（材料物理与化学专业论文）高频铁基复合材料软磁粉芯制备及其性能研究.pdf

第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 软磁材料概述 随着社会经济不断进步，电力工、j k 及电讯技术的兴起，磁性材料在国民经 济各个领域中是一种不可缺少的功能材料。到2 0 世纪，科学技术飞速发展，雷 达、通讯、电子、计算机、电视广播、集成电路的发明，无不对磁性材料不断 地提出新的要求。软磁材料在磁性材料中是应用最广、种类最繁多的材料。软 磁材料在各个科技领域广泛使用，因而不断有性能更优异的软磁材料，不断被 研发出来。也正是由于这些新研发出来的软磁材料满足了科技发展的要求，从 而使整个社会经济在不断地加速向前推进。 通常希望软磁材料具有：有效磁导率高、电阻率p 高、饱和磁感应强度 b 。高、居里温度t 。高；同时还希望材料的矫顽力h c 低、损耗p 。低、磁致伸缩系 数低、磁晶各向异性低【l 2 j 。当今各个科技、经济领域中，广泛使用的软磁材料 有：金属软磁材料、铁氧体软磁材料、非晶微晶软磁材料三大类以及其他软磁 材料【3 撂】，其他软磁材料主要是指复合软磁材料，软磁材料常常因为软磁材料的 使用的场合不同，作用而异，软磁材料的性能各不相同。复合软磁材料可以综 合多种软磁材料的特点，成为软磁材料研究的蕈要方向。 1 1 1 软磁材料的发展历史 早在1 8 世纪人们就用纯铁来制作电动机、变压器的铁心。纯铁制作的铁心 发热严重，人们还发现用纯铁来制作电动机、变压器的铁心在运行一段时问后 发热更为严重。在1 9 0 0 年硅钢片发明前及2 0 世纪3 0 年代前，电机、变压器的 铁心多是采用热轧低碳软钢片或电磁纯铁片冲制而成的。 后来随着科学技术的发展，电气设备和器件尤其在通讯、电子、计算机领 域使用的频率越来越高，纯铁、碳钢及f e s i 合金等金属软磁材料不能应用在高 频段中，这是因为金属软磁材料的电阻率低，涡流损耗大，在高频率下发热严 重，出现趋肤效应。2 0 世纪4 0 年代，人们研制出适于在高频下铁氧体软磁材料。 软磁铁氧体主要有m n z n 、n i z n 和m g z n 三大系歹f j i 弘引。铁氧体软磁材料电阻率 第l 章绪论 高，解决了纯铁、碳钢及f e s i 合金等金属软磁材料在高频率下发热问题，但软 磁铁氧体的饱和磁感应强度b 。低，大约是金属软磁的1 4 1 4 q 3 】。2 0 世纪5 0 至8 0 年代是软磁铁氧体发展的黄金时代，软磁铁氧体应用在除电力工、j k 使用硅钢片 ( f e s i 合金) 之外的各领域中。 1 9 6 4 年，f e p c 基铁磁性非晶态合金研制成功：1 9 7 9 年，成功研制出f e s i b 非晶态合金；1 9 8 8 年，又成功研制了f e c u n b s i b 非晶态合金。人们发现非晶态 合金以及它们的微晶材料具有优异的软磁特性。非晶微晶金属软磁材料软磁性 能上优于铁氧体【7 1 7 1 ，9 0 年代后，非晶微晶金属软磁材料在高技术领域的应用中 逐渐取代软磁铁氧体材料和铁一镍合金材料，性价比上相对于软磁铁氧体材料 尚处于劣势，纯铁、碳钢( 在直流磁铁中使用) 、f e s i 合金( 在电力工业中使用) 、 铁一镍合金( 在军事工业中使用) 及软磁铁氧体材料，都还在大量的使用。非 晶微晶合金软磁材料从铁磁性元素来分类分为f e 基、c o 基和n i 基三类。 1 1 2 软磁材料的分类及特点 软磁材料大致可分为三大类：金属软磁材料、铁氧体软磁材料、非晶微晶 软磁材料【孓引。 尽管每种新软磁材料出现，都具有一些新的独特的优良特性，但也不可能 是尽善尽美的软磁材料。金属软磁材料具有高的饱和磁通密度和高磁导率等优 点，然而它有致命的缺陷，一是损耗大，其次是性能稳定性差。铁氧体软磁材 料具有低损耗和高的有效导磁率等优点，但其饱和磁通密度只有金属软磁材料 饱和磁通密度的四分之一左右，在三类材料中是最低的；其另一重大缺点就是 由于居里温度低，温度稳定性差。这两点在一些高精尖的领域里也是致命的弱 点。非晶微晶材料具有高的饱和磁通密度，相对简单的生产工艺和相对于金属 软磁材料低的损耗等特性，其使用频率也是非常有限的，其性能稳定性也较差。 而原有的一些材料，尽管在使用时感到有些不足，但每种材料都还是有它一定 优点的，它们都有各自的用武之地【1 5 】。如f e s i 合金、软磁铁氧体材料，使用至 今已近百年，现在还在大量的使用。 软磁材料随着通讯、电子、计算机等领域的需求而发展，通讯、电子、计 算机等领域要求软磁材料器件要实现高频化、集成化、小型化、薄型化、低功 耗、片式化和抗干扰。今后，软磁材料的研发将继续沿着：有效磁导率高、 2 第l 章绪论 电阻率p 高、饱和磁感应强度b 。高、居里温度t 。高；同时还希望材料的矫顽力 h 。低、损耗p 。低、磁致伸缩系数低、磁晶各向异性低l l 捌的方向发展。复合软 磁材料将成为软磁材料研究中的一个新的、最重要的研究方向。 复合软磁材料是将软磁合金粉末与粘合剂和绝缘剂混合均匀后压制成的磁 粉芯材料，它可以综合多种软磁材料的特点，是制作电感元件，尤其是高频、 大电流和大功率电路中电感器件的关键元件1 2 4 - 2 9 1 。 表1 1 几种软磁材料的特点与应用 材料特点应用 纯铁、碳钢、f e s i ( 1 ) 交变磁场下涡流损耗火，所 金合金 以只用。j 二直流磁场下工作； ( 1 ) 电力变压器； 属 ( 2 ) b 。人，h 。低，p 低。 ( 2 ) 直流下的电磁铁极头。 软 ( 1 ) 与纯铁和碳钢比较：“高，b 。 ( 1 ) 高质量的电子变压器、电感器 磁 低，损耗低；( 2 ) 龌性好，可轧成 磁屏蔽；薄带用于5 0 0 k h z 高频； 材 铁一镍合金2 5 9 m 的薄带或制成1 0 i _ t m 的 ( 2 ) 当“不随温度变化时，可用丁不 料 细丝，可用于5 0 0 k h z 高频率 i 司的电流变压器和失误阻断器；( 3 ) 低温下具有高“，可直接放置于液 下的带绕磁粉芯； 氮、液氦中。 ( 1 ) 磁性祸合高，p 高、损耗低； ( 2 ) 种类繁多，主要有m n z n 、 ( 1 ) 通讯变压器、电感器、偏置磁 铁氧体软磁材料 轭和阴极射线管用变压器：( 2 ) 开关 n i z n 和m g z n 三大系列，应用 广泛。 电源用变压器；( 3 ) 微波器件。 非 ( 1 ) 替代f e - s i 合金在电力变压器 日 ( 1 ) 电阻率较大，比一般品态合 中，频率特性在5 0 k h z ；( 2 ) ) 开关 1 ：1 1 3 非品态合金 金大2 3 倍：( 2 ) 非品态合金 微电源、磁屏、磁机传感器、电动机铁 1 7 1 没有磁晶各向异性。 日日芯，记录磁头等。 软 磁 用于磁放大器、高频变压器、扼流 材 纳米晶合金 高阶低h c 。圈、脉冲变压器、饱和电抗器、互 感器等。 料 1 2 金属软磁粉芯概述 当前应用的磁芯分为两大类：带绕铁芯类和粉芯类。 带绕铁芯类有硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金；粉芯类包括铁粉芯、 铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯、坡莫合金粉芯、铁氧体粉芯。 金属软磁粉芯是一种高科技产品，具有磁电转换的特殊功能。是适用于信 息和电力、电子器件的一种新型的特种粉末冶金功能材料。它是用金属或合金 3 第1 章绪论 的磁性粉末通过特殊工艺生产的一种新型软磁材料【2 5 啦】。用它生产的各种磁性 元件在各种控制、制导线路中及开关电源产品上是不可缺少的关键元件。广泛 用于国防军工、尖端科技及通讯、电子电器、家电等科技领域。因此，大力发 展金属软磁粉芯的研制生产，对科技发展和社会进步具有深远的意义。 综合比较软磁材料磁粉芯我们可以说：在当今广泛使用的软磁材料磁粉芯 中，金属软磁粉芯是综合性能最好的，金属软磁粉芯具有良好的使用价值。特 别是在一些高、精、尖的科技领域和工业领域及军工产品方面，得到了广泛的 应用。 1 2 1 金属软磁粉芯的分类 当前市场上的金属软磁粉芯包括铁粉芯( i r o np o w d e rc o r e s ) 、铁硅铝磁粉芯 ( s e n d u s tp o w d e rc o r e s ) 、高通量磁粉芯( n i f e s o p o w d e rc o r e s ) 和钳坡莫磁粉芯( m p p ) 四大系列，其中铁粉芯价格最低廉，使用最为广泛。而钼坡莫磁粉芯综合性能 最好，特别是在一些高科技领域和军工产品上具有蕈要使用价值。近年来，由 于镍价飞涨，目前铁硅铝磁粉芯在金属软磁粉芯的综合性能也较好，在一些能 用铁硅铝磁粉芯的地方，都用它来代替钼坡莫磁粉斛2 4 2 7 。3 0 】。 金属软磁粉芯由于具有一系列的优良特性，从上个世纪末期至今的二十年 间里，在我国已获得愈来愈广泛的应用。主要用作各种高性能的电感元件和5 0 0 w 以下的各种小功率变压器，在一些高科技领域和军品生产中具有重要使用价值。 在其他科技领域和工业领域中，由于对提高各种产品的性能和质量具有重大的 意义，由此也获得广泛的使用。如通讯、能源、汽车、家电、自动门控以及各 种电感器、滤波器、互感器、逆变器等各种电子元器件的设计生产上，都己大 量被优先选用。特别是在上个世纪九十年代，开关电源这一新产品被大量推广 使用。作为一种优良的电感磁粉芯，在各种开关电源模块上，被大量用作滤波、 稳流( 扼流) 、储能等各种电感元件。因此对金属软磁粉芯的需求量更是迅速增加。 作为加工行业的线圈厂家，更是大量需求各种金属软磁粉芯。特别是入世以后， 我围已成为世界上各种电子元器件最大的供应基地，这也带动了对金属软磁粉 芯需求量的飞速增长。 随着通讯、能源、汽车、家电、开关电源的发展，使用频率的不断提高， 对金属软磁粉芯提出了新的要求。 4 第l 章绪论 1 2 2 金属软磁粉芯的一般特性 金属软磁粉芯是以金属软磁材料的粉末，通过粉末冶金工艺生产的一种软 磁材料。它既保留了金属软磁材料和铁氧体软磁材料的一些重要优点，同时也 最大限度的克服二者的缺陷。所以它是一种综合性能最好的新型软磁材料。其 主要特性如下： ( 1 ) 具有高的有效导磁率； ( 2 ) 具有高的饱和磁通密度。如铁粉芯的饱和磁通密度可高达1 1 t ，高通 量磁粉芯可达1 5 t ，就连最低的m p p 类磁粉芯可达o 8 t ，远高于铁氧体材料： ( 3 ) 损耗低，使用频率范围广，可由几十赫兹到高达3 0 兆赫的很宽频带 下使用； ( 4 ) 交、直流叠加特性好； ( 5 ) 磁性能稳定性好； ( 6 ) 软磁性能可控，人们可通过控制和改变其生产工艺条件，来生产各种 具有独特性能的金属软磁粉芯。 综合比较软磁材料磁粉芯我们可以说：金属软磁粉芯在当今广泛使用的软 磁材料中，是综合性能最好的，具有良好的使用价值。特别是在一些高、精、 尖的科技领域和工业领域及军工产品方面，得到了广泛的应用。 1 2 3 金属软磁粉芯的性能 ” 当前市场上的金属软磁粉芯有：铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、高通量磁粉芯、 钼坡莫磁粉芯，它们的性能特点： ( 1 ) 铁粉芯：使用安匝数大于8 0 0 a m ，能在高的磁化场下不被饱和，能 保证电感值最好的交直流叠加稳定性。在2 0 0 k h z 以内频率特性稳定；但高频损 耗大，适合于1 0 k h z ( 2 0 5 0 k ) 以下使用。 铁粉芯是以高纯还原铁粉或羟基铁粉经绝缘、成型、涂复后制造生产的各 种材质铁粉芯。铁粉芯的饱和磁通密度值高达1 1 t ，使用安匝数可达1 0 0 0 a m 。 能在高的磁化场下不被饱和，具有良好的直流叠加稳定性。其产生工艺简单， 价格在各类金属软磁粉芯中是最低的。一般在能满足使用要求的情况下，可优 先选用铁粉芯。日前在各类金属软磁粉芯中，是使用最普及，用量最大的一种。 5 第1 章绪论 ( 2 ) 铁硅铝磁粉芯 铁硅铝磁性合金是二十世纪三十年代由日本人发明的，其发明地在仙台县， 故又称s e n d u s t 合金。八十年代将其制成磁粉芯也称s e n d u s t 磁粉芯。铁硅铝磁 性合金的标准成份是a 15 4 w t ，s i9 6 w t ，其余为铁。生产铁硅铝磁粉芯用 的合金成份控制范围是：a 15 2 5 6 w t ，s i9 2 9 8 w t ，其余为铁。低频( 1 k h z 以下) 使用的铁硅铝磁粉芯，其有效导磁率可达1 4 7 。铁硅铝磁粉芯饱和磁通密 度b 。值为1 t ，使用安匝数为3 0 0a m 。产品密度5 2 9 c m 3 。温度稳定性较好。 ( 3 ) 高通量磁粉芯 高通量磁粉芯出现于二十世纪中期，它是以n i f e 5 0 坡莫合金磁性粉末制成 的磁粉芯。高通量磁粉芯其最大特点是其饱和磁通密度在j 种合金系列磁粉芯 中是最高的，具有高的饱和磁感，b 。值可达1 3 t 。使用安匝数可达5 0 0 a m 。在 较大的磁化场下不易被饱和，可使用在较大功率器件上。由于其饱和磁感较高， 其直流偏流特性较好，在较大的直流偏场下，可以保证电感值的最小直流漂移。 高通量磁粉芯有效导磁率范围值一般为2 6 1 2 5 ，使用在l k h z 以下最高有效 导磁率可达1 6 0 。 ( 4 ) 钼坡莫磁粉芯 钼坡莫磁粉芯与高通量磁粉芯一样出现于二十世纪中期，它是用成份为： n i 8 1 w t ；m 0 2 w t ；其余为f e 的钼坡莫合金粉末生产的磁粉芯。合金成份控 制范围是n i 7 9 8 1 5 w t ：m 0 1 8 - 2 2 w t ；其余为f e 。冶炼的合金通过雾化或用 哈密塔磨粉机制成8 0 目以下的各种不同粒度的粉末用于生产磁粉芯。钼坡莫磁 粉芯的饱和磁感应强度b s 值为0 8 t ，使用安匝数在2 0 0a m 。在现有使用的金 6 第l 章绪论 属软磁粉芯中，钼坡莫磁粉芯具有最高的有效导磁率。l k h z 以下使用的钼坡莫 磁粉芯有效导磁率可达5 0 0 ，而它在金属软磁粉芯中损耗是最小的。特别适 合于在较高的频率下使用，如为2 6 的钼坡莫磁粉芯可在2 0 3 0 m h z 情况下使 用，其综合性能优于软磁铁氧体。其饱和磁通密度虽然在各种金属软磁粉芯中 是最低的，但仍远高于铁氧体。为2 6 以下的磁粉芯使用频率可达2 0 - 3 0 m h z 。 1 2 4 铁基复合材料软磁粉芯 磁性复合材料分为永磁复合材料和软磁复合材料两大类，1 9 7 5 年口本首先 推出以塑料为基体的磁性塑料，后来，美国及西欧进行了大规模的研制。 软磁复合材料分为软磁铁氧体和软磁合金。软磁铁氧体是软磁材料的晕要 组成部分，早在2 0 世纪4 0 年代就对其笨本配方开展了研究，5 0 , - - , 8 0 年代为软 磁铁氧体发展的黄金时代。1 9 6 4 年，f e p c 基铁磁性非晶态合金研制成功，c o 基和f e 基非晶态软磁合金材料的出现，带来了软磁材料高磁导率、低矫顽力的 优异性能。 采用粉末冶金技术，压制铁粉并在高温下烧结，可得到相当于纯铁铸件的 软磁部件。不损害压缩性的合金化方法的开发，提供了大量的合金化材料。合 金添加剂提高电阻率，导致较低的涡流损耗。尽管与传统硅钢片相比，复合软 磁材料具有显著优势1 5 孓5 7 1 ，但性能方面却存在磁导率低、磁滞损耗大、强度低 等不足【5 7 】。合金化材料在高温下烧结也可得到高磁导率，合金添加剂也降低饱 和磁感，合金含量影响产品的性价比【5 0 ，j 1 1 。选用高纯铁粉为基材，经有机材料 和无机材料绝缘包覆处理的铁摹复合软磁材料将成为最大使用的复合软磁材料 4 9 - 5 1 , 5 8 , 5 9 】。 近年来更多的人对于铁基复合材料软磁粉芯作了广泛研究，邹联隆等人曾 对纯铁磁粉芯做了试探性的研究，姚中等人曾对f e s i a i 磁粉芯做了试探性的研 究，丘渝青等人曾对纳米晶f e 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 合金的磁粉芯做了试探性的研究， 都取得了较好的效果【2 引。人们对磁粉芯的性能参量都做了研究，分析了影响 粉芯磁性能的一些因素，如成型压力，颗粒度，粘结剂的添加量，粉体处理工 艺等【5 1 , 5 2 】。 1 2 4 1 铁基复合材料软磁粉芯粉体的制备 由于磁性复合材料的种类繁多，因此其制备方法也不尽相同。同一种功能 的材料可以采用不同的方法制备，也可以用同一种方法制备出不同功能的复合 7 第1 章绪论 材料。 铁基复合软磁材料磁粉性能的好坏是直接影响磁性复合材料磁粉芯性能的 关键因素之一。铁基复合软磁材料磁粉性能的优劣与材料、组成、颗粒大小、 粒度分布及制造工艺有关。 制备铁基复合软磁材料磁粉的方法主要有：高能球磨法、化学包覆法、塑 料包覆法、溶表i f i j 活性剂一凝表面活性剂法、化学共沉淀法、化学气相沉积法、 磁控溅射法、激光脉冲沉积法、微乳液法等。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研 磨和搅拌，使金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以 上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经过亚衍、压 和、碾碎、再压和的反复过程( 冷焊粉碎冷焊的反复过程) ，最后获得组织和 成分分布均匀的合金粉末。由丁这种方法是利用机械能达到合金化而不是用热 能或电能，所以把高能球磨制备合金的方法称作机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g ， m a ) t 3 2 - 4 3 。 化学包覆法制粉其做法是将粉化学液浸绝缘包覆，然后烘干。1 4 2 , 4 9 , 5 0 塑料包覆法制粉其做法是将表面活性剂溶解于挥发性溶剂中，然后喷涂到 颗粒表面上。1 4 卜5 0 l 溶表面活性剂一凝表面活性剂法是将是将原料分散在溶剂中，与水发生反 应，生成活性单体，活性单体经水解与缩聚，开始成为溶胶，进而生成具有 一定空问结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米氧化物或其他化合物固 体。溶表面活性剂一凝表面活性剂法制膜的关键步骤如下：复合醇盐的制备、 成膜、水解反应和聚合反应、干燥、烧结【6 。 a d r i a n a 等【6 l 】用溶表面活性剂一凝表面活性剂法制备纳米复合颗粒，得到的 纳米复合颗粒尺寸在l o o n m 内，磁性性能好。 化学共沉淀法是在将金属离子溶液中添加沉淀剂，或使溶液发生水解，使原 料中的阳离子沉淀从溶液中析出，然后经过滤、洗涤、干燥、热分解得到纳米 复合颗划吲。化学共沉淀法合成高纯度纳米粒子简单易行。 化学气相沉积法是将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内， 然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。 磁控溅射法利用直流或高频电场使惰性气体发生电离，产生辉光放电等离 子体。电离产生的正离子和电子高速轰击固体表面，使固体原子( 或分子) 从表面 8 第l 章绪论 射出。这些溅射出来的原子带有一定的动能和方向性，沉积到基片或工件表面 形成薄膜t 6 引。 m a t s u o k a 等【6 3 】用磁控溅射法得到m n z n 铁氧体薄膜。 脉冲激光沉积法是在制膜腔内，高强度、短脉冲的激光用透镜汇聚成一个 很小的光斑，照射到真空状态的靶上，受到激光光斑照射将其离解成前驱等离 子体，等离子体定向高速向外喷射，在基底上沉积薄膜畔j 。 m i k a m i 删采用脉冲激光沉积法得到n i z n 铁氧体薄膜。 微乳液法是将两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在 微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。 制备磁性材料的手段，而且随着现代科技的不断发展，还出现了一些更为 新型的制备技术，例如微波法、分子束外延法、分子自组装技术等，可制备出 结构更为特殊的磁性复合材料粉末。 1 2 4 2 铁基复合材料软磁粉芯的制备方法 铁基复合软磁材料磁粉芯制备的工艺流程： 圈t 回一圈一圈一圈 圈j 铁基复合软磁材料磁粉芯的制备中的关键工艺可分为以下几点： ( 1 ) 制粉造粒工艺 这个过程中，根据所复合的材料不同可分为：高能球磨法、化学包覆法、 塑料包覆法、溶表面活性剂一凝表面活性剂法、化学共沉淀法、磁控溅射法、激 光脉冲沉积法、微乳液法、化学气相沉积法等。 ( 2 ) 成型工艺 成型工艺的种类及优缺点可分为： 高压成型可得到更高的压制密度【4 8 踟】。 使用粘结剂可得到更高的强度，粘结剂可分为有机粘结剂和无机粘结剂。 【4 8 5 0 】 ( 3 ) 热处理工艺 高压成型后使用无机粘结剂的复合材料，热处理温度可达到5 0 0 。c ，较好的 9 第1 章绪论 消除或减少应力部分恢复磁导率。【4 9 】 使用有机粘结剂成型，由于粘结剂难以承受高温、难以进行热处理。 4 9 , 5 0 1 2 4 3 铁基复合材料软磁粉芯存在的问题 铁基复合材料软磁粉芯存在的问题主要有： ( 1 ) 成型 成型压力大一般鼎8 0 0 m p a 以_ l f 3 5 3 85 8 - 6 h ，成型压力越大对模具的损耗越 大。 ( 2 ) 热处理工艺 热处理温度仅5 0 0 c 4 8 别】，不能完全消除或减少应力，仅部分恢复磁导率； 使用有机粘结剂成型，由于粘结剂难以承受高温、难以进行热处理。 4 9 , 5 0 影 响了复合材料软磁粉芯的软磁性能。 ( 3 ) 铁基复合材料软磁粉芯的铁粉一直以来研究使用高纯度、高压缩性水 雾化铁粉5 9 , 6 0 】，这使得铁皋复合材料软磁粉芯成本高。 ( 4 ) 对于铁基复合软磁材料磁粉芯的制备中通过与不同的粉体复合、多元 复合、粉芯的后期处理工艺对提高粉：芯起始磁导率m 、品质因数q 值、中心频 率的影响研究较少。 1 3 本论文主要研究内容 本文针对铁基复合软磁材料磁粉芯存在的有关问题，主要研究复合粉体制 备、成型工艺、软磁性能等有关问题。具体内容包括： ( 1 ) 铁基复合材料粉体表面处理技术：针对铁基粉体应用表面处理剂对铁 基粉体进行表面处理，研究铁基粉体表面处理技术，该技术不仅要保持铁基粉 体的高磁导率、低矫顽力和低损耗的高品质因素特性，还使粉体具有良好的绝 缘和分散特性。 ( 2 ) 铁基复合材料磁粉芯的配方设计：至少有2 0 个因素影响粉芯的磁性能， 本文选取添加s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 三种陶瓷粉体，加入表面处理剂对铁摹复合软 磁材料磁粉芯的成型、磁性能影响的变化情况。 ( 3 ) 复合材料磁粉芯成型制备技术研究。 ( 4 ) 复合材料磁粉芯软磁性能研究。 ( 5 ) f e c u n b s i b 纳米晶f e 磁粉芯软磁性能研究。 1 0 第2 嚣铁筚复合材料磁粉- 出制备技术研究 第2 章铁基复合材料磁粉芯制备技术研究 2 1 铁粉的表面处理 高纯铁粉必须进彳亍表l 处理，其臼的一是增大粉体之间的接触电阻，一是 便于粉体与其它粉体之间的分散。通常选用有机材制和无机材料绝缘包覆处理。 本文选用一种硅树脂粪表皿处理剂，表面处理剂分别占粉体总量的5 w t 、 i o w t 。 表面处理在s y m 0 5 0 0 x 5 0 0 普通卧式球磨机一1 1 进行。取5 0 9 2 0 0 口铁粉与 5 w t 、1 0 v a 表l 叮处理荆，狂球麟机中球群15r a i n ( 柑球= i ：2 5 球直径9 5 m m ， 球磨机公转1 5 0 f r a i n ，自转6 0 0 r m i n ) 。 ( a ) 2 0 0 目铁粉+ 5 w 1 表面处理剂( b ) 2 0 0 日铁粉+ l o w t 采丽处理剂 篷2 】2 0 0 目铁粉 而处理结粜 图2 1 显示的为铁粉与5 w i 、i o w t 表“处理剂在s y m 0 5 0 0 x 5 0 0 普通卧 式球磨机中球磨1 5m i n 后的情况，图中末见袁血处理剂聚集选域，发叫处理剂 经过球磨后包糙在铁粉表面。 2 2 陶瓷粉体，铁复合粉体的制备 为了进一步增加在高温烧结后的铁粉之问电驸，本文对铁粉进行复台处理， 其体工艺是：在高能球路帆t l 高能球磨“铁粉+ 陶瓷粉体”，使陶瓷粉体与铁粉形 成复合粉体。 墩5 0 9 2 0 0 日铁粉分别添加1 w t 、3 w t 、5 州、7 w t f f , js i 0 2 粉体并将 第2 章铁基复合材料磁粉芯制各技术研究 其在s y m e p 5 0 0 x 5 0 0 普通卧式球磨机中球磨l h ( 料，球= 1 ：2 5 ，球的直径为5 r a m ， 公转1 5 0 r m i n ，自转6 0 0 r m i n ) 。图2 - 2 为复合粉体微观形貌。当陶瓷粉体添加 量较小时，球磨处理使具有良好塑性的铁粉不断焊台，因而粉体粒度大：当s i 0 2 粉体添加量增加到3 w t d a 上叫，s i 0 2 粉体对铁粉进行有效包覆，阻止铁粉存球 磨过程中的焊台长簧鞋因而复合粉体粒径显著下降，复合粉体聚集程度小。 c ) 2 0 0 目铁粉+ 5 w t s i 0 2 第2 章铣摹复合材料磁粉芯制备技术q f 究 ( d ) 2 0 9h 铁扮+ 7 w t s i 0 2 图2 - 2s i o ，铁复音粉体形貌 对“1 w t s i 0 2 粉体2 0 0 口铁粉”复台粉体进行不同球辨时问处理后的x r d 分析表明( 见图2 3 ) ，随着球磨时问的延长，f e 的衍射特征峰几乎没柏变化， 没有新相生成，说明复合粉体为物理复台。 f o h _ - _ _ _ ”，。_ j 、 州- _ - _ ，_ - _ _ w - _ 二h 2 日门 圈2 - 3 复合糟体的x r d 刚 2 3 磁粉芯的成型 成型工艺：将绝缘包覆好的复合粉体放入模具中，分别以表压2 0m p a ( 寅 斯、压强5 7 0 m p a ) 和1 5m p a ( 实际压强4 2 7 m p a ) 的压力在压片机上压制，倮止 时问为5 分钟，得到外径为2 7 r a m ，内径为1 4 m m ，厚为7 r a m 的圆环，单个圆 环的质量为1 6 9 。 第2 章铁基复合材料磁粉芯制备技术研究 一般来说，压力越大，制取的磁粉芯越密实，磁粉芯密度越大。当压力达 到一定程度时，密度达到极限值，此时增加压力对提高粉芯密度不明显。在压 制过程中，密度的变化是从受压面开始逐步扩大的，密度值的变化也是由小到 大逐步改变的，所以压力必须持续一定的时间，才能使这种变化达到一定的极 限值，因此，压制时一定要有有足够的保压时间。 图2 4 为s i 0 2 粉体铁粉芯的压制成型密度情况，当s i 0 2 粉体添加量为5 w t 时，磁粉芯密度达到最大值5 2 9 c m 3 ，粉芯致密度约为6 5 。当s i 0 2 粉体添加 量大y - 3 w t 时，提高成型压力对磁粉芯密度提高较小。 5 2 5 1 5 0 4 9 n 墨4 8 功 口4 j 7 4 6 4 5 4 4 3 5 7 s i 0 2w t 图2 - 4s i 0 2 粉体2 0 0 目铁粉磁粉芯密度 为了进一步提高磁粉芯的致密度，本文研究采用a 1 2 0 3 、t i 0 2 两种粉体替代 s i 0 2 粉体。在完全相同的成型工艺条件下，a h 0 3 粉体铁粉芯的最大致密度为 7 6 ( 图2 5 ) ，t i 0 2 粉体铁粉芯的最大致密度为7 3 ( 图2 6 ) ；提高成型压力 对a 1 2 0 3 粉体铁粉芯和t i 0 2 粉体铁粉芯的密度影响非常大，压力越大，磁粉芯 密度越高。此实验结果表明，a 1 2 0 3 粉体和t i 0 2 粉体较s i 0 2 粉体的润滑效果好。 1 4 第2 章铁基复合材料磁粉芯制备技术研究 5 9 5 8 5 7 5 6 望 a q5 5 5 4 5 3 5 7 0 5 6 5 5 6 0 暑 d a5 5 5 5 5 0 5 4 5 1 3 5 7 9 a 1 2 0 3 w t 图2 - 5a 1 2 0 3 粉体2 0 0 目铁粉磁粉芯密度 1 3 5 7 9 t i 0 2w t 图2 - 6t i 0 2 粉体2 0 0 目铁粉磁粉芯密度 测试脱模后的磁粉芯尺寸公差显示，s i 0 2 粉体铁粉芯外径和内径均偏大， 整体粉芯在脱模后膨胀；而a 1 2 0 3 粉体铁粉芯和t i 0 2 粉体铁粉芯在脱模后出现 收缩现象( 表2 1 ) 。 第2 章铁幕复合材料磁粉芯制蔷技术研究 表2 - i 磁粉芯尺寸变化 ：篱嚣s 8 ：盎豁裂蕊鳊n 0 2 鼍鑫搿 磁糟芯 r 图2 7 粉芯成l 咕照 ( b ) 绕线磁粉芯 2 4 磁粉芯的热处理 磁粉芯在成型后内部存在着太罱残余应力，这对粉芯的磁性能会造成不良 影响，需要经过合适的退火处理来改善其缺陷。奉文热处理工艺：1 0 0 0 保温 l h 。 ( a 11 w c a 1 2 0 f m3 w t a 1 2 0 3 第2 章铁基复台材料磁粉芯制备技术研究 ( 05 w i a 1 2 0 3( d ) 7 w w o a l 2 0 j 图2 - 8 添加a 1 2 0 3 铁基复合材料磁粉芯微观结构 圈2 - 8 为添加a 1 2 0 3 的铁基复合材料磁粉芯微观结构，从图中可以看到： ( 1 ) 当陶瓷粉体a h 0 3 添加量小于3 w 1 时，磁粉芯在1 0 0 0 时出现完全 烧结情况此时，铁粉之间出现冶金结合，粉体之间界面消失。此情况会导致 材料电阻急剧降低，磁粉芯在交流情况f 涡流损耗剧增。 ( 2 ) 当陶瓷粉体a 1 2 0 ，添加量大于3 w w o 时，磁粉芯在1 0 0 0 c 时也出现完 全烧结情况，铁粉之间出现冶金结合，粉体之间界而消失，但在烧结后的铁基 体上存在大量陶瓷相，这是典型的a 1 2 岛粉体，铁基复合材料。因为有大量a b 0 3 粉体的分割，该复合材料的电阻大大高于铁基体材料，因而磁粉芯在交流情况 下涡流损耗大大下降。 2 5 本章小结 本章主要研究了铁基复合粉体表面处理技术、复合粉体制备技术、磁粉芯 成型与热处理等内容。得出了以下主要结论： ( 1 ) 采用一种硅表面处理剂，表面处理剂添加量分别为5 w t 、1 0 w t 。 ( 2 ) 铁粉中添加1 w t 、3 w t 、5 w t 、7 w f f o 的陶瓷粉体( s i 0 2 、a 1 2 0 3 、 0 2 ) ，混合粉体在行星式球磨机中高能球磨得到陶瓷粉体铁复台粉体。复台粉 体为物理复合，没有新相生成。 ( 3 ) 采用模压成型法制备磁粉芯，压制压力为5 7 0 m p a 和4 2 7 m p a 。压力 越大，制取的磷粉芯越密实，磁粉芯密度越大。当s i 0 2 粉体添加量为5 w i 时， s i 0 2 粉体铁粉芯的密度达到最大值52 9 c m ，粉芯致密度约为6 5 。a 1 2 0 3 粉体 做粉芯和t i 0 2 粉体，铁粉芯的密度显著大于s i 0 2 粉体，铁粉芯的密度。 第2 章铁基复合材料磁粉芯制备技术研究 ( 4 ) 磁粉芯热处理工艺：l 0 0 0 保温1 h 。热处理后，磁粉芯内铁粉出现 冶金结合，当陶瓷粉体a 1 2 0 3 添加量大于3 w t 时，生成典型的a 1 2 0 3 粉体铁基 复合材料。 1 8 第3 章铁基复合材料磁粉芯软磁性能研究 第3 章铁基复合材料磁粉芯软磁性能研究 3 1 复合材料软磁粉芯软磁性能表征与测试 3 1 1 分析测试方法 软磁材料测量：反映软磁材料磁特性的各种磁学参量的测量，是磁学量测 量的内容之一。软磁材料一般指矫顽力h 。 1 0 0 0 a m 的磁性材料，主要有低碳钢、 硅钢片、铁镍合金、一些铁氧体材料等。软磁材料的各种磁性能决定了由该材 料制成的磁性器件或装置的技术特性，因此，软磁材料测量在磁学量测量中占 有重要位置。 表征软磁材料的磁特性有各种曲线，这些曲线主要是：工作在直流磁场下 的静态磁特性曲线和反映磁滞效应的静态磁特性回线；工作在变化磁场( 包括 周期性交变磁场，脉冲磁场和交、直流叠加磁场等) 之下、包括涡流效应在内 的动态磁特性曲线和动态磁特性回线等。这些磁特性曲线的横坐标是加在被测 材料上的磁场强度h ，纵坐标是材料中的磁通密度b 。这种表示方式使这些曲线 只反映材料的性质，与材料的形状、尺寸无关。此外，软磁材料的动态磁特性还 包括复数磁导率和铁损。 静态磁特性测量：测量材料的静态磁特性曲线和磁特性回线，主要测量方 法有冲击法和积分法两种：冲击法用以测量静态磁特性曲线的误差率约为1 ； 积分法：用以获得静态磁特性回线误差率为2 。 动态磁特性测量：测量材料的动态磁特性曲线和磁特性回线。主要测量方 法有3 种：电压表电流表法，此种方法的误差率为士( 3 1 0 ) ；示波器法，误 差率一般为士( 5 1 0 ) ；电桥法，电桥法测量材料动态磁特性的误差率为士( 1 5 ) 。 本章采用湖南娄底联众科技有限公司生产的m a t s 2 0 1 0 s d 型软磁直流测 试装置，该装置采用静态磁特性测量中的冲击法来测量材料的静态磁化曲线和 磁滞回线。测量静态磁特性曲线的误差率低，约为l 。 将热处理后的磁粉芯用直径为0 3 1 m m 的铜线绕1 0 0 圈做为初级线圈的匝数 ( n 1 ) ，再用直径为0 2 1 m m 的铜线绕3 0 0 圈做为次级线圈的匝数( n 2 ) ，在 m a t s 2 0 1 0 s d 型软磁直流测试装置来测试样品的直流软磁性能。 1 9 第3 章铁摹复合材料磁粉芯软磁性能研究 3 1 2 中心频率和品质因数q 值测试 用直径为o 3 1 n u n 的铜线将磁粉芯绕5 圈，在f e iq b g 3 d 高频q 表( 中国 上海爱仪公司) 上测试粉芯的中心频率和q 值的大小，同时考虑频率对q 值的 影响。 3 2 复合材料软磁粉芯软磁性能 3 2 1s i 0 2 i i e 磁粉芯软磁性能研究 一是将铁粉分别与1 0 叭表面处理剂，1 训、3 叭、5 叭、7 叭的s i 0 2 粉体球磨复合；二是将铁粉分别与1 叭、3 、毗、5 叭、7 叭的s i 0 2 粉体球磨 复合。 3 2 1 1 粉体复合量对s i 0 2 f e 磁粉芯起始磁导率“的影响 s i 0 2 慨 图3 1s i 0 2 f e 磁粉：占起始磁导率i j i 与s i 0 2 粉体的添加量关系曲线对比 由图3 1 可以看到：( 1 ) s i 0 2 粉体的添加量对粉芯软磁性能有较大影响，磁 粉芯起始磁导率m 随着添加s i 0 2 粉体增加，在5 s i 0 2 到达一个较大的值， 粉芯的磁导率由l o 上升到5 0 ；( 2 ) 表面处理剂的添加对s i 0 2 f e 磁粉芯的起始磁 导率“的影响较小。 3 2 1 2s i 0 2 f e 磁粉芯软磁性能 第3 章铁摹复旮材料碰粉芯软 j 拄性能研究 夕 a ) 1 w 1 s i 02 ( d ) 3 w t s i 0 2 + 表面处理剂 ，艄h 声 兰i 彦少囊 、 ， 。 i 爵； 二二7 l篱 ( 0 5 w 啪s i 0 2 十表面处理剂 i 鞫3 - 2s i c i 卉e 软磁特芯磁滞回线对比 图3 2 为不成分的s i 0 2 f e 磁粉芯的磁滞回线。袭3 - 1 为磁粉芯相应的软 磁性能指标。从表3 一l 和图3 2i u 以看出对于s i 0 2 f e 磁粉芯有：( 1 ) 随着s i 0 2 粉体添加量的增力，磁粉芯的起始磁导率和最大磁导率均显著增加，相应地， b 。值也迅速上升。磁粉芯的h 。值很高。出现该现象的原因可能足因为微量氧化 物粉体在高温烧结叫与铁粉发生反麻，导致h 。值升高：( 2 ) 铁粉绎过表咖处理 后与氧化物复合制成的磁粉芯，其磁导率远低于未表| j | | 处理的磁粉芯，其能量 靠臻一焉堂荣攀嚣 |曦。篝鹾嚣攀魁 靠!|!；|一焉兰陵棼隰 第3 章铁基复合材料磁粉芯软磁性能研究 损耗和h 。值也显著下降，此结果说明，铁粉表面处理阻碍了铁粉的烧结长大， 其结果是磁导率、b 。值下降，但其能量损耗和h 。也明显改善；( 3 ) 铁粉经过表 面处理后与5 w t 的s i 0 2 粉体复合后，其磁粉芯综合软磁性能最佳。 表3 1s i 0 2 f e 磁粉芯的软磁性能 w t “p u ( j m 3 )b 。( m t )b r ( m t )h 。( a m )b ，1 3 sh i ( a m )h i ( a m )h 。( a m ) l 8 0 82 0 6 76 4 3 76 7 6 51 3 3 63 9 5 20 1 9 7 51 3 1 73 9 1 82 6 3 3 s i 0 2 3 1 7 0 l4 2 4 49 8 0 21 0 7 55 7 93 8 5 20 5 3 91 3 1 73 1 9 82 6 2 5 5 5 0 8 41 7 3 34 8 6 13 6 9 42 1 1 43 7 0 6 0 5 7 2 3 1 3 1 13 9 5 62 6 1 9 l 1 8 1 32 7 2 7 7 5 1 58 8 51 7 33 5 1 6o 1 9 5 31 3 0 83 2 9 42 6 1 6 s i 0 2 + 表 3 1 8 22 5 66 1 7 37 9 11 5 33 1 8 3o 1 9 3 l1 3 1 34 1 5 42 6 1 3 面处理剂 5 3 0 4 7 5 8 6 61 7 7 51 6 6 66 2 63 8 1 50 3 7 5 60 83 2 3 82 6 2 4 南图3 - 3 可以看到，s i 0 2 粉体的添加量对q 值有较大影响。品质因素q 随 s i 0 2 粉体添加量的增加而提高。 o2 400 1 0t 21 4 o24o01 01 2 fm h zfm h z ( a ) s i 0 2( b ) s i 0 2 + 表面处理剂 图3 - 3s i 0 2 f e 磁粉芯频率特性与品质因数关系曲线对比 经表面处理的磁粉芯，当s i 0 2 粉体添加量上升到3 w t 以上时其频率特性 有所降低，品质因素q 也随s i 0 2 粉体添加量的增加而降低。当s i 0 2 粉体添加 量上升到7 w t 以上时，粉芯磁导率降低。s i 0 2 粉体添加量到3 w t 时，磁粉芯 有较高的磁导率，而且频率特性尚好，q 值也较高。当s i 0 2 粉体添加量上升到 5 w t 时，q 值降低。 综上所述，经表面处理的磁粉芯，s i 0 2 粉体添加量对磁粉芯的磁导率、品 质因数q 及损耗影响明显，s i 0 2 粉体添加量为3 - 5 w t ，磁粉芯有较高的磁导率， 第3 章铁基复合材料磁粉芯软磁性能研究 可达到3 0 左右；品质因数q 为8 左右，中心频率在1 0 m h z 左右，损耗1 0 0 j i n 3 左右，具有良好的综合性能。 3 2 2a 1 2 0 3 用e 磁粉芯软磁性能研究 一是将铁粉分别与1 0 w t 表面处理剂，1 w t 、3 w t 、5 w t 、7 w t 的a 1 2 0 3 粉体球磨复合；二是将铁粉分别与1 w t 、3 w t 、5 w t 、7 w t 的a 1 2 0 3 粉体球 磨复合。 3 2 2 1 粉体复合量对a 1 2 0 3 佰e 磁粉芯起始磁导率“的影响 a 1 2 0 3w t 图3 4a 1 2 0 3 f e 磁粉芯起始磁导率m 与a 1 2 0 3 粉体的添加量关系曲线对比 由图3 4 可以看到：( 1 ) 磁粉芯起始磁导率随着添加a 1 2 0 3 粉体增加，在 5 w t a 1 2 0 3 到达一个较大的值；( 2 ) 铁粉经过表面处理后，其磁粉芯的起始磁导 率“显著升高。 3 2 2 2a 1 2 0 3 f e 磁粉芯软磁性能 第3 章铁基复合材料磁粉芯软磁性能研究 磁粉芯综合软磁性能最佳。 表3 - 2a 1 2 0 3 f e 磁粉芯的软磁性能 w t p ( j m 3 )b 。( m t )b r ( m t )h c ( m )b b 。h i ( a m )h j ( a m )h 。( a m ) l 1 5 12 9 91 0 1 88 9 12 7 74 7 8o 3 1 0 51 3 1 44 6 6 22 6 3 6 a 1 2 0 3 3 2 1 58 1 3 22 9 2 82 9 61 2 5 13 5 80 4 2 2 61 3 1 43 9 3 12 6 2 6 5 3 28 61 3 1 81 2 3 26 8 83 2 9 10 5 5 8 7 1 3 1 4 3 8 1 82 6 2 7 1 3 2 7 25 8 92 8 6 71 6 1 21 3 5 83 6 7 80 8 4 2 41 3 2 64 0 5 32 6 2 3 a 1 2 0 3 + 农 3 4 4 5 82 0 7 5 5 8 8 63 9 7 52 4 4 73 6 0 3o 6 1 5 6 1 3 64 0 5 32 6 4 8 面处理剂 5 5 6 1 91 8 73 7 13 1 61 8 23 6 20 5 7 5 91 3 1 71 9 1 82 6 3 0 ( a ) f e + a 1 2 0 3 ( b ) f e + a 1 2 0 3 + 表面处理剂 图3 - 6a 1 2 0 3 f e 磁粉芯频率特性与品质因数