CN114360884A - 一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用。本发明将Fe‑基非晶合金粉末通过放电等离子体处理，使非晶粉末表面层被纳米晶化，然后通过添加包覆剂和润滑剂后进行压制成型，最后在高于Fe‑基非晶合金粉末晶化温度下烧结处理，粉末表面纳米晶继续长大、粉末内部非晶纳米晶化，形成晶粒尺寸的梯度差异，从而获得外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。本发明所述方法简单，环保，成本低廉，在有效提升Fe‑基磁粉芯饱和磁感强度、磁导率和电阻率的同时，大幅降低了磁损耗，可广泛应用于多种领域的中高频电子器件。

Description

一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯 及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于软磁材料成型技术领域，具体涉及一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用，具体为本发明将Fe-基非晶合金粉末通过放电等离子体处理，使粉末表面层被晶化，结合包覆、压制和烧结工艺获得外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

背景技术

随着现代技术不断的更新换代，电气化在许多行业的使用越来越广泛，并且电子器件的小型化逐渐成为趋势，如3C产品、通信电子、医疗器械、新能源汽车、航空航天等领域，其具体应用的目标器件如在5G通信器件、5G通信基站、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器、扼流圈、复杂阻尼器等。因此需要寻求更高磁性能、更高效的电感元件来满足功率器件小型化的发展趋势。尤其，这些设备需在几百兆赫兹(MHz)频率以上的高频下运行，其功率可达几千瓦，故具有高磁感强度(B_s)和低磁损耗(W_m)的软磁合金可以满足其电子器件模块化和高效集成化的需求，因此软磁材料将会是下一代电子电力设备和及其电子器件高效运行的关键材料。

磁粉芯软磁复合材料是近年来磁性材料领域的研究重点。通常，磁粉芯软磁复合材料的制备包括以下步骤：(1)使用气雾化或水雾化等方法制备软磁合金粉末，软磁材料一般选取含硅、镍、铝或钴的铁基预合金成分；(2)将软磁合金粉末表面包覆一层绝缘层；(3)将绝缘包覆的软磁粉末与润滑剂混合；(4)将步骤(3)所得混合粉末压制成形制取生坯；(5)在350℃至900℃的温度下烧结，获得磁粉芯软磁复合材料。磁粉芯软磁复合材料绝缘包覆层的独特之处在于：每个被绝缘层包覆的粉末颗粒，在其内部具有非常小的涡流路径，并且其具有较高的电阻率，可以致使软磁复合材料在工作期间产生的涡流损耗大幅降低。因此，单个软磁粉末颗粒及其绝缘包覆层可称为“功能基元”，软磁复合材料便是由许多的功能基元结合而成。

另一方面，纳米晶软磁复合材料具有较高的磁感强度和磁导率。纳米晶软磁合金由于其独特的结构长度远低于铁磁交换长度，使得磁各向异性常数降低，进而可以使得纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能，可以应用在多种场合。根据定义，纳米晶功能基元内部由软磁非晶基体与随机成核的纳米晶组成，外部为包覆的绝缘层。其内部的结构通常通过两阶段路线获得：首先是通过快速凝固获得非晶结构，然后通过改性处理晶化形成纳米晶。

Yoshizawa等学者证明，在Fe-Si-B中添加少量Cu和Nb后(Fe-Si-B-Nb-Cu也称为Finemet合金)，在500至600℃下烧结1小时，可以具有优异的软磁性能。这是由于引入Cu可增加形核点的数量，而Nb阻止晶粒长大，同时抑制硼化物相的形成，故所开发的微观结构由非晶基体和α-Fe+FeSi纳米晶(约10nm)组成。但是，Finemet合金的B_s值还不能满足一些需要高B_s的电感器件的需求。为了开发高B_s软磁合金，基于Finemet合金的制造基础Suzuki等学者开发出Fe-Zr-B基合金，称为Nanoperm合金。还有Makino等学者开发出含非金属Fe-Si-B-P-Cu的Nanomet合金。

尽管Nanoperm合金和Nanomet合金提高了饱和磁感强度B_s值，但是其在高频工作时磁损耗W_m仍然偏高，不能满足未来日益小型化的电子器件对低损耗的需求。另一方面，对于纳米晶软磁合金，虽然其材料成分的调控已有研究和报道，但是对纳米晶的梯度尺寸差异调控尚未有报道。因此，有必要探索出一种高磁感低损耗纳米梯度磁性材料以拓展产业化应用领域。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，具体为将Fe-基非晶合金粉末通过放电等离子体处理，使粉末表面层被晶化，然后通过添加包覆剂和润滑剂后进行压制，最后在高于晶化温度下烧结处理，粉末表面纳米晶粒继续长大，粉末内部非晶则开始晶化，形成晶粒尺寸的梯度差异，从而获得外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

该方法可提升原有Fe-基微米级磁粉芯的磁导率U_i和降低中高频工作时的磁损耗，并且制造工艺流程简单，可个性化制造，也可批量生产，尤其适用于中高频电子器件的应用。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

本发明的再一目的在于提供上述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频领域电子器件的应用。

本发明所述高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯可应用于3C产品、通信电子、医疗器械、新能源汽车、航空航天等领域，其具体应用的目标器件如在5G通信器件、5G通信基站、扼流圈、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器和阻尼器等。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)将Fe-基非晶合金粉末进行放电等离子体处理，处理条件为：电压130～150V，电流1.6～2.2A，转速1000～1500r/min，每次放电处理时间为2～4h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次，得到表面纳米晶化的Fe-基合金粉末；

(2)将步骤(1)表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂进行混合包覆和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到高致密磁粉芯压坯；

(3)将步骤(2)高致密磁粉芯压坯在惰性气体氛围中烧结成型，Fe-基合金粉末表面纳米晶长大为大尺寸纳米晶、内部非晶晶化为小尺寸纳米晶，得到高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

优选地，步骤(1)所述放电等离子体处理的条件为：电压135V，电流2～2.3A，转速1100～1200r/min，每次放电处理时间为2.3～3h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次。

优选地，步骤(1)所述Fe-基非晶合金粉末元素含量Fe70～90at.％，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Si、Co、B、C、P、Cu、Ni、Mo、Al、Ta、Nb和Sn元素；所述Fe-基非晶合金粉末的粒径为20～110μm。

更优选地，步骤(1)所述Fe-基非晶合金粉末为Fe₈₃Si₅B₈Cu₄、Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄和Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂中的至少一种。

优选地，步骤(1)所述Fe-基非晶合金粉末由原料配料，制棒，旋转电极雾化法制取合金粉末以及筛分所得。

优选地，步骤(1)所述放电等离子体处理的设备为Plasma-BM-S型放电等离子体机。

优选地，步骤(1)放电等离子体处理在不锈钢球磨罐中进行，在放电等离子体处理前，需先用高纯惰性气体净化气氛，然后再通入惰性气体。

优选地，步骤(1)所述表面纳米晶化的Fe-基合金粉末，表面得到一层厚度为50～500nm的纳米晶体膜。

优选地，步骤(2)所述包覆剂为有机硅树脂，所述包覆剂先与有机溶剂按照体积比75～85：25～15混合均匀得到包覆剂溶液后，再与表面纳米晶化的Fe-基合金粉末混合，其中表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂溶液的质量比为10：1；所述有机溶剂为酮类有机溶剂，更优选为丁酮和丙酮中的至少一种。

优选地，步骤(2)所述表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂混合包覆的时间为25～55min；所述干燥的温度为50～80℃，时间为20～40min。

优选地，步骤(2)所述润滑剂为硬脂酸锌，所述润滑剂占表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂总质量的0.1～0.5％。

优选地，步骤(2)所述与润滑剂混合的时间为10～30min。

优选地，步骤(2)所述压制成型的压力为1.5～3GPa，压制时间5～60s。

优选地，步骤(3)所述烧结处理的温度为高于Fe-基非晶合金粉末的晶化温度，时间为10min～1h；更优选为30～35min。

优选地，步骤(3)所得高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯还可以进行喷漆处理，喷漆材料为环氧树脂或聚酯混合物，喷涂厚度为80～260μm；更优选为80～150μm。

所得高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯喷漆处理是为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化。

上述方法制得一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

上述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频(大于30MHz)领域电子器件的应用。

优选地，所述中高频(大于30MHz)领域为3C产品、通信电子、医疗器械、新能源汽车和航空航天领域；更优选的电子器件为5G通信器件、5G通信基站、扼流圈、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器和阻尼器。

本发明所述方法，在步骤(1)放电等离子体放电处理过程中，高频交流电在铁芯电极棒与不锈钢磨槽之间可以产生高电压，高压会将放电室(放电屏障和研磨槽之间)内的气体击穿，从而产生冷放电等离子体；在放电过程中，瞬时高温使得Fe-基非晶粉末表面产生一层纳米晶体膜，厚度约为50-500nm，从而得到表面纳米化、内部为非晶结构的软磁梯度合金粉末。同时，在等离子体处理过程中还可将Fe-基非晶粉末中的部分闭孔打开和清除大部分粘在粉体表面的卫星粉，以提升压制粉末的致密度。在步骤(3)烧结过程中Fe-基非晶粉末开始晶化，由于步骤(1)中等离子处理已致使粉末表面晶化，因此，在烧结过程中，粉末表面晶粒继续长大，粉末内部则开始晶化，形成晶粒尺寸的梯度差异，具体为表面纳米晶长大到接近100nm、内部非晶相晶化为10nm左右的纳米晶，因此得到外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

采用本发明所述方法制备的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯，独特的梯度纳米结构使得Fe-基磁粉芯的磁性能得到提升。与未经步骤(1)中粉末表面纳米晶化处理的Fe-基磁粉芯相比，其磁导率、饱和磁感均有提升，提升幅度8-15％，另外，其磁损耗可降低6-10％。本发明等离子放电表面晶化处理过程简单，环保，成本低廉，且可使复合磁粉芯综合性能得到改善。

附图说明

图1为本申请实施例步骤(2)非晶合金粉末剖面示意图。

图2为本申请实施例步骤(4)烧结处理生成梯度纳米晶的示意图。

图3为本申请实施例步骤(4)所得梯度纳米晶的示意图。

图4为实施例1步骤(5)喷漆处理高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯的磁导率。

图5为实施例1步骤(5)喷漆处理高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯的饱和磁感强度。

图6为实施例1步骤(5)喷漆处理高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯的磁损耗。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

(1)制粉：把纯铁、纯硅、纯硼、纯铜按设计的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄原子百分比配料、制棒，通过旋转电极气雾化法制取合金粉末，对粉末进行筛分处理，获得粒径为20～110μm的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末。

(2)粉末表面晶化：将步骤(1)所得的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末放入不锈钢球磨罐中，用压力为2×10⁵Pa的高纯氩气对磨槽内的气氛进行3次净化，然后通入氩气。使用运用Plasma-BM-S型放电等离子体机对粉末进行处理，电压设置为135V，电流控制在2A，电机转速1100r/min，每次放电处理时间为2.5h。每次放电处理完毕相隔10分钟再进行下次，直到放电处理次数达到8次。在放电处理过程中，高频交流电在铁芯电极棒与不锈钢磨槽之间可以产生高电压，高压会将放电室(放电屏障和研磨槽之间)内的气体击穿，从而产生冷放电等离子体。致使放电过程中，瞬时高温使得Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末表面产生一层纳米晶体膜，厚度约为150nm。同时，在等离子体处理过程中还可将Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末中的部分闭孔中空粉末打开和清除大部分的粘在粉体表面的卫星粉，以提升压制粉末的致密度。

(3)粉末包覆和压制成型：将有机硅树脂(MQ硅树脂)和丙酮按照质量比85：15混合均匀得到有机硅树脂丙酮混合液，然后加入步骤(2)中的经过等离子表面晶体化处理后的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末并搅拌30min完成包覆，其中非晶粉末与有机硅树脂丙酮混合液的质量比为10:1。将包覆后的粉末放入65℃的干燥箱中进行烘干处理30min。随后将干燥后的包覆粉末与硬脂酸锌混合均匀，其中硬脂酸锌占非晶粉末与有机硅树脂总质量的0.4％。最后进行冷压，成型压力为2GPa，压制时间20s，成型Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯。

(4)烧结处理生成梯度纳米晶：将步骤(3)所得的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯在氩气气氛中进行烧结处理。Fe₈₃Si₅B₈Cu₄合金成分晶化温度为490℃，因此烧结温度选择490℃，烧结时间30min。烧结过程中Fe₈₃Si₅B₈Cu₄非晶粉末开始晶化，由于步骤2中的等离子处理已致使粉末表面晶化，因此，在烧结过程中，粉末表面晶粒会先开始长大，而内部则开始晶化，形成晶粒尺寸的差异，得到高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯。

(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化，需要将步骤(4)所得的高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯进行喷漆处理，喷漆材料选择环氧树脂E-44，喷涂厚度约110μm。

采用上述方法制备的高磁感低损耗纳米梯度Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯，独特的梯度纳米结构使得Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯的纳米磁性能得到提升。与未经步骤(2)中粉末表面晶化处理的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯(仅进行步骤(1)、(3)～(5))相比，其磁导率从210H/m提升至230H/m(如图4所示)，提升9％，饱和磁感强度从166emu/g提升至186emu/g，提升11％(如图5所示)，另外，其磁损耗降低6.1％(如图6所示)。因此，经过等离子放电表面晶化处理过得到的复合磁粉芯综合需求特性得到改善。

实施例2

(1)制粉：把纯铁、纯硅、纯硼、纯铌按Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄设计的原子百分比配料、制棒，通过旋转电极气雾化法制取合金粉末，对粉末进行筛分处理，获得粒径为20～110μm的Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄球形非晶粉末。

(2)粉末表面晶化：将步骤(1)所得的Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄球形非晶粉末放入不锈钢球磨罐中，用压力为2×10⁵Pa的高纯氩气对磨槽内的气氛进行3次净化，然后通入氩气。使用运用Plasma-BM-S型放电等离子体机对粉末进行处理，电压设置为135V，电流控制在2.1A，电机转速1200r/min，每次放电处理时间为3h。每次放电处理完毕相隔10分钟再进行下次，直到放电处理次数达到7次。在放电处理过程中，高频交流电在铁芯电极棒与不锈钢磨槽之间可以产生高电压，高压会将放电室(放电屏障和研磨槽之间)内的气体击穿，从而产生冷放电等离子体。致使放电过程中，瞬时高温使得Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄球形非晶粉末表面产生一层纳米晶体膜，厚度约为150nm。同时，在等离子体处理过程中还可将Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄球形非晶粉末中的部分闭孔中空粉末打开和清除大部分的粘在粉体表面的卫星粉，以提升压制粉末的致密度。

(3)粉末包覆和压制成型：将有机硅树脂(MQ硅树脂)和丁酮按照质量比80：20混合均匀得到有机硅树脂丙酮混合液，然后加入步骤(2)中的经过等离子表面晶体化处理后的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末并搅拌35min完成包覆，其中非晶粉末与有机硅树脂丙酮混合液的质量比为10:1。将包覆后的粉末放入65℃的干燥箱中进行烘干处理35min。随后将干燥后的包覆粉末与硬脂酸锌混合均匀，其中硬脂酸锌占非晶粉末与有机硅树脂总质量的0.5％。最后进行冷压，成型压力为2.2GPa，压制时间25s，，成型Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄磁粉芯。

(4)烧结处理生成梯度纳米晶：将步骤(3)所得的Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄磁粉芯在氩气气氛中进行烧结处理。Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄合金成分晶化温度为440℃，因此烧结温度选择440℃，烧结时间35min。烧结过程中Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄非晶粉末开始晶化，由于步骤2中的等离子处理已致使粉末表面晶化，因此，在烧结过程中，粉末表面晶粒会先开始长大，而内部则开始晶化，形成晶粒尺寸的差异，得到高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯。

(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化，需要将步骤(4)所得的高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯进行喷漆处理，喷漆材料选择环氧树脂型号E-44，喷涂厚度约130μm.

采用上述方案制备的高磁感低损耗纳米梯度Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄磁粉芯，独特的梯度纳米结构使得Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄磁粉芯的纳米磁性能得到提升。与未经步骤(2)中粉末表面晶化处理的Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄磁粉芯(仅进行步骤(1)、(3)～(5))相比，其磁导率从215H/m提升至240H/m，提升11％，饱和磁感强度从160emu/g提升至179emu/g，提升10％，其磁损耗降低7.2％。因此，经过等离子放电表面晶化处理得到的复合磁粉芯综合需求特性得到改善。

实施例3

(1)制粉：把纯铁、纯硅、纯硼、纯铜、铁磷合金按Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂设计的原子百分比配料、制棒，通过旋转电极气雾化法制取合金粉末，对粉末进行筛分处理，获得粒径为20～110μm的Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂球形非晶粉末。

(2)粉末表面晶化：将步骤(1)所得的Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂球形非晶粉末放入不锈钢球磨罐中，用压力为2×10⁵Pa的高纯氩气对磨槽内的气氛进行3次净化，然后通入氩气。使用运用Plasma-BM-S型放电等离子体机对粉末进行处理，电压设置为135V，电流控制在2.3A，电机转速1000r/min，每次放电处理时间为2.3h。每次放电处理完毕相隔10分钟再进行下次，直到放电处理次数达到9次。在放电处理过程中，高频交流电在铁芯电极棒与不锈钢磨槽之间可以产生高电压，高压会将放电室(放电屏障和研磨槽之间)内的气体击穿，从而产生冷放电等离子体。致使放电过程中，瞬时高温使得Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂球形非晶粉末表面产生一层纳米晶体膜，厚度约为180nm。同时，在等离子体处理过程中还可将Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂球形非晶粉末中的部分闭孔中空粉末打开和清除大部分的粘在粉体表面的卫星粉，以提升压制粉末的致密度。

(3)粉末包覆和压制成型：将有机硅树脂(MQ硅树脂)和丙酮按照质量比82：18混合均匀得到有机硅树脂丙酮混合液，然后加入步骤(2)中的经过等离子表面晶体化处理后的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末并搅拌28min完成包覆，其中非晶粉末与有机硅树脂丙酮混合液的质量比为10:1。将包覆后的粉末放入60℃的干燥箱中进行烘干处理40min。随后将干燥后的包覆粉末与硬脂酸锌混合均匀，其中硬脂酸锌占非晶粉末与有机硅树脂总质量的0.4％。最后进行冷压，成型压力为2.3GPa，压制时间15s，成型Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂磁粉芯。

(4)烧结处理生成梯度纳米晶：将步骤(3)所得的Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂磁粉芯在氩气气氛中进行烧结处理。Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂合金成分晶化温度为452℃，因此烧结温度选择452℃，烧结时间40min。烧结过程中Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂非晶粉末开始晶化，由于步骤2中的等离子处理已致使粉末表面晶化，因此，在烧结过程中，粉末表面晶粒会先开始长大，而内部则开始晶化，形成晶粒尺寸的差异，得到高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯。

(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化，需要将步骤(4)所得的高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯进行喷漆处理，喷漆材料选择环氧树脂E-44，喷涂厚度约115μm。

采用上述方案制备的高磁感低损耗纳米梯度Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂磁粉芯，独特的梯度纳米结构使得Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂磁粉芯的纳米磁性能得到提升。与未经步骤(2)中粉末表面晶化处理的Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂磁粉芯(仅进行步骤(1)、(3)～(5))相比，其磁导率从224H/m提升至245H/m，提升9％，饱和磁感强度从157emu/g提升至179emu/g，提升12％，磁损耗降低8.1％。因此，经过等离子放电表面晶化处理得到的复合磁粉芯综合需求特性得到改善。

对比例1

该对比例仅仅改变步骤(2)等离子体球磨处理参数，使Fe₈₃Si₅B₈Cu₄非晶合金粉末表面无法晶化，其成分和其他实验参数步骤与实施例1一致。

(1)制粉：把纯铁、纯硅、纯硼、纯铜按设计的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄原子百分比配料、制棒，通过旋转电极气雾化法制取合金粉末，对粉末进行筛分处理，获得粒径为20～110μm的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末。

(2)粉末表面晶化：将步骤(1)所得的Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂球形非晶粉末放入不锈钢球磨罐中，用压力为2×10⁵Pa的高纯氩气对磨槽内的气氛进行3次净化，然后通入氩气。使用运用Plasma-BM-S型放电等离子体机对粉末进行处理，电压设置为130V，电流控制在1.7A，电机转速1000r/min，每次放电处理时间为2h。每次放电处理完毕相隔10分钟再进行下次，直到放电处理次数达到9次。

(3)粉末包覆和压制成型：将有机硅树脂(MQ硅树脂)和丙酮按照质量比85：15混合均匀得到有机硅树脂丙酮混合液，然后加入步骤(2)中的经过等离子表面晶体化处理后的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄球形非晶粉末并搅拌30min完成包覆，其中非晶粉末与有机硅树脂丙酮混合液的质量比为10:1。将包覆后的粉末放入65℃的干燥箱中进行烘干处理30min。随后将干燥后的包覆粉末与硬脂酸锌混合均匀，其中硬脂酸锌占非晶粉末与有机硅树脂总质量的0.4％。最后进行冷压，成型压力为2GPa，压制时间20s，成型Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯。

(4)烧结处理生成纳米晶：将步骤(3)所得的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯在氩气气氛中进行烧结处理。Fe₈₃Si₅B₈Cu₄合金成分晶化温度为490℃，因此烧结温度选择490℃，烧结时间30min。烧结过程中Fe₈₃Si₅B₈Cu₄非晶粉末生成纳米晶。

(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化，需要将步骤(4)所得的高磁感低损耗的梯度纳米磁粉芯进行喷漆处理，喷漆材料选择环氧树脂E-44，喷涂厚度约110μm。

采用上述方法制备的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯，其磁导率为214H/m，饱和磁感强度为169emu/g，相比实例1的纳米梯度Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯，其磁导率降低7％，饱和磁感强度降低9.2％，另外，其磁损耗增高6.2％。可见，由于晶粒结构的差异，导致所制备的Fe₈₃Si₅B₈Cu₄磁粉芯磁性能下降。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将Fe-基非晶合金粉末进行放电等离子体处理，处理条件为：电压130～150V，电流1.6～2.2A，转速1000～1500r/min，每次放电处理时间为2～4h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次，得到表面纳米晶化的Fe-基合金粉末；

(2)将步骤(1)表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂混合均匀，进行包覆和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到高致密磁粉芯压坯；

(3)将步骤(2)高致密磁粉芯压坯在惰性气体氛围中烧结成型，Fe-基合金粉末表面纳米晶长大为大尺寸纳米晶、内部非晶晶化为小尺寸纳米晶，获得高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯。

2.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Fe-基非晶合金粉末元素含量Fe70～90at.％，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Si、Co、B、C、P、Cu、Ni、Mo、Al、Ta、Nb和Sn元素；所述Fe-基非晶合金粉末的粒径为20～110μm；

步骤(3)所述烧结处理的温度为高于Fe-基非晶合金粉末的晶化温度，时间为10min～1h。

3.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述放电等离子体处理的条件为：电压135V，电流2～2.3A，转速1100～1200r/min，每次放电处理时间为2.3～3h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次；

步骤(1)所述Fe-基非晶合金粉末为Fe₈₃Si₅B₈Cu₄、Fe₈₀Si₁₀B₆Nb₄和Fe₈₂Si₇B₆P₃Cu₂中的至少一种；

步骤(3)所述烧结处理的时间为30～35min。

4.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述表面纳米晶化的Fe-基合金粉末，表面晶体膜的厚度为50～500nm。

5.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)放电等离子体处理在不锈钢球磨罐中进行，在放电等离子体处理前，需先用高纯惰性气体净化气氛，然后再通入惰性气体；

步骤(2)所述包覆剂为有机硅树脂，所述包覆剂先与有机溶剂按照体积比75～85：25～15混合均匀得到包覆剂溶液后，再与表面纳米晶化的Fe-基合金粉末混合，其中表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂溶液的质量比为10：1；

步骤(2)所述润滑剂为硬脂酸锌，所述润滑剂占表面纳米晶化的Fe-基合金粉末与包覆剂总质量的0.1～0.5％；

步骤(2)所述压制成型的压力为1.5～3GPa。

6.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(3)所得高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯还可以进行喷漆处理，喷漆材料为环氧树脂或聚酯混合物，喷涂厚度为80～260μm。

7.权利要求1～6任一项所述方法制得的一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

8.权利要求7所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用。

9.根据权利要求8所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用，其特征在于，所述中高频领域为3C产品领域、通信电子领域、医疗器械领域、新能源汽车领域和航空航天领域。

10.根据权利要求9所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用，其特征在于，所述中高频领域电子器件为5G通信基站、5G通信器件、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器、扼流圈和阻尼器。

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