一种复合磁粉芯及其制备方法与流程

本发明涉及一种金属软磁粉芯的制备方法，具体涉及一种fesicr/纳米nizn铁氧体复合磁粉芯的制备方法。

背景技术：

由于电子器件应用环境的高频化、高直流叠加、大电流以及大功率密度需求，传统磁芯材料如软磁铁氧体、金属软磁材料等已不再适用。软磁铁氧体材料虽然具有较高的电阻率，但由于其属于亚铁磁性材料，磁通密度只有金属软磁材料的1/3～1/2；金属软磁材料具有较高的磁通密度，但是其电阻率极低，在高频应用中遇到困难。金属软磁粉芯是指由铁磁性粉末和绝缘介质经压制成型而形成的一类金属复合材料。由于其综合了软磁金属材料和软磁铁氧体的优点，工作频率范围更宽更高、软磁性能优异、成本较低，成为近年来国内外材料研究的新热点。

制备软磁复合磁粉芯最为关键的流程是磁性粉末颗粒表面绝缘包覆工艺，目前主要分为以下三类：化学表面处理工艺；有机物包覆处理工艺；无机物包覆处理工艺。化学表面处理工艺主要采用无机酸盐，如磷酸、磷酸盐等，对金属磁粉进行表面钝化处理。专利cn107424706a直接采用磷酸溶液浸泡硅钢磁性粉末的方法来实现包覆，制备的复合磁粉芯在50hz、5000a/m下的磁感应强度b5000≥500mt，在25℃、20khz、100mt下的损耗为30～50w/kg。该法所包覆绝缘层均匀，厚度易于控制，但是这种无机盐钝化层不耐高温，而且无机酸会对环境造成相当程度的污染。有机物包覆处理工艺中，中国专利cn105225783a公布了采用环氧树脂、有机硅树脂等反应后所得的环氧改性有机硅树脂对磁粉芯进行绝缘包覆，制备的复合磁粉芯磁导率μe为60±8％，在25℃、50khz、100mt下的损耗为450mw/cm³左右。这种工艺可以大大提高磁性粉末表面的电阻率从而降低涡流损耗。但由于有机包覆材料的耐热性能较差，这种包覆层材料制备的软磁复合材料只能在温度低于500℃时进行热加工，当温度过高时，有机包覆层材料开始变软熔化，相邻的铁粉颗粒形成有效接触，导致材料的电阻率急剧下降，从而失去绝缘作用，而且加入过多的非磁性物质会使磁粉芯软磁性能大幅度下降。目前较为普遍的磁性粉末包覆方法为无机物包覆处理，中国专利cn108335820a使用mnzn铁氧体与铁粉混合球磨完成fe粉表面的包覆，制备的复合磁粉芯有效磁导率μe最大可达到223，饱和磁感应强度bs＝1.71t，但是整个制备过程较为复杂，不利于控制产品均一性，此外mnzn铁氧体电阻率远低于nizn铁氧体，用mnzn铁氧体包覆制备的复合磁粉芯的电阻率相对较低。中国专利cn106356177a采用水热法制备纳米mnzn铁氧体对fesial磁粉进行包覆，制备的复合磁粉芯有效磁导率μe达到76.4，在100khz、300mt、25℃下的损耗为56.5w/kg，虽然这种方法制备的fesial复合磁粉芯磁导率较高，但是这种方法制备工艺复杂，难以实现量产。因此，一种制备工艺简单、成本较低、复合磁粉芯电磁性能优异的磁粉芯制备方法成为本领域的亟需。

技术实现要素：

本发明主要针对现有技术制备复合磁粉芯时，选用的包覆剂以及包覆方法导致复合磁粉芯的有效磁导率和饱和磁化强度大幅度下降，电阻率提升幅度不大等问题，提供一种制备工艺简单、成本低、复合磁粉芯性能优异的新型包覆方法。本发明采用nizn铁氧体为原料，经粉碎球磨来制备纳米nizn铁氧体作为包覆剂，并在丙酮溶液中完成绝缘包覆过程，使nizn铁氧体粉末均匀的包覆在fesicr磁粉表面，从而制备出一种高电阻率、高磁感应强度、高有效磁导率、低功率损耗的fesicr/纳米nizn铁氧体复合磁粉芯。

本发明所要解决的技术问题是，提供一种制备工艺简单、成本低的高电阻率、高磁感应强度、高有效磁导率、低功率损耗的fesicr/纳米nizn铁氧体复合磁粉芯材料及制备方法。对比例1和2分别给出了未包覆的fesicr磁粉芯和包覆了4wt％纳米sio2的复合磁粉芯，包覆纳米sio2后的复合磁粉芯虽然电阻率更高，但是由于其为非磁性物质，导致复合磁粉芯的饱和磁化强度ms和有效磁导率μe大幅度下降。而本发明研制的纳米nizn铁氧体包覆的复合磁粉芯材料，相较于未包覆的纯fesicr磁粉，有效磁导率仅下降16％，饱和磁化强度ms仅下降8％，电阻率提高三个数量级，损耗在3mhz10mt25℃时下降25％。本发明复合磁粉芯材料具有有效磁导率μe＝55±10％，饱和磁化强度ms：≥1.4t(25℃)，损耗pl(500khz10mt)：≤47kw/m³(25℃)，损耗pl(1mhz10mt)：≤97kw/m³(25℃)，损耗pl(3mhz10mt)：≤671kw/m³(25℃)、电阻率ρ＞10³ω·m，密度dm＞6.85g/cm³等特性。

本发明采用的技术方案如下：

一种复合磁粉芯，其特征在于，包括fesicr磁粉和纳米nizn铁氧体包覆剂，其中，所述fesicr磁粉结构式为fe80～90si0.1～10cr5～10，粒径为5μm～20μm；所述nizn铁氧体结构式为nixzn1-xfe2o4，粒径为100nm～1μm，0.2≤x≤0.4；所述nizn铁氧体包覆剂为fesicr磁粉质量的3wt％～5wt％。

一种复合磁粉芯的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、fesicr磁粉的清洗：

分别采用去离子水、丙酮对fesicr磁粉进行清洗，以去除磁粉表面的杂质和油污；

步骤2、纳米nizn铁氧体包覆剂的制备：

采用传统的固相烧结法制备结构式为nixzn1-xfe2o4的nizn铁氧体，0.2≤x≤0.4，粉碎，球磨，得到粒径为100nm～200nm的粉末，即为铁氧体包覆剂；

步骤3、绝缘包覆：

采用丙酮对步骤1清洗后的磁粉进行浸润，其中，丙酮占磁粉质量的10wt％～15wt％；然后，向其中加入占fesicr磁粉质量的3wt％～5wt％的步骤2得到的纳米nizn铁氧体包覆剂、占fesicr磁粉质量的1wt％～3wt％的w-6c粘结剂，不断搅拌，烘干，过筛；

步骤4、压制成型：

将步骤3过筛后的粉末采用液压机在1gpa～20gpa的压力下压制成型，压制时间为10s，得到尺寸为ф12.0mm×ф8.0mm×hmm的环状样品(h为样品厚度)；

步骤5、退火：

将步骤4得到的环状样品置于管式炉内，在600℃～1000℃温度下、空气气氛下，退火0.5～2h，完成后，待炉内温度自然冷却至室温，取出，即可得到所述复合磁粉芯；

步骤6、测试：

将步骤5得到的复合磁粉芯进行电磁性能测试：其中，有效磁导率式中，l为磁粉芯的电感，le为磁粉芯的有效磁路长度，n为测试时磁环上的线圈匝数，ae为磁粉芯的有效截面积；测试条件为f＝1khz，u＝0.5v，绕线匝数为10匝。复合磁粉芯的功耗采用岩崎sy-8232b-h分析仪测试，测试条件为：500khz10mt，1mhz10mt，3mhz10mt，测试温度为25℃。复合磁粉芯的饱和磁化强度采用振动样品磁强计vsm(vibratingsamplemagnetometer)测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用nizn铁氧体为原料，经粉碎球磨制得的纳米nizn铁氧体作为包覆剂包覆fesicr磁粉，相较于微米nizn铁氧体，纳米nizn铁氧体比表面积更大，能够有效地包覆fesicr磁粉表面，避免fesicr磁粉颗粒间的直接接触。同时，所选用的nizn铁氧体均为缺铁配方，其导电机制为p型，nizn铁氧体的电阻率可高达10⁶ω·m。

2、图1和图2给出了纳米nizn铁氧体包覆的复合磁粉芯不同位置的eds图谱，可以看出纳米nizn铁氧体在磁粉颗粒间形成了一层薄而均匀的包覆层。根据砖墙模型理论，将fesicr磁粉和nizn铁氧体包覆层看为串联等效电路，作为包覆层的nizn铁氧体具有很高的电阻率，有效地阻碍了fesicr磁粉颗粒间的电子迁移运动，从而大大增加了复合磁粉芯的电阻率，降低了复合磁粉芯在高频中的涡流损耗；同时根据动态磁化理论，在外磁场的作用下，复合磁粉芯被磁化处于磁化状态，复合磁粉芯中磁畴发生转动、磁畴间的畴壁发生位移。nizn铁氧体作为软磁材料具有起始磁导率高、饱和磁感应强度高以及涡流损耗低等优点，采用nizn铁氧体包覆后的复合磁粉芯在动态磁化过程中，能有效降低fesicr磁粉颗粒间的退磁场、减小磁化阻力，从而使复合磁粉芯具有较高的有效磁导率和饱和磁化强度；在交变磁场中，复合磁粉芯也会产生能量损耗，磁损耗由涡流损耗、磁滞损耗和剩余损耗三部分组成。采用nizn铁氧体包覆后的复合磁粉芯具有高的电阻率和有效磁导率，所以可以有效降低复合磁粉芯的涡流损耗和磁滞损耗。

附图说明

图1为实施例3得到的复合磁粉芯中，fesicr磁粉颗粒的eds图谱；

图2为实施例3得到的复合磁粉芯中，fesicr磁粉颗粒间eds图谱；

图3为实施例3得到的复合磁粉芯的sem图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

一种复合磁粉芯的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、fesicr磁粉的清洗：

分别采用去离子水、丙酮对fesicr磁粉(组分为fe85si6.8cr8.2)进行清洗，以去除磁粉表面的杂质和油污；

步骤2、纳米nizn铁氧体包覆剂的制备：

采用传统的固相烧结法制备结构式为nixzn1-xfe2o4的nizn铁氧体，0.2≤x≤0.4，粉碎，球磨，得到粒径为100nm～200nm的粉末，即为铁氧体包覆剂；

步骤3、绝缘包覆：

取100g步骤1清洗后的磁粉，采用15g丙酮对磁粉进行浸润；然后，向其中加入占磁粉质量的3wt％～5wt％的步骤2得到的纳米nizn铁氧体包覆剂和占磁粉质量的2wt％的w-6c粘结剂，不断搅拌，烘干，过40目筛；

实施例1～3和对比例1、2的组分如下表：

步骤4、压制成型：

将步骤3过筛后的粉末采用液压机在20gpa的压力下压制成型，压制时间为10s，得到尺寸为ф12.0mm×ф8.0mm×h3.0mm的环状样品(h为样品厚度)；

步骤5、退火：

将步骤4得到的环状样品置于管式炉内，在700℃温度下、空气气氛下，退火1h，完成后，待炉内温度自然冷却至室温，取出，即可得到所述复合磁粉芯；

步骤6、测试：

将步骤5得到的复合磁粉芯进行电磁性能测试：其中，有效磁导率式中，l为磁粉芯的电感，le为磁粉芯的有效磁路长度，n为测试时磁环上的线圈匝数，ae为磁粉芯的有效截面积；测试条件为f＝1khz，u＝0.5v，绕线匝数为10匝。复合磁粉芯的功耗采用岩崎sy-8232b-h分析仪测试，测试条件为：500khz10mt，1mhz10mt，3mhz10mt，测试温度为25℃。复合磁粉芯的饱和磁化强度采用振动样品磁强计vsm(vibratingsamplemagnetometer)测试。

实施例1～3和对比例1、2的测试结果如下表：

图1为实施例3得到的复合磁粉芯抛面fesicr磁粉颗粒内部的eds图谱；由图1可知，在fesicr磁粉颗粒内部只有fe、si、cr三种元素出现，表明nizn铁氧体没有进入到fesicr磁粉颗粒内部。

图2为实施例3得到的复合磁粉芯抛面fesicr磁粉颗粒间的eds图谱；由图2可知，在fesicr磁粉颗粒间隙有ni和zn元素出现，表明作为包覆剂的nizn铁氧体均匀地包覆在fesicr磁粉颗粒表面。

图3为实施例3得到的复合磁粉芯的sem图谱；由图3可知，退火后的复合磁粉芯紧实致密，并且fesicr磁粉颗粒表面包覆了一层薄而均匀的铁氧体颗粒，表明本发明方法能使包覆剂均匀地包覆在磁粉颗粒上。