CN103426580A - 一种复合磁粉芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合磁粉芯及其制备方法。技术方案为：水热法在软磁合金粉末表面原位制备颗粒尺寸均匀的纳米铁氧体颗粒，经压制、热处理工艺，制备新型铁氧体复合磁粉芯。本发明的优点是：（1）由于采用水热法原位法制备锰锌、镍锌铁氧体，可以方便的制备出颗粒尺寸大小均匀、可控的纳米颗粒；（2）铁氧体作为软磁合金粉的绝缘包覆剂，克服了传统非磁性物质作为包覆剂时造成基体磁性能降低的缺点，可以获得较高的磁导率和饱和磁化强度。

Description

一种复合磁粉芯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合磁粉芯及其制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

软磁材料是具有强磁性的铁磁性或亚铁磁性的一类物质，容易磁化也容易退磁。软磁材料的种类众多，可分为金属软磁材料、软磁铁氧体以及磁粉芯。铁氧体软磁材料具有高电阻率，因此在中高频段优势明显，但由于是亚铁磁性物质，因此饱和磁化强度较低，无法满足电子设备日益增大的功率要求，因此在众多高精尖领域无法应用。金属软磁优点在于饱和磁化强度高，但具有电阻率低的突出缺点，导致在高频下使用时涡流损耗极大，磁导率急剧下降，因此无法在中高频率下使用，这对于软磁材料是致命的缺点。

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，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，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；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。主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。金属软磁粉芯，既保留了金属软磁和铁氧体软磁的一些优良特性，同时又最大限度的克服了二者的一些缺陷，是综合性能最好的一种软磁材料。

磁粉芯常用制备过程包括：粉末钝化、绝缘包覆、压制、热处理等。绝缘包覆是软磁磁粉芯制备过程中最重要的一个环节，包覆层的好坏直接影响到软磁磁粉芯磁性能的优劣。常用的包覆介质有：高岭土、氧化硅等高电阻率介质。这类介质可以有效的提高体系绝缘性能，降低高频下的涡流损耗。但此类介质皆为非磁性，在提高材料高频工作特性的同时，降低了基体的磁性能，包括磁导率和磁化强度。

中国专利97102244.5、200480021670.6、200680001781.2等一系列专利采用的磁粉芯制备方法中，绝缘层均为非磁性物质，它们的加入导致了磁粉芯磁导率的降低。

中国专利200610124964.2、201310096126.9都是采用铁基磁粉与铁氧体粉末直接混合的方式获得磁粉芯。专利200610124964.2中的锰锌铁氧体没有介绍制备方法，并且尺寸为200目，与铁基磁粉的颗粒大小相当，无法对磁粉进行有效包覆。专利201310096126.9则是采用溶胶凝胶法获得铁氧体颗粒。本发明与它们区别的地方在于：本发明采用水热法直接在软磁合金粉末表面生长铁氧体颗粒，获得的铁氧体颗粒尺寸一致性好，包覆效果佳。

中国专利201010297482.3采用控制氧化法在铁粉颗粒表面原位生成Fe₃O₄壳层，然后与适量的硅树脂混合制备软磁磁粉芯，可以在一定程度上减弱非磁性介质对基体磁性能的损害。该发明是通过化学反应的方法，原位生成磁性绝缘介质，化学反应的参数应严格控制。本发明与之相区别的地方在于：本发明是通过水热反应在软磁合金粉末表面生长铁氧体颗粒，获得的铁氧体颗粒磁性能优良。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明采用水热法在软磁合金粉末表面原位制备颗粒尺寸均匀的纳米铁氧体颗粒，经压制、热处理工艺，制备新型铁氧体复合磁粉芯。

本发明的技术方案如下：（a）钝化：取一定量的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入需钝化的软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min，磷酸用量为0.2 wt.%~6 wt.%。（b）先驱液准备：将Fe³⁺盐、Zn²⁺盐和Ni²⁺（或Mn²⁺）盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（或Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄，x=0.2~0.8），分散到50ml的乙二醇中，Fe³⁺盐固定为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。（c）粉末原位包覆：将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，160℃~220℃下搅拌加热2h〜24h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为70~99.9wt.%，铁氧体为0.1~30wt.%。（d）添加粘接剂：取步骤（c）获得的混合粉末质量的0.1~4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5-2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。（e）成型：在0.4~1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环。（f）热处理：在氮气或氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480~700℃。

本发明的优点是：（1）由于采用水热法原位法制备锰锌、镍锌铁氧体，可以方便的制备出颗粒尺寸大小均匀、可控的纳米颗粒；（2）铁氧体作为软磁合金粉的绝缘包覆剂，克服了传统非磁性物质作为包覆剂时造成基体磁性能降低的缺点，可以获得较高的磁导率和饱和磁化强度。

具体实施方式

实施例1

取0.2g磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入100gFeSiAl软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将FeCl₃、NiCl₂盐和ZnCl₂盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.8）分散到50ml的乙二醇中，FeCl₃为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，160℃下搅拌加热24h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取0.1wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为700℃。

实施例2

取0.6g的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入10gFeSi软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将Fe（NO₃）₃、Ni（NO₃）₂和Zn（NO₃）₂按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.5）分散到50ml的乙二醇中，Fe（NO₃）₃盐为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，180℃下搅拌加热12h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.4GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为640℃。

实施例3

取0.09g的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入2.8gFeNi软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将Fe₂（SO₄）₃、Ni SO₄和ZnSO₄按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.6）分散到500ml的乙二醇中，Fe₂（SO₄）₃为5mmol，搅拌直到完全溶解。加入15.4gCH₃COONH₄和8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中， 200℃下搅拌加热8h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取2wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在0.4GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480℃。

实施例4

取1.5g的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入50gFeNiMo软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将FeCl₃、MnCl₂盐和ZnCl₂盐按摩尔比Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.4）分散到50ml的乙二醇中，FeCl₃为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中， 220℃下搅拌加热2h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取0.3wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在0.8GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为520℃。

实施例5

取0.8g的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入100gFeSiAl软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将Fe（NO₃）₃、Mn（NO₃）₂和Zn（NO₃）₂按摩尔比Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.2）分散到50ml的乙二醇中，Fe（NO₃）₃盐为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，200℃下搅拌加热10h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取0.5%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.3GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为600℃。

实施例6

取0.6g的磷酸，水浴加热至85℃。缓慢加入20gFeCuNbSiB非晶合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min。将Fe₂（SO₄）₃、Ni SO₄和ZnSO₄按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.3）分散到50ml的乙二醇中，Fe₂（SO₄）₃为0.5mmol，搅拌直到完全溶解。加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟。

将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，180℃下搅拌加热12h。所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥。

取1.6wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.6GPa压力下将粉末压成致密圆环。在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为680℃。

Claims (2)

1.一种复合磁粉芯及其制备方法，其特征在于它的步骤为：

（a）钝化：取一定量的磷酸，水浴加热至85℃；缓慢加入需钝化的软磁合金，搅拌使二者充分混合反应，钝化30min，磷酸用量为0.2 wt.%~6 wt.%；

（b）先驱液准备：将Fe³⁺盐、Zn²⁺盐和Ni²⁺（或Mn²⁺）盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（或Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄，x=0.2~0.8），分散到50ml的乙二醇中，Fe³⁺盐为0.5mmol，搅拌直到完全溶解；加入1.54gCH₃COONH₄和0.8ml聚乙二醇，搅拌30分钟；

（c）粉末原位包覆：将先驱液与钝化后的软磁合金粉末转移到带搅拌功能的不锈钢高压釜中，160℃~220℃下搅拌加热2h〜24h；所得产物用乙醇洗涤数次，在80℃下的干燥；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为70~99.9wt.%，铁氧体为0.1~30wt.%；

（d）添加粘接剂：取步骤（c）获得的混合粉末质量的0.1~4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5-2h至混合物蒸干、粉末均匀混合；

（e）成型：在0.4~1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环；

（f）热处理：在氮气或氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480~700℃。

2.如权利要求1所述的一种复合磁粉芯及其制备方法，其特征在于：所述的软磁合金为FeSiAl、FeSi、FeNiMo、FeNi及FeCuNbSiB非晶。