CN109754979B - 一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法。所述复合材料为核壳结构，以铁基合金粉末为核，在铁基合金粉末表面依次包覆有钝化层与Al₂O₃包覆层。制备方法为：铁基合金粉末在钝化溶液中反应，得到粉末A；制备Al₂O₃胶体；粉末A、Al₂O₃胶体球磨反应；将球磨后的粉末进行高温煅烧，得到一种高磁导率、低损耗的多层包覆软磁复合材料。与现有技术相比，本发明的优势在于，通过多层包覆高电阻率的绝缘物质，在高频应用条件下复合材料磁损耗较低，并且可以获得均匀性较好、厚度可精确控制的绝缘包覆层；Al₂O₃溶胶凝胶热稳定性强，可最大限度地提高磁粉性的致密度，提高磁粉性的导磁性能。

Description

一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能材料领域中的软磁复合材料，尤其是涉及一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息技术的快速发展，人们对各类电子元器件提出了小型化、智能化、高集成化、高能量大功率输入的发展要求。而作为电磁转换装备核心材料之一的SMCs，必将朝着高Bs、高Ms、高Tc、低Pc、低Hc和高频化、小型化、薄型化发展。铁基软磁复合材料是一种具有高性价比的金属软磁复合材料，在功率因数校正电路、脉冲回扫变压器、储能滤波电感器和线路滤波器等领域具有广阔的应用空间。但随其应用频率的提高，涡流损耗加剧。涡流损耗会导致磁芯大量的发热，从而降低了软磁复合材料的相关磁性能。据统计，约有9％的电能损耗来源于电磁转换中产生的焦耳热。所以，如何降低涡流损耗，开发节能型铁基软磁复合材料是当前研究的热点和难点。

一般来说，降低软磁复合材料涡流损耗的主要措施是阻断磁体颗粒间涡流导通路径和增加材料本身的电阻率，一般将磁性粉末与绝缘剂混合，通过绝缘包覆剂将磁性粉末隔离，阻断磁性粉末之间的导电通路，提高软磁复合材料的ρ，从而降低涡流损耗。绝缘剂一般分为有机绝缘材料与无机绝缘材料两种，有机材料具有较大的电阻率和较低的磁损耗，但是有机物本身热稳定性不高，温度过高会出现老化分解，只能在较低温度下使用，主要包括环氧有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚酯。无机材料主要包括Al₂O₃、MgO、SiO₂等，它们本身具有很高的电阻率，可以有效的降低磁损耗，热稳定性高，能够经受很高的温度，但是其本身为非磁性材料，将会降低复合材料本身的磁性能，如Ms、Bs等。为了保证SMCs具有良好的磁性能，因此，具有较大电阻率的铁氧体进入研究人员的视线中，Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体等都被作为包覆材料进行应用，但是，铁氧体很难均匀的涂覆在磁性粉末表面，因此会导致其涡流损耗较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多层包覆软磁复合材料及其制备方法。本发明多层包覆软磁复合材料兼具高磁导率、低损耗、综合磁性能优异，并且该软磁复合材料的制备工艺具有实施性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多层包覆软磁复合材料，所述复合材料为核壳结构，以铁基合金粉末为核，在铁基合金粉末表面依次包覆有钝化层与Al₂O₃包覆层。

所述钝化层是铁基合金粉末与钝化剂反应生成的金属盐层，所述钝化剂为磷酸、硝酸或冰醋酸。

所述铁基合金粉末包括Fe粉。

所述多层包覆软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(a)铁基合金粉末在钝化溶液中反应，得到粉末A，即为钝化粉末；

(b)制备Al₂O₃胶体；

(c)粉末A、Al₂O₃胶体球磨反应；

(d)将球磨后的粉末进行高温煅烧，得到多层包覆粉末，即多层包覆软磁复合材料。

进一步地，步骤(d)之后还有步骤(e)与步骤(f)，

(e)：将步骤(d)中包覆粉末压制成磁芯；

(f)：将步骤(e)所得磁芯进行热处理。

所述铁基合金粉末粒径为100～200um，所述铁基合金粉末包括Fe粉，所述钝化溶液是钝化剂与酒精的混合溶液，所述钝化剂为磷酸、硝酸或冰醋酸，所钝化剂与酒精的体积比为0.6～1.2：98.8～99.4；铁基合金粉末与钝化溶液的加入量之比为40～60g：15～25ml。铁基合金粉末在钝化溶液中反应的条件为：铁基合金粉末在钝化溶液中，在65℃的恒温水浴锅中，搅拌，至溶液完全蒸干，得到粉末A。

所述Al₂O₃胶体的制备包括如下步骤：异丙醇铝与乙二醇***混合，搅拌，再加入乙酰丙酮，搅拌，将混合体系温度升高，再加入乙酸，继续搅拌，蒸发，冷却至室温，澄清透明物质即为Al₂O₃胶体，即是前驱体。

所述异丙醇铝、乙二醇***、乙酰丙酮、乙酸的加入量之比为2.1～4.5g：40～60ml：1～3g：5～15ml。

异丙醇铝与乙二醇***混合，60℃下磁力搅拌30min，再加入乙酰丙酮，60℃下磁力搅拌30min，将混合体系温度升高至80℃，再加入乙酸，继续磁力搅拌30min，蒸发，冷却至室温。

所述球磨反应的条件是：粉末A、Al₂O₃胶体加入球磨罐中混合，搅拌均匀，加入钢球，放入球磨机中进行球磨，球墨时间10～20min，转速为100～150rap/min；

所述高温煅烧的条件是：在600℃条件下保温30min。

所述压制的条件是：在800MP-1000MP条件下压制，

所述热处理的条件是：在惰性气体条件下，500-700℃热处理0.5-2h，以减少压制过程中产生的残余应力。

进一步，本发明提供了一种具体的制备工艺，包括以下步骤，以下步骤中是以一定量的数值进行表征的，同等比例的扩大也能够再现本发明的工艺。

(1)称取一定量的Fe粉，放入烧杯中；

(2)分别量取一定量钝化剂和酒精，将钝化剂缓慢加入到酒精中，配成一定浓度的钝化溶液；

(3)量取一定体积的钝化溶液，加入到烧杯中，放入65℃的恒温水浴锅中，搅拌，至溶液完全蒸干，得到粉末A；

所述的Al2O3胶体的制备包括如下步骤：

(4)称取一定量异丙醇铝(研磨)，称量完放入烧杯A中；

(5)量筒量取一定量乙二醇***，向烧杯A中加入，60℃磁力搅拌30min；

(6)量筒量取一定量的乙酰丙酮，缓慢加入到烧杯A中，60℃磁力搅拌30min；

(7)量取一定量乙酸，将温度升高到80℃，一次性加入，继续搅拌30min，再蒸发至60-65ml；

(8)冷却至室温，澄清透明为前驱体B；

所述的多层包覆软磁复合材料包括如下步骤：

(9)将称取的一定量的粉末A、量取一定体积前驱体B加入球磨罐中混合，搅拌均匀，加入钢球，放入球磨机中进行球磨，球墨时间10～20min，转速为100～150rap/min；

(10)将球磨后的粉末放入管式炉中，在600℃条件下保温30min，得到多层包覆粉末；

(11)将步骤10)中包覆粉末在800MP-1000MP条件下压制成磁芯；

(12)在惰性气体条件下，热处理温度为500-700℃热处理0.5-2h,以减少压制过程中产生的残余应力。

所述步骤(1)中，铁粉粒径为100～200um，称取Fe粉的质量为40～60g。

所述步骤(2)中，钝化剂为磷酸、硝酸或冰醋酸，量取钝化剂的体积为0.6～1.2ml，酒精体积为98.8～99.4ml。优选地，钝化剂为磷酸，钝化液浓度为0.01g/ml～0.2g/ml，优选0.012g/ml；

所述步骤(3)中，钝化液体积为15～25ml，优选步骤(3)中，钝化液体积与铁粉质量的比为2～3g/mL，优选2.5g/mL。

所述步骤(4)中，异丙醇铝的质量为2.1～4.5g，优选4.0048g。

所述步骤(5)中，量取乙二醇***体积为40～60ml，优选50ml。

所述步骤(6)中，称取乙酰丙酮质量为1～3g，优选2.0048g。

所述步骤(7)中，量取乙酸体积为5～15ml，优选10ml。

优选的，所述步骤(4)中，惰性气体氛围为氩气或氮气。

本发明以提高磁导率、降低损耗、优化和改善软磁复合材料的磁性能为出发点，以铁基合金粉末为原料，分别采用钝化剂钝化和化学包覆法制备钝化层/Al₂O₃双层包覆的铁基合金核壳结构粉末，然后将复合粉末进行高温烧结制备具有高电阻率、低损耗、颗粒间绝缘的高致密铁基复合软磁复合材料。由于具有单一磷酸钝化层或Al₂O₃包覆层的磁粉在高压制力下绝缘层可能破裂，降低了绝缘层的完整性，从而降低磁粉芯的磁性能；而具有磷化双层包覆层的磁粉，在高压制力下首先会破坏外层绝缘层的结构完整性，而内层的绝缘层仍保持完整，能有效的阻断涡流降低涡流损耗，化学包覆方法和磷酸钝化可以获得均匀性较好、厚度可精确控制的绝缘包覆层。另外，采用高温烧结处理可最大限度地提高磁粉性的致密度，提高磁粉性的导磁性能。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明采用化学包覆和钝化工艺可以获得均匀性较好、厚度可精确控制的绝缘包覆层，可以有效提高热处理温度。

(2)本发明可以承受更高的压制压力，有效缓解单一钝化层或Al₂O₃包覆层的磁粉在高压制力下绝缘层可能破裂，从而降低磁粉芯的磁性能。

(3)本发明在不影响软磁复合材料优良磁性能的同时，具有更低的涡流损耗。

附图说明

图1是实施例1中制得的材料的损耗随频率变化曲线图；

图2是实施例2中制得的材料的磁导率实部随频率变化曲线图；

图3是实施例2中制得的材料的磁导率虚部随频率变化曲线图；

图4是实施例2中制得的材料的磁损耗随频率变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了如下具体实施方案，公开了不同反应温度及反应时间的实施例，并对比分析不同反应温度及反应时间下的性能。因此，应当认为本专利具体记载公开了所述技术方案的所有可能的包覆方式。

实施例1：

一种多层包覆的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50g的Fe粉，放入烧杯中；

(2)分别量取0.7ml磷酸和99.3ml酒精，将钝化剂缓慢加入到酒精中，配成0.012g/ml的钝化溶液；

(3)量取15ml的磷酸钝化溶液，加入到烧杯中，放入65℃的恒温水浴锅中，搅拌，至溶液完全蒸干，得到粉末A；

所述的Al₂O₃胶体的制备包括如下步骤：

(4)称取4.0048g异丙醇铝(研磨)，称量完放入烧杯A中；

(5)量筒量取50ml乙二醇***，向烧杯A中加入，60℃磁力搅拌30min；

(6)称取2.0024g的乙酰丙酮，缓慢加入到烧杯A中，60℃磁力搅拌30min；

(7)量取10ml乙酸，将温度升高到80℃，一次性加入，继续搅拌30min，再蒸发至60-65ml；

(8)冷却至室温，澄清透明为前驱体B；

所述的多层包覆软磁复合材料包括如下步骤：

(9)将称取的10g的粉末A、称取0.03g前驱体B加入球磨罐中混合，搅拌均匀，加入钢球，放入球磨机中进行球磨，球墨时间10～20min，转速为100～150rap/min；

(10)将球磨后的粉末放入管式炉中，在600℃条件下保温30min，得到多层包覆粉末；

(11)将步骤10)中3.5g包覆粉末在800MP条件下压制成外径20mm，内径12mm，厚度为2.5mm的磁芯；

(12)在惰性气体条件下，热处理温度为600℃热处理0.5h，以减少压制过程中产生的残余应力。

对上述制得的进行如下检测：

采用MATS-2010SA软磁材料动态测量装置(简称LCR meter)测量样品磁导率、磁损耗等磁性能参数。

实施例1中制得的材料的损耗，结果如图1所示。

实施例2：

一种多层包覆的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取50g的Fe粉，放入烧杯中；

(2)分别量取0.7ml硝酸和99.3ml酒精，将钝化剂缓慢加入到酒精中，配成0.012g/ml的钝化溶液；

(3)量取15ml的硝酸钝化溶液，加入到烧杯中，放入65℃的恒温水浴锅中，搅拌,至溶液完全蒸干，得到粉末A；

所述的Al₂O₃胶体的制备包括如下步骤：

(4)称取4.0048g异丙醇铝(研磨)，称量完放入烧杯A中；

(5)量筒量取50ml乙二醇***，向烧杯A中加入，60℃磁力搅拌30min；

(6)称取2.0024g的乙酰丙酮，缓慢加入到烧杯A中，60℃磁力搅拌30min；

(7)量取10ml乙酸，将温度升高到80℃，一次性加入，继续搅拌30min，再蒸发至60-65ml；

(8)冷却至室温，澄清透明为前驱体B；

所述的多层包覆软磁复合材料包括如下步骤：

(9)将称取的10g的粉末A、称取0.03g前驱体B加入球磨罐中混合，搅拌均匀，加入钢球，放入球磨机中进行球磨，球墨时间10～20min，转速为100～150rap/min；

(10)将球磨后的粉末放入管式炉中，在600℃条件下保温30min，得到多层包覆粉末；

(11)将步骤10)中3.5g包覆粉末在800MP条件下压制成外径20mm，内径12mm，厚度为2.5mm的磁芯；

(12)在惰性气体条件下，热处理温度为600℃热处理0.5h,以减少压制过程中产生的残余应力。

对上述制得的进行如下检测：

采用MATS-2010SA软磁材料动态测量装置测量样品磁导率、磁损耗等磁性能参数。

实施例2中制得的材料的磁导率实部、虚部和损耗，结果如图2、图3和图4所示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述多层包覆软磁复合材料为核壳结构，以铁基合金粉末为核，在铁基合金粉末表面依次包覆有钝化层与Al₂O₃包覆层；

所述钝化层是铁基合金粉末与钝化剂反应生成的金属盐层，所述铁基合金粉末粒径为100~200um；

所述多层包覆软磁复合材料的制备方法包括以下步骤：

（a）铁基合金粉末在钝化溶液中反应，得到粉末A；

（b）制备Al₂O₃胶体；

（c）粉末A、Al₂O₃胶体球磨反应；

（d）将球磨后的粉末进行高温煅烧，得到多层包覆粉末，即多层包覆软磁复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述钝化剂为磷酸、硝酸或冰醋酸。

3.根据权利要求1所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述铁基合金粉末包括Fe粉。

4.根据权利要求1所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，步骤（d）之后还有步骤（e）与步骤（f），

（e）：将步骤（d）中包覆粉末压制成磁芯；

（f）：将步骤（e）所得磁芯进行热处理。

5.根据权利要求1或4所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述铁基合金粉末包括Fe粉，

所述钝化溶液是钝化剂与酒精的混合溶液，所述钝化剂为磷酸、硝酸或冰醋酸，所钝化剂与酒精的体积比为0.6~1.2：98.8~99.4；

铁基合金粉末与钝化溶液的加入量之比为40~60g：15~25ml。

6.根据权利要求1或4所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述Al₂O₃胶体的制备包括如下步骤：

异丙醇铝与乙二醇***混合，搅拌，再加入乙酰丙酮，搅拌，将混合体系温度升高，再加入乙酸，继续搅拌，蒸发，冷却至室温，澄清透明物质即为Al₂O₃胶体。

7.根据权利要求6所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述异丙醇铝、乙二醇***、乙酰丙酮、乙酸的加入量之比为2.1~4.5g：40~60ml：1~3g：5~15ml。

8.根据权利要求1或4所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述球磨反应的条件是：粉末A、Al₂O₃胶体加入球磨罐中混合，搅拌均匀，加入钢球，放入球磨机中进行球磨，球墨时间10~20min，转速为100~150rap/min；

所述高温煅烧的条件是：在600℃条件下保温30min。

9.根据权利要求4所述的一种多层包覆软磁复合材料，其特征在于，所述压制的条件是：在800MP-1000MP条件下压制，

所述热处理的条件是：在惰性气体条件下，500-700℃热处理0.5-2h。

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