CN101699578A

CN101699578A - 稀土铁氮高频软磁材料及其复合材料和制备方法

Info

Publication number: CN101699578A
Application number: CN200910209960A
Authority: CN
Inventors: 李发伸; 左文亮; 刘忻; 伊海波
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2009-10-25
Filing date: 2009-10-25
Publication date: 2010-04-28

Abstract

本发明公开一种高频软磁材料和由这种材料制备的复合材料，以及这种材料和这种材料制备复合材料的制备方法。本发明的材料是由稀土元素与铁、氮构成的材料，本发明的这种材料的通式为R₂Fe₁₇N_3-δ，且材料的易磁化方向与C轴垂直，其通式中R为稀土元素中的Y、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu中的任一种或任两种的任意组合，0≤δ≤0.5。

Description

稀土铁氮高频软磁材料及其复合材料和制备方法

技术领域

本发明涉及高频软磁材料，由这种材料制备的复合材料，以及这种材料和这种材料制备复合材料的制备方法。本发明的高频软磁材料是一种含有稀土和氮的铁基合金；所述的复合材料是指以前述高频软磁材料与粘结材料制成的具有高频软磁特征的复合材料。

背景技术

现有技术中的高频软磁材料多为铁氧体材料，如中国发明专利01120531.8所公开的内容。现有技术中也有采用稀土铁基软磁金属玻璃的，如中发明专利02104348.5所公开的内容；中国发明专利99124006.5公开了在Fe-Co-Ni合金系内，选择α-γ相界线附近的化学成分，并添加适量合金元素Nb和稀土，真空冶炼、浇铸成型后采用两次热处理的方法，得到以α相为主晶相，并含适量γ相的双铁磁性相软磁合金；中国发明专利99801411.7公开了一种软磁铁-镍-合金，其具有35至65重量％的镍和一种或多种稀土金属铈、镧、镨、钕以及熔化条件下的夹杂，其中，稀土金属的总量是0.003至0.05重量％；中国发明专利98103995.2公开的电磁屏蔽和磁屏蔽用的软磁合金粉末的基本组成(重量％)是，Cr：0.5-20％，Si：0.001-0.5％，Al：0.01-20％，余量是Fe和不可避免的杂质，其制备方法是在磨碎机中扁平化，以30重量％以上的含量添加在基体材料中，含量最好尽可能地高，并处理形成片和模制品；中国发明专利申请200710047207.4公开一种制备高频用含氧软磁薄带的方法，其特征在于，包括如下步骤：A.采用中频感应加热法制备Fe_xM_yB_mO_n母合金，其中M选自Zr、Nb、Ti、V、Cr中的一种，55≤x≤65，10≤y≤20，5≤m≤10，10≤n≤30；B.将母合金切割成块状，封装入套有石英玻璃管的氧化锆坩埚内，进行真空处理；C.使用中频感应加热石英管中的母合金，待合金熔融完全后，向石英管中通入氩气，采用单辊熔体旋冷的方法喷制Fe_xM_yB_mO_n薄带；D.对薄带进行去应力退火处理；中国发明专利申请200710156841.1公开的软磁磁粉及其制造方法，包括：由Fe基、Fe-Si基、Fe-B基、Fe-Si-B基、Fe-Al-B基中的一种或多种构成的主相和镶嵌于主相中的由Fe、C、Cu、Nb、Zr、Hf中的一种或多种构成的非晶相组成的纳米晶粉末。

近年来，由于科学技术的进步和信息产业的高速发展，计算机，手机，和网络等设备(系统)已广泛应用于信息的产生、传输、接收、存储等处理过程，而这些设备在使用时会产生电磁干扰以及电磁辐射。为了有效地减少和消除电磁干扰及电磁辐射，需要材料有较高的复数磁导率。而目前广泛使用的铁氧体材料有频带狭窄，密度大，在高频复数磁导率低等缺点。虽然金属软磁材料由于具有高的传导系数和在电磁波中容易因涡流损耗而导致高频软磁性能降低，不利于在高频得到高的复数磁导率，而且这方面的材料相对较少，特别是在现阶段可适用于1G甚至更高工作频率的软磁材料更少。

发明内容

本发明在于提供一种新型的能在高频(≥1GHz)保持高的磁导率以及宽的共振频率，同时可实现大范围频段内的电磁屏蔽和降低信号噪声的高频软磁材料，以及这种材料的制备工艺，本发明同时提供用这种材料制备复合材料的方法。

本发明的材料是一种由稀土元素与铁、氮构成的材料，本发明的这种材料的通式为R₂Fe₁₇N_3-δ，且材料的易磁化方向与C轴垂直，其通式中R为稀土元素中的Y、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu中的任一种或任两种的任意组合，0≤δ≤0.5。

作为本发明材料的另一个实施例，其化学式为：Pr₂Fe₁₇N_3-δ。

优选地，本发明的材料的化学式为：Ce₂Fe₁₇N_3-δ。

本发明的材料的制备方法是：先将含有10～30重量％的稀土元素和70～90重量％的铁熔炼成铁基合金，然后将其粉碎成小颗粒后再研磨成粉末，然后再进行氮化处理。

在本发明的材料制备方法中氮化处理的温度为250～550℃有最佳的效果。

采用本发明的材料制备的高频软磁复合材料的方法是将本发明的任一材料放入未固化的粘结材料中，经充分混合均匀后再放入非磁性材料制作的模具内，将模具置于的磁场中，同时使模具在磁场中旋转，如此对材料进行取向处理直到粘结材料固化，这里所述的粘结材料为树脂或石腊，或聚乙烯，或聚丙烯等高分子材料。

优选的本发明的高频软磁复合材料制备方法是在取向处理时，使磁场为10^-4～10T，模具旋转速度为1～200转/分。

相关的实验研究表明，本发明的高频软磁材料可在高频(≥1GHz)保持高的复数磁导率以及宽的共振频率，因此是一种优良的高频软磁材料，既可用作高频通讯器材的发射天线，也可用于屏蔽和消除电磁干扰，满足现代仪器对小型化、集成化和高效率的要求。用本发明的材料制备并处理过的复合材料其性能更优于原始的材料，特别是经取向处理后的制品在高频(≥1GHz)条件下有更高的磁导率以及更宽的共振频率，更有利于用作电磁屏蔽和消除电磁干扰，并具有强烈吸收微波，产生隐身效果的作用，可满足现代技术的要求，可广泛用于仪器、仪表、通讯等领域。

附图说明

附图1为本发明实例1材料取向前后XRD衍射谱图。

附图2为本发明实例1材料取向前后复数导磁率与频率关系图，测试样品是在安捷伦E8363B矢量网络分析仪中测量。

附图3为本发明实例2材料取向前后XRD衍射谱图

附图4为本发明实例2材料取向前后复数导磁率与频率关系图，测试样品是在安捷伦E8363B矢量网络分析仪中测量。

具体实施方式

以下是本发明的实施例。

本发明的材料是用下述方法制备的：先将稀土元素和铁在惰性气体保护下熔炼成合金，所用的稀土元素R可以是Y、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu的任一种，也可以是Y、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu元素中的任两种的任意组合，再对合金进行退火处理，然后将合金研磨为颗粒，再对合金粉末进行氮化处理，得到所需要的化学通式为R₂Fe₁₇N_3-δ的材料，其中0≤δ≤0.5；研究还发现，所制备的材料要满足本发明使用要求，其材料的易磁化方向与C轴垂直，同时满足这两个条件时(既：化学通式为R₂Fe₁₇N_3-δ，且材料的易磁化方向与C轴垂直)材料才可具有好的高频软磁特性。

将按上述方法得到的材料再制备成复合材料，并对复合材料进行取向处理可充分体现本发明材料的优点，获得最佳的高频软磁特性。

以下是本发明的最佳实施例：

实施例1(高频软磁材料的制备)

称取2.43g镨和7.71g铁，在氩气保护下熔炼成铸锭。在1000℃下的真空石英管中退火一周。将退过火的铸锭用玛瑙研钵研磨成大约70微米的颗粒，然后将颗粒用行星式球磨机加入100ml异丙醇和0.2ml酞酸酯偶联剂湿磨，球料比为20∶1，球磨速度200r/min，球磨时间设定为8h，最后将样品烘干，在480℃下氮化2h，得到Pr₂Fe₁₇N_3-δ材料。按与实施例1相同的方法压制成测试样品进行测试，其测试结果参见附图3和附图4。

由图1可知，本实施例所得这种材料基本是加有少量α-Fe的Pr₂Fe₁₇N_3-δ样品。由图4可知材料在高频(大约11G赫兹)有明显的共振峰，且初始磁导率为3.3。

实施例2(复合材料制备)

将实施例1得到的氮化物加入到质量比为100∶1的用异丙醇稀释的钛酸酯偶联剂中，搅拌超声30分钟，烘干。超声后将样品与正己烷稀释了的石蜡以体积比为35∶65混合均匀，在混合物处于胶状时，将其置入非磁性材料制备的模具(内径为3.04mm，外径为7.00mm)内，将模具放入磁场内旋转取向，磁场大小为0.8～1.2T(特斯拉)，旋转的速度约为120转/分，持续约30分钟后，将模具置于烘箱中将样品烘干，最后在140℃下固化，得到内径为3.04mm，外径为7.00mm，厚度为2-3mm环状测试样品。样品测试结果参见附图1和附图2。

由图1可知，经旋转磁场取向处理后的复合材料，得到了明显的(006)峰。从X射线谱图可知试验样品得到了比较好的取向。由图2可知由实施例3所得到的材料制备成复合材料并经取向处理后其初始磁导率可以达到取向以后可以达到4.3，在保证高的初始磁导率的同时有着高的共振频率，是一种很好的高频软磁磁性材料。

实施例3(高频软磁材料制备)

称取2.43g铈和7.71g铁，在氩气保护下熔炼成铸锭。在1000℃下的真空石英管中退火一周。将退过火的铸锭用玛瑙研钵研磨成大约70微米的颗粒，然后将颗粒用行星式球磨机加入100ml异丙醇和0.2ml酞酸酯偶联剂湿磨，球料比为20∶1，球磨速度200r/min，球磨时间设定为8h，最后将样品烘干，在480℃下氮化2h，得到Ce₂Fe₁₇N_3-δ材料。将所得材料加偶联剂后与用正己烷稀释了的石蜡以体积比为35∶65混合均匀，压成内径为3.04mm，外径为7.00mm，厚度为2-3mm环状样品进行测试，测试结果见附图3和附图4

由图3可知，本实施例所得这种材料基本是加有少量α-Fe的Ce₂Fe₁₇N_3-δ样品。由图4可知材料在高频(大约6G赫兹)有明显的共振峰，且初始磁导率4。

实施例4(复合材料制备)

将实施例5所得的氮化物加入到质量比为100∶1的用异丙醇稀释的钛酸酯偶联剂中，搅拌超声30分钟，烘干。超声后将样品与用正己烷稀释了的石蜡以体积比为35∶65混合均匀，在混合物处于胶状时，将其置入非磁性材料制备的模具(内径为3.04mm，外径为7.00mm)内，将模具放入磁场内旋转取向，磁场大小为0.8～1.2T(特斯拉)，旋转的速度约为120转/分，持续约30分钟后，将模具置于烘箱中将样品烘干，最后在140℃下固化，得到内径为3.04mm，外径为7.00mm，厚度为2-3mm环状样品。测试结果参见附图5和附图6。由图5加有少量α-Fe的Ce₂Fe₁₇N_3-δ样品制备的复合材料在旋转磁场取向处理后，得到了明显的(006)峰。从X射线谱图可知试验样品得到了比较好的取向。而且由其所得材料制备的复合材料经取向处理以后初始磁导率可以达到6，在保证高的初始磁导率的同时有着高的共振频率，是一种极好的高频软磁磁性材料。

Claims

1.一种稀土铁氮高频软磁材料，其特征是材料的通式为R₂Fe₁₇N_3-δ，且材料的易磁化方向与C轴垂直，通式中R为稀土元素中的Y、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu中的任一种或任两种的任意组合，0≤δ≤0.5。

2.权利要求1所述的稀土铁氮高频软磁材料，其化学式为：Pr₂Fe₁₇N_3-δ。

3.权利要求1所述的稀土铁氮高频软磁材料，其化学式为：Ce₂Fe₁₇N_3-δ。

4.根据权利要求1至3所述的任一稀土铁氮高频软磁材料的制备方法，其特征是先将含有10～30重量％的稀土元素和70～90重量％的铁熔炼成铁基合金，然后将其粉碎成细小粉末，再进行氮化处理。

5.根据权利要求4所述的稀土铁氮高频软磁材料的制备方法，其特征是将所得的细小颗粒后再研磨至小于等于5微米的粉末，再将研磨后的粉末在250～550℃进行氮化处理。

6.根据权利要求5所述的稀土铁氮高频软磁材料的制备方法，其特征是在进行研磨处理时每克粉末加入0.1ml的酞酸酯偶联剂，再将研磨器皿内注满可溶解酞酸酯偶联剂的醇。

7.用权利要求1至3所述的任一稀土铁氮高频软磁材料制备高频软磁复合材料的方法，其特征是将所述的材料放入未固化的粘结材料中，经充分混合均匀后再放入非磁性材料制作的模具内，将模具置于磁场中，同时使模具在磁场中旋转，如此对材料进行取向处理直到粘结材料固化，这里所述的粘结材料为树脂或石腊，或聚乙烯，或聚丙烯等高分子材料。

8.权利要求7所述的稀土铁氮高频软磁材料制备高频软磁复合材料的方法，其特征是取向处理时磁场为10^-4～10T，模具旋转速度为1～200转/分。