文献5 4 i 致谢。5 7 v i i - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 软磁材料概述 软磁材料是容易磁化和退磁，矫顽力低的磁性材料【n 。软磁材料要求具备四“高” 四“低”的基本特点：高的磁导率，高的饱和磁通密度，高电阻率以及高的稳定性；低矫 顽力，低损耗，低磁致伸缩系数和低磁晶各向异性。软磁材料被广泛的应用于各种电力 设备与电子器件中，电力、电子设备的小型化、轻量化、节能、高灵敏度使人们生活更 加便利，对环境的影响越来越小。 1 1 1 软磁材料的发展历程2 l 软磁材料在工业中的应用始于十九世纪末。随着电力工业及电讯技术的兴起，开 始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁 粉、氧化铁、细铁丝等。n - - 十世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的 效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。二十世纪初期， 随着电话技术的发展，提出了在弱电工程中用高磁导率材料的要求，此时，铁镍系等各 类软磁合金就应运而生。到二十年代，无线电技术的兴起，则更促进了它们的发展。大 体上可以把1 9 3 0 年以前的时期看作金属软磁材料发展的第一阶段。 从三十年代到四十年代，金属软磁材料在品种、性能和应用等方面都有了迅速的发 展。这期间研制出了多元坡莫合金、铁硅铝粉状高磁导率合金和单取向硅钢。并研究了 坡莫合金的感生各向异性及坡莫合金和铁钴合金的有序晶格结构( 超结构) ，建立了铁 镍和铁钴中添加第三组元的三元系相图。这一时期可看作为金属软磁材料发展的第二阶 段。 从四十年代到六十年代，是科学技术飞速发展的时期，这期间，电子技术和仪器仪 表的发展，对金属软磁材料的磁性能提出了更高的要求。因而研制出了高矩形回线合金、 高磁导率合金、磁性薄膜、双取向硅钢、高磁感应强度增量和扁斜回线合金等。软磁铁 氧体也在这一期间迅速发展起来。这是金属软磁材料发展的第三阶段。 进入七十年代，电讯、磁记录、自动控制和遥控、电子计算机等迅猛发展，相应地 要求金属软磁材料具有高效率、高稳定性、高可靠性、高耐用性、以及低的价格等。研 制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料一非晶态软 一1 一 -，0 lllil卜ili卜fl【i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 磁合金。 1 1 2 软磁材料的分类 软磁材料的种类很多，大致可分为金属软磁材料及软磁铁氧体【3 1 。金属软磁( 合金) 材料是磁性材料中用途最广，用量最大的一类材料。包括有纯铁、硅钢( f e - s i 系合金) 、 坡莫合金( f e - n i 系合金) ，仙台合金( f e s i 砧系合金) 等。随着电讯、磁记录、自动控制 和遥控、电子计算机等的发展，电子技术己更加广泛地成为现代科学技术和工业生产的 重要基础，为了适应这些不断增长的技术要求，软磁材料己从传统的多晶晶态材料发展 到薄带薄膜材料，甚至超薄材料，并进一步发展到微晶和纳米晶薄带。 1 1 2 1 硅钢片 硅钢指的是碳的质量分数在o 0 2 以下，硅的质量分数一般为0 5 0 , - 6 5 的铁合金。 电工用硅钢片按材料生产方法，结晶织构和磁性能可分为以下四类鸭( 1 ) 热轧非织构 ( 无取向) 的硅钢片；( 2 ) 冷轧非织构( 无取向) 的硅钢片；( 3 ) 冷轧高斯织构( 单取 向) 的硅钢片；( 4 ) 冷轧立方织构( 双取向) 的硅钢片。 硅钢片主要用于各种形式的电机、发电机和变压器中，在扼流圈、电磁机构、继电 器、测量仪表中也大量使用。硅钢具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度( 2 0 t 以 上) ，作为变压器铁芯使用时可以在很高的幅值磁通密度( b m ) 下工作。但是，硅钢在常 用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高， 一般只能工作在2 0 k h z 以下。硅钢片的生产工艺复杂，其机械性能与硅含量、晶粒大 小、结晶织构、有害杂质( 碳，氧，氢) 含量分布状况以及钢板厚度有关；在很大程度 上取决于有害杂质含量、冶炼方法、轧制的压下制度、退火温度和介质以及钢板表面状 况等。硅钢片的磁性能同样与硅含量、冶炼过程、热处理工艺、晶粒大小有关。 1 1 2 2 坡莫合金 坡莫合金是指n i 的含量为3 5 9 0 的铁镍合金【5 1 。坡莫合金的显著特点是具有很高 的初始磁导率和最大磁导率，极低的矫顽力。由于其性能特点，这类合金对微弱信号反 一应极灵敏，适于做扼流圈、音频变压器、高精度电桥变压器、互感器、录音机磁头铁芯 等。普通的坡莫合金由铁和镍组成，通过适当的轧制和热处理，它们能够具备高磁导率， 同时也可以合理搭配铁和镍的含量，获得比较高的饱和磁感应强度。但是，这种坡莫合 金的电阻率低，力学性能不好，所以实际应用并不很多。通过对成分( 改变n i 含量，添 加一种或几种合金元素，如m o ，c u ，c r 和t i 等) 和工艺的调控，可以获得各种各样的具 有不同特点的坡莫合金，其品种的繁多，可算软磁材料中之最。目前大量应用的坡莫合 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钼、铜等。添加这些元素能增加材料的电 阻率，减小铁芯涡流损失。同时，添加元素也可以提高材料的硬度，提高磁头用材料的 使用寿命。坡莫合金的生产过程比较复杂，因此，制备工艺对性能的影响较大，如板材 轧制的工艺，退火温度、时间，退火后的冷却速度等对材料磁性能都有很大影响。 1 1 2 3 软磁铁氧体 一软磁铁氧体材料是品种最多、应用最广的一类磁性功能材料，也是铁氧体材料中发 展最早的一类材料。自从1 9 3 5 年荷兰p h i l i p 实验室研究开发成功，至今已有七十多年 的历史，其性能也已得到了很大的改进和提高【j 。这类材料具有高的本征电阻率p ，因 此，具有金属软磁材料无法比拟的高频性能，且价格低廉，并可制成各种形状的磁芯， 因而，在高频区一般都使用软磁铁氧体材料。但由于它们的饱和磁感应强度b s 低，只 适合于小功率和低场下使用，在大功率器件和高场中不能应用。 1 1 2 4 非晶软磁合金 非晶软磁材料的出现，是软磁材料发展中的突破性进展 9 - - m l 。非晶态合金由于其结 构上的特点无序结构，不存在磁晶各向异性，因而易于磁化；而且没有位错、晶界等 晶体缺陷，故磁导率、饱和磁感应强度高；矫顽力低，损耗小，是理想的软磁材料。非 晶材料的电阻率比晶态材料高3 4 倍，故可大大减少涡流损耗。若电工器件采用非晶材 料，其损耗可降到o 1 , - - 8 0 9 w k g 。此外，非晶材料硬度大，韧性和耐磨性都好，所以它又 非常适宜于用作磁头材料。 非晶软磁材料分为：铁基非晶合金，其特点是饱和磁感应强度高，一般为1 6 1 8 t ； 损耗低，只有硅钢的1 1 4 , - , 1 5 。缺点是磁致伸缩系数大。宜于制作功率变压器。钴基 非晶合金，其特点是饱和磁感较低，初始磁导率很高，矫顽力很低，交流损耗小。适宜 制作传递小功率能量和中等电压信号的磁性元件，如高频变压器、静噪滤波器、传感器 和磁头等。铁镍基非晶合金，其饱和磁感和磁导率等软磁性介于钴基和铁基非晶合金 之间。饱和磁感应强度为o 7 1 o t ；磁致伸缩系数较铁基合金低。适合于制作传递中等 功率和中等强度电压信号的变压器。 非晶软磁材料性能比较稳定，与硅钢片相比铁损可降低7 0 ，噪音降低2 0 。用这 类材料制作的器件，估计其寿命可达2 0 3 0 年。国外许多公司对非晶态软磁材料的开发 十分重视，如日本近年在这方面投资达2 0 0 亿日元【1 1 1 。为了适应一些电子器件小型化的 需要，其工作频率越来越高，于是导致了极薄非晶合金条带的开发。如把3 8 w n 厚的 ( f e c o c r ) 7 5 ( s i b ) 2 5 非晶软磁材料作为铁心用，则在1 0 0 k h z ，1 m h z ，2 m h z ，5 m h z 和l0 m h z - 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 下工作时，其铁损w e ( 在b m = o i t 时的铁损) 分别为0 2 3 ，1 0 ，1 5 ，4 0 和7 3 j m 3 。与 此相比，若把5 岬厚的晶态超坡莫合金作为铁心用，并在1 0 0 k h z ，1 m h z ，2 m h z ，5 m i - i z 和1 0 m h z 下工作时，其铁损分别为0 8 ，2 8 ，4 9 ，9 7 和1 6 5 j m 3 ，可见相差不小。非 晶合金的细丝和粉末，还具有优异的机械性能，如f e 7 8 s i l 2 b 合金纤维，其断裂强度高 达7 3 5 0 m p a 。非晶软磁粉末，用作压粉磁芯，很有前景，目前，用溅射法制备的非晶薄 膜( 主要是c o z r - n b 系列) 己经投入市场。总之，非晶态合金作为软磁材料有很广阔的应 用前景，但也不应忽视存在的问题：( 1 ) 温度对磁的不稳定性影响比较大，尤其当开始 出现结晶时，矫顽力增加，铁损及磁导率也随之变化；( 2 ) 非晶态软磁合金的高磁导率 性能只停留在铁镍合金水平上；( 3 ) 非晶软磁合金作为电力设备铁芯使用时，不能制出 很宽的薄板，批量生产成本高，饱和磁感应强度比硅钢低。 表1 1 典型软磁材料性能特点和应用范围的比较 t a b l e l 1c o m p a r a t i o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h et y p i c a ls o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s 材料类型优点 缺点应用 硅钢 软磁铁氧体 坡莫合金 非晶( f e 基，c o 基， f e 二n i 基) 纳米合金c u ，n b 的 f b s i b 系 饱和磁感应强度高， 低品损耗小， 制造成本低 高频损耗小， 成本低， 成型方便 高磁导性， 损耗小 综合磁性为前三类 优点 有优异的综合磁性 能，良好的工艺，成 本低等优点 磁导率低， 中频损耗大 饱和磁感应强度低， 不利于变压器小型 化，导磁性差，中高 频大功率变压器使 用仍受限制 饱和磁感应强度低， 高频大功率变压器 使用仍受限制。 对温度稳定性差，使 用频率不超过2 0 k h z 低频变压器和电机， 其产量很大 小功率高频电源变 压器 交流互感器， 中频变压器 高频变压器 霍尔传感器等电力 电子技术领域 - 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 磁粉芯 磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁性颗粒 很小( 高频下使用的为0 5 5 9 m ) ，又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔 绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有较低 磁导率及恒导磁性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化 也就较为稳定；再者粉芯可以制备成各种形状的异型件，用于不同的领域；最后，工业 上破损的带材可以粉碎为磁粉，然后制成磁粉芯，这样可以降低损失，提高材料的使用 价值。 1 2 1 磁粉芯的发展历程f 1 6 1 磁粉芯被广泛用于电讯、雷达、电视、电源等技术中作为电感滤波器、调频扼流圈 及开关电源主振铁芯，其工作频率可以从数十周到兆周范围。早在2 0 年代，美国贝尔 电话公司首先用纯铁粉研制成功磁粉芯，并用于电话传输线的负载电感。为进一步提高 磁导率，e l m e n 采用7 8 n i f e 合金使铁芯的磁导率提高两倍，1 9 4 0 年l e g g 选用 2 m o 8 1 n i f e 研制成的磁粉芯使性能进一步提高。第二次世界大战期间，日本与德 国分别发明铝硅铁合金( s e n d u s t ) 加工制成磁粉芯取代需n i 的磁粉芯。1 9 5 6 年美国海 军军械实验室h u b b a r d 将s e n d u s t 热轧成鳞片，使提高2 - - - , 3 倍，后来e l m e n 和a d a m s 将钼坡合金粉轧成鳞片使1 上 3 0 0 ，但损耗较大。1 9 6 4 年西屋电气公司a l f r e d 等用水浸 处理、铝酸盐处理、油处理来提高磁导率降低损耗。同时二次大战以后铁氧体兴起及迅 速发展对于一些要求不高的系统逐渐由罐形铁氧体取代，较高的h 可达3 0 0 ，其指标已 达到或超过一般磁粉芯水平，因价廉而占领了磁粉芯大量市场。故6 0 年代以后磁粉芯 虽有了一些改进，但进展不大。1 9 8 4 年美国联合公司用f e s i b 非晶作成粉末，压制成非 晶磁粉芯，从此为磁粉芯的进一步开发注入了新的活力。1 9 8 8 年，y o s h i z a w a 等人报导 了纳米晶f e 7 3 5 c u 4 n b 3 s i l 3 5 8 9 合金，它具有饱和磁感高，磁导率高，稳定性好的特点， 熟处理后带材变脆容易加工成合金粉等特点，可能制成一种新型超微晶磁粉芯。自从 y o s h i y a w a 等人首先在经非晶化研制出具有优异软磁性能的纳米晶磁性材料以来，由于 其性能优异，价格低廉，得到迅速发展，作为高新技术产品，纳米晶合金的应用产品大 都用薄带卷绕方式制成，其粉末及粉末制品用作磁性器件的研究开发工作不多，国外这 方面也仅是研究报道，应用甚少，未见到上市产品。国内仅有少数单位进行环氧树脂粘 制磁粉芯的开发研究，由于其磁导率低，推广应用有困难，尚不能形成产品。 我国磁粉芯研究只是在6 0 年代才开始，1 9 6 6 - 1 9 7 2 年由于我国军工发展的迫切需 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 要成为磁粉芯的鼎盛时期。8 0 年代以后就处于低潮期，这近二十年的时间主要还以仿制 为主。国内主要对含钼坡莫合金磁粉芯进行了系统的工艺实验研究，而且还开发了中镍 ( 5 0 n i ) 的磁粉芯产品，并在1 9 8 5 年制定了n i 8 8 m o l 2 、n i s o f e 5 0 二种磁粉芯的国家标准。 近年来，国内对磁粉芯的化学成分分析、电磁性能、金相组织、粉末粒度形貌等也使用 了不少电子光学仪器和各种谱仪进行了研究，结合目前对国外高质量磁粉芯的剖析，相 信不久纳米晶软磁粉芯就将在理论上与工艺上出现较大的进步，使高新技术产业中的磁 器件高效化、小型化和轻型化成为可能。同时，我国有许多发展磁性材料的有利条件， 我们要充分利用这个机遇，大力加强纳米晶软磁粉芯的研究与开发，缩短与国外先进技 术的差距。相信随着新型纳米微晶磁性材料研究的日益深人和广泛，定会迎来一个微晶 磁性材料高新技术应用的新时代。并对经济建设、国防实力、学科发展以及社会进步产 生巨大的影响。 1 2 2 磁粉芯分类 1 7 , 1 8 1 在众多的电力电子设备中，噪声是主要的电路干扰源，必须使用各种滤波器件以降低 噪声。磁粉芯作为差模电感的主要元件，在滤波器中起着关键的作用【1 9 , 2 0 l 。为了得到较 好的滤波效果，要求磁粉芯材料具有以下性能特征：高的饱和磁感应强度；宽的恒导磁 特性；良好的频率特性：良好的交直流叠加特性；低的损耗特性。针对以上要求，相继发 展了铁粉芯、切口非晶合金铁芯、铁镍钼粉芯( m p p 粉芯) 等电感用软磁材料，这些材料 在不同的应用条件下发挥了各自的优势和作用。按粉芯的组成和性能可分为以下几类。 1 2 2 1 纯铁磁粉芯 铁粉芯是由羟基铁磁粉粒和树脂羟基铁磁粉粒构成的，在磁粉芯中价格最低，其饱 和磁通密度在1 4 t 左右，相对磁导率在1 0 - , 1 0 0 。初始磁导率受频率的影响小，在高频工 作时损耗大，使用频率在1 0 0 k n z 以下，在u p s 中用作p f c 电感和输出滤波电感的铁芯， 在计算机电源中用作输出滤波电感的铁芯，在e m i 滤波器中用作差模电感的铁芯，在汽 车发动机中用作电喷系统的点火线圈。铁粉芯因其具有较高的磁特性，且价格较低、产 品性能稳定而成为制造差模滤波器和无源p f c 电感及功率扼流圈最廉价实用的材料，但 一般情况下应用于对空间要求不高的场合。此外，铁粉芯还可以替代需要有气隙的铁氧 体和硅钢片铁芯。 1 2 2 2 坡莫合金粉芯 坡莫合金粉芯即铁镍钼粉芯，其化学组成为：8 1 镍、2 钼、1 7 铁粉，属低损耗 粉芯。主要特点是高电阻率、低涡流损耗和磁滞损耗、高直流偏场下电感的高稳定性和 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 高的温度稳定性。它也是一种带分布气隙的环形磁粉芯，其相对磁导率在1 4 5 5 0 ，饱和 磁密在0 7 5 t 左右，磁导率的温度稳定性高，受直流偏磁的影响小；当工作磁密在0 2 t 以下时，磁导率漂移很小；电阻率很高，在磁粉芯中损耗最低；磁致损耗系数接近于零， 在磁粉中价格最高；居里温度达到4 6 0 。坡莫合金粉芯的激磁安匝数小于5 0 0 a ，当相 对磁导率肼的值在1 2 5 5 0 0 时，适合的工作频率为5 0 h z - l k h z ：当肼的值在1 2 5 - 2 0 0 时，适合的工作频率为l 一1 0 k h z ；当肼的值在1 0 - - 1 2 5 之间时，适合的工作频率大于 l o o 妞z 。 坡莫合金粉芯的主要用途有：1 ) 在反激变换器中做主变压器的铁芯；2 ) 在b u c k b o o s t 变换器中做电感器的铁芯；3 ) 做功率因数校正电感的铁芯；4 ) 做e m i 滤波器电感、高品 质因数滤波电感及谐振电感的铁芯。 1 2 2 3 铁镍合金粉芯 铁镍合金粉芯属高磁通密度粉芯，其化学组成为：5 0 镍、5 0 铁粉。它也是一种 带分布气隙的环形磁粉芯，其相对磁导率在1 4 - 1 6 0 ，饱和磁感应强度在1 5 t 左右，在磁 粉芯中最高，故直流偏磁能力高，还具有大的贮能容量、损耗比羰基铁粉芯低。 高磁通粉芯由于其饱和磁感应强度，铁芯损耗小，用作高频、大功率、高直流偏磁 或高交流磁密峰值的磁性器件铁芯具有优势。因此其主要用途有：1 ) 用作开关电源中储 能电感的铁芯。2 ) 用作e m i 滤波器中差模电感的铁芯。3 ) 用作反激变换器的主变压器、 功率因数校正电感和脉冲变压器的铁芯。 1 2 2 4 铁硅合金磁粉芯 铁硅合金磁粉芯，主要特点是具有优异的磁学性能，如高的磁导率、高的电阻率和 低的磁滞损耗等。广泛应用于变压器铁芯、电动机的定子和转子。 1 2 2 5 羰基铁粉芯 羰基铁粉芯，属低成本、低性能粉芯。这种材料具有相对较小的涡流损耗，特别适 宜应用于频率1 0 0 k h z 1 0 0 m h z 范围，是制造高频功率扼流圈( 特别是高频谐振电感) 、 r f 调谐电感芯体理想的材料。 1 2 2 6 铁硅铝粉芯 在二元铁铝和铁硅系中，都不存在k l 和h 同时趋于零的成分。在三元铁硅铝系中存 在一组k l 趋于零的成分和一组h 趋于零的成分，它们相交处的成分( 9 6 s i 5 4 a 1 f e ) 则是k l 和k 都趋于零，如图1 1 。这种成分合金，最初用铸造法得到，命名为s e n d u s t 高 磁导率合金【1 8 - 2 0 l 。它是损耗和成本介于羰基铁粉芯和前两者之间的粉芯。f e - s i - a l 合金 - 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 于1 9 3 6 年日本东北大学增本发明，其发明之初就由于其k 和砖接近零，及高的b s ，而显 示出优异软磁性能。但f e - s i a i 合金硬而脆，后制成压粉磁芯，取代了铁氧体。为用作 磁头材料，在其中加了c r 提高了耐蚀性，开发出耐蚀、耐磨的v r 瓜用的磁头材料。近 年在压粉磁芯、电磁屏蔽方面又得到发展。主要用于开关电源磁芯、线路噪声滤波器、 脉冲变压器、回扫变压器和p f c 。 铁硅铝粉芯也是一种有分布气隙的环形金属磁粉芯。铁硅铝粉芯在高频工作时损 耗很小，相对磁导率在2 6 - - 1 2 5 ，饱和磁感应强度在1 0 5 t 左右，磁致伸缩系数接近于零， 从而消除了其用于滤波电感器时的听觉频率噪声，直流偏磁能力与m p p 相差不大，损耗 比铁粉芯低很多，所以价格也高。在用于高频电源时，铁粉芯的损耗是导致其温升高的 主要原因，而铁硅铝粉芯的损耗很小，所以它在高频工作时温升很低。铁硅铝粉芯的用 途主要有：1 、在开关电源及u p s 中做p f c 电感和输出滤波电感的铁芯。2 、在e m i 滤波 器中作差模电感的铁芯。3 、在反激变换器中做主变压器及其他脉冲变压器的铁芯。 卜厅 图1 1f e s i a i 系合金的k l 和 s f i 9 1 1k la n dg so f f e - s i - a l 从表中可看出软磁铁氧体虽然磁导率较高，可存在b s 低、居里温度低等缺陷，且作 为电感用的开口铁氧体电磁干扰大。纯铁和5 0 n i f e 台金饱和磁密度较高，居里点也高， 但磁带率低，高频损耗大。相比之下8 0 n i f e m o 和f e s i a i 合金饱和磁密度虽没有纯铁那么 高，但具有磁导率高，高频损耗低等特点，因此适合制作高频下使用的电感磁粉芯。而 f e s i a i 成本比8 0 n i f e m o 要低得多，f e s i a l 磁粉芯具有不可低估的应用前景。 - 8 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 7 纳米晶软磁粉芯【2 1 2 4 l 纳米晶软磁粉芯，如f e 7 3 s c u 4 n b 3 s i l 3 5 8 9 。它的主要特点具有饱和磁感高，磁导率高， 稳定性好，而且该材料在热处理后变脆，容易加工成合金粉。利用该合金粉可能制成一 种新型超微晶磁粉芯，同用带材缠绕而成的纳米晶磁芯相比，纳米晶磁粉芯的磁导率还 很低，而且软磁性能不稳定。目前急需解决的难题：( 1 ) 热处理时有效控制纳米晶的长大；( 2 ) 磁粉芯的成型问题；( 3 ) 热处理规范对磁粉芯软磁性能的影响。 1 2 3 磁粉芯的应用 在软磁材料的交流应用领域中，硅钢片在很长一段时间内占有很大的市场。这些材 料在直流时有优良的磁性能，但随着交流控制方式的普及，要求在高频领域内改善材料的 磁性能。叠层硅钢片类型的叠层式磁芯，在l k h z 以上的频率范围，伴随着涡流的铁损将 会随频