【《磁粉芯的特征及分类概述》3600字】

磁粉芯的特征及分类概述1.1磁粉芯磁粉芯是指以微米量级的铁磁性粉末为原料，在粉末颗粒表面包覆一层薄而均匀的绝缘物质，使用粉末冶金方法压制成型，最终通过热处理进行固化及去应力而制备的新型软磁材料REF_Ref22581\r\h[1,REF_Ref23554\r\h2]。由于以铁磁性粉末为基础原料，所以磁粉芯继承了铁磁性粉末的诸多优良特性：高饱和磁化强度、高磁导率以及稳定的磁性能，有利于实现电子设备的大容量和小型化，同时由于绝缘介质的存在，可以有效地提高材料的电阻率，使其在中高频条件下仍具有较低的损耗，能够确保电子设备在复杂条件下长期稳定地工作REF_Ref3177\r\h[3,REF_Ref3190\r\h4]。与块状软磁材料相比，磁粉芯以粉末颗粒为基本单元，小体积的粉末颗粒能够有效的减小趋肤效应，从而减小颗粒内的涡流损耗，同时薄而均匀的绝缘层能够将粉末颗粒彼此隔离，增大整体电阻，从而减小颗粒间的涡流损耗，因此磁粉芯的损耗更低，有利于节省能源。另外，使用粉末冶金工艺压制成型，磁粉芯不仅可轻易制备成各种特殊的结构满足特种需求，而且制得的软磁复合材料具有各向同性的磁性能，从而满足不同场合下的应用需求。1.2磁粉芯的发展历程磁粉芯的发展有着漫长的历史，早在19世纪末，科研工作者们以磨碎的铁粉为原料，利用石蜡进行包覆，随后通过压制成型制备出最早的纯铁粉芯REF_Ref3493\r\h[5]。随后美国西方电气公司成功制备出了应用于电话传输线路中的负载电感磁粉芯以及坡莫合金磁粉芯。而后于1940年美国贝尔实验室开发出了主要成分为铁镍钼的磁粉芯REF_Ref3696\r\h[6]，由于添加了一定量的钼元素，使得制备的磁粉芯的电阻率相比于铁镍磁粉芯有明显的提升，因而极大地降低了材料的涡流损耗，随后通过对其制备工艺的进一步改善，使得磁粉芯的性能得到较大优化，从而促进了金属软磁粉芯的发展。然而，由于原材料中含有大量战略金属镍，极大地提高了金属软磁粉芯的制备成本，从而限制了磁粉芯的进一步发展，因而相关领域的专家积极开发其它合金成分的磁粉芯，并于20世纪80年代制备出了成本低廉的铁硅铝磁粉芯。随后美国联合公司在1984年制备出主要成分为Fe-Si-B的非晶磁粉芯，进一步拓展了金属软磁粉芯的市场。在1988年开发了纳米晶合金材料后，纳米晶磁粉芯的研究工作在世界范围内迅速开展，得到前所未有的关注。磁粉芯作为一种综合软磁性能优良的软磁材料，其研发和应用对于电工和电子领域具有巨大的推动作用，有利于实现电子设备的大功率容量和小型化并具备更高的精度和灵敏度。因此，以美国为首的西方发达国家自上世纪五十年代就已经开始了磁粉芯的研发，成功制备了铁粉芯、铁镍磁粉芯、铁硅铝磁粉芯和钼坡莫合金磁粉芯等一系列的产品，并形成了美国磁性材料公司和韩国昌星公司等全球性的跨国企业，垄断了全球市场。与之相比，我国的磁粉芯事业起步较晚，上个世纪60年代末期，由于航天工业的发展提上日程，国内才开始了该领域的追赶，由此开始了磁粉芯研究的一段鼎盛浪潮，但也仅仅单一服务于国防领域，并未涉足广大的民用、工业领域，发展迟缓REF_Ref4045\r\h[7REF_Ref4052\r\h,8,REF_Ref4058\r\h9]。直到80年代，随着对外开放政策的实施，我国企业在基于自身研究的基础上开始了对国外先进软磁复合材料的仿制，科研方面得到了长足进步，磁粉芯相关产品开始走向市场REF_Ref4577\r\h[10]。进入21世纪后，国内对于磁粉芯的需求日益增长、各大企业和高校等机构在磁粉芯领域人力财力的积极投入等都促进了磁粉芯的发展，也涌现出了众多依托软磁材料为原料的新型企业，生产出的部分产品质量和性能已经可以和国外产品相媲美REF_Ref4747\r\h[11REF_Ref4754\r\h,12REF_Ref4760\r\h,13,REF_Ref4767\r\h14]。磁粉芯是个多学科交叉领域，我国在磁粉芯领域的研究历经短短半个多世纪的沉淀，发展速度有目共睹。近年来，我国部分磁材行业在材料制备、制造工艺等多项技术中突破瓶颈，相信在不久的将来，我国高新技术产业必将受益于磁器件小型化、高频化和低耗能所带来的优势，并促进国家经济、军事和航空等领域的进步REF_Ref5100\r\h[15]。1.3磁粉芯结构性能特征磁粉芯是由磁粉颗粒、绝缘介质以及粘结剂均匀混合后根据实际需要压制成不同形状的金属软磁复合材料，磁粉芯是一种非均匀、非致密的混合结构，绝缘介质的包覆作用包括阻断磁粉间涡流通道，提高服役频率和创造低导磁率两方面REF_Ref5358\r\h[16REF_Ref5364\r\h17]。一般磁粉芯的制备前期磁粉颗粒配比工作，选取尺寸很小且均匀，避免了集肤效应的发生，后期的器件工作稳定受颗粒尺寸影响较小，磁导率等关键性能不会出现大的波动，稳定服役。为满足不同领域器件工作频率的要求可选择不同合金配比制备的磁粉芯，为不同工作场景适配不同工艺形状的磁粉芯，通过不同压制工艺将软磁性带材加工成粉末与绝缘介质混合压制出各种异型件，例如E型、I型及环型等，扩大了其适用范围REF_Ref5498\r\h[18]。传统软磁合金具有高的磁感应强度，但是电阻率太低，高频下涡流损耗较高，一般应用于低频领域(小于2kHz)REF_Ref5600\r\h[19]。而铁氧体软磁材料导磁率较高，而且电阻率很高，可有效减少高频下(几百kHz～几十MHz)的涡流损耗REF_Ref5743\r\h[20]，但不适合用于低频领域，因此应用频率范围在几十kHz到几百kHz的磁粉芯便应运而生，弥补了前两者的缺点。磁粉芯相较于目前工业生产中广泛使用的铁氧体软磁材料，具有相对高的饱和磁感应强度，其中最低的钼坡莫磁粉芯也有0.8T左右，而铁粉芯高达1.5TREF_Ref5854\r\h[21]。磁粉芯性能的可控性是其他软磁材料所不可比拟的，依据不同应用场景的使用，通过控制或调节生产工艺参数、合金成分配比可以获得目标产物，最大程度的满足工业需求，这一特点可为改善电子产品质量和制备特定性能器件带来有益帮助，尤其是在诸如国防、军事领域REF_Ref4045\r\h[7,REF_Ref6080\r\h22,REF_Ref6086\r\h23,REF_Ref6093\r\h24]。集合了传统软磁合金生产工艺简单、铁氧体软磁材料优异的高频性能等优点，如今，磁粉芯已广泛应用于电感器、手机信号基站、UPS电源铁芯等方面。随着未来电力电子、通信的迅速发展，对磁粉芯的要求只会更高，需求也会更加增长迅猛REF_Ref6315\r\h[25,REF_Ref6318\r\h26]。1.4磁粉芯分类软磁复合材料是采用绝缘材料包覆金属粉末后压制成型而制备的。因此可根据其采用的金属粉末的种类来命名及分类。到目前为止，已经开发了多种软磁复合材料，但是应用最广的软磁复合材料有以下几种：铁粉芯、铁硅粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通粉芯、铁镍钼粉芯、非晶纳米晶粉芯等。这些金属软磁粉芯优势不同，可根据各自的性能特点及成本选择应用场合。(1)纯铁磁粉芯纯铁是最典型的软磁材料，铁粉芯由还原铁粉或羰基铁粉和树脂混合压制而成，价格低廉，饱和磁通密度高达1.5T，其立方各向异性使得纯铁具有相对较低的磁晶各向异性常数（K1=4.8×104J/m3)及磁致伸缩系数（100=21×10-6，111=-20×10-6）REF_Ref6641\r\h[27,REF_Ref6654\r\h28]。具有良好的直流叠加稳定性，主要应用在继电器，电磁线圈以及真空设备中的磁体，尤其应用在直流磁场领域。但是纯铁粉芯的损耗较高，限制了其高频应用REF_Ref6778\r\h[29]。(2)铁硅铝磁粉芯铁硅铝合金是1932年由位于日本仙台的东北帝国大学金属材料研究所的增本量和山本达志所研发出来，因此又被称为仙台斯特合金(Sendust)，其主要成分为85%wtFe-9.6%wtSi-5.4%wtAl，在实际使用中也应用到该合金的另一种成分:85%wtFe-9%wtSi-6%wtAI。由于合金中不含金属镍，使得制造价格低廉，制备工艺简便，因此铁硅铝磁粉芯的价格要比钼坡莫磁粉芯和高磁通磁粉芯便宜很多。铁硅铝合金的饱和磁感应强度约为1.05T，居里温度为500℃。铁硅铝磁粉芯在金属磁粉芯当中具有最佳的性价比，铁硅铝磁粉芯的功率损耗要远低于铁粉芯，而其价格又远低于高磁通磁粉。铁硅铝磁粉芯不仅能提供环状产品，还能提供E形、块状以及罐型产品以供选择使用。铁硅铝粉芯通常有效磁导率为26~125，有5种牌号磁芯可供选择使用REF_Ref6890\r\h[30]。(3)铁硅磁粉芯铁硅磁粉芯中含93.5%wtFe-6.5%wtSi，自从1905年开始大规模生产FeSi合金以后，FeSi合金已成为电力电子工业中不可缺少的软磁材料，是应用量最大的软磁材料。由于不含金属镍，因而价格低廉。铁硅合金的饱和磁感应强度约1.6T，居里温度为700℃。通常使用有效磁导率为60的铁硅磁粉芯。铁硅磁粉芯在高温条件下使用不会出现类似铁粉芯的热时效老化现象，铁硅磁粉芯的功率损耗也要低于铁粉芯的功率损耗，而且铁硅磁粉芯同高磁通磁粉芯一样具有优异的直流偏置性能。(4)铁镍磁粉芯铁镍磁粉芯由成分为Fe-50wt%Ni的铁镍合金粉末包覆绝缘介质压制而成，其最大的优点是饱和磁感应强度高（1.5T），又被称为坡莫合金磁粉芯或高通磁粉芯REF_Ref6994\r\h[31]。铁镍磁粉芯的磁导率较高（可高达160），同时具有磁粉芯中最佳的直流偏置特性，但是其涡流损耗很高，因此在电力电子和电机中并不常见，主要用于一些对直流偏置特性要求较高的设备中，例如：PFC抗流器和功率因数校正电器。(5)铁镍钼磁粉芯铁镍钼（MPP）磁粉芯是由Fe-81wt%Ni-2wt%Mo合金粉末制备成的，又被称为钼坡莫合金磁粉芯。它的优势是其具备最优良的综合性能，但由于昂贵的价格，因此还处于发展阶段REF_Ref7092\r\h[32]。其突出的温度稳定性，可用于高Q值滤波器;具有最低的损耗，可应用于负载线圈;具有较好的直流偏置性能，以及高交流激发下较小的电感偏移，可广泛用作EMIIRFI滤波器。非晶、纳米晶磁粉芯在国内的开发最早要追溯到上世纪九十年代，发展至今已成为一类应用广泛的软磁功能材料。非晶态原子的无规则排列使得非晶软磁材料拥有高的电阻