CN103050209B - 一种扁平状磁性粉体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种扁平状磁性粉体及其制备方法，属于磁性粉体技术领域。所述磁性粉体主要物相为γ′-Fe4N，粉体厚度为0.1~9μm，径厚比为10~200。该粉体以硬度较低的纯铁粉体为原料，采用球磨法进行扁平化处理，然后在氨气/氢气混合气中氮化，通过调整粉体粒径、球磨时间等工艺条件对粉体厚度、扁平度等技术参数进行控制，从而实现对粉体截止频率等电磁性能的调控。本发明有效地减小了Fe4N材料的趋肤效应，有利于其高频应用；制备方法简单，大幅降低扁平化的时间，提高了生产效率，且能实现对粉体微观形貌和电磁性能的调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种微观形貌及性能可控的扁平状磁性粉体及其制备方法，属于磁性粉体制备技术领域。
背景技术
随着电子电工及信息通讯技术的发展，软磁材料的应用越来越广泛，尤其是在各类变压器、电感元件、滤波器件等应用领域。目前，以铁为代表的软磁金属及其合金材料以其极高的磁导率和饱和磁感应强度在上述某些应用领域中具有不可替代的作用。然而，由于此类材料电阻率较低，在交变磁场中磁体会产生严重的涡流损耗和趋肤效应，这一现象极大地限制了这类材料的应用频率范围，无法满足现今电子器件应用不断向高频化发展的实际需求。而另一方面，电阻率较高的铁氧体材料的应用虽然很大程度上拓宽了软磁材料的使用频率范围，但其磁导率、饱和磁化强度以及饱和磁感应强度都要比金属软磁材料低得多，这影响了其磁学性能的提高，使其很难应用于强电、大功率的领域。
为避免趋肤效应，最为有效的方法是将材料制成尺度小于趋肤深度的扁平状磁粉或细颗粒磁粉，再加以绝缘处理。除了减小趋肤效应外，扁平化还能增加材料的形状各向异性，减弱扁平方向的退磁场，从而改善材料的电磁性能。例如，研究表明，扁平化Fe-Si-Al合金粉体的磁导率虚部在GHz频段内会出现“双峰”频散特性，能够在较宽频段内保持较高的数值。不过，由于这类合金的硬度较高，扁平化的球磨时间需要几十甚至上百小时，极大地增加了能源消耗，降低了生产效率。此外，这类合金的耐磨性、抗氧化性均有待提高。而氮化铁γ′-Fe4N材料是一类新型磁性材料，具有与纯Fe相近的比饱和磁化强度、高饱和磁感应强度，并且其电阻率与纯Fe相比提高了一个数量级，高于坡莫合金、Fe-Si-Al合金等软磁合金材料。通过对Fe4N材料的扁平化处理，不仅可以进一步减小趋肤效应，而且由于垂直于板片状粉体表面的退磁因子接近于1，通过控制其扁平化程度使粉体在样品压制过程中产生择优取向的程度也相应改变，进而改变样品面内的各向异性场，从而可以实现对材料截止频率等电磁性能的调控。除此之外，它还具有优于金属磁性材料的良好的耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性能。因此，扁平状Fe4N粉体将有望成为综合性能良好的磁性粉体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合于高频应用的微观形貌可控的扁平状磁性粉体，通过调控粉体的扁平度来调控其电磁性能；同时提供一种操作简单、效率高的粉体制备方法，以利于对粉体微观形貌进行调控。
本发明所提供的扁平状磁性粉体，其特征在于，其主要物相为γ'-Fe4N，粉体为扁平板片状形貌，粉体板面最大直径与粉体厚度之比为10~200。其径厚比可根据实际应用进行选择、调节。
以上所述的扁平状磁性粉体优选厚度范围为0.1~9μm，其最大厚度应小于粉体应用频率下的趋肤深度。
本发明扁平状磁性粉体优选物相为纯γ'-Fe4N物相。
本发明采用先扁平化后氮化的方法制备上述扁平状磁性粉体，其制备方法包括以下步骤：首先，选取平均粒径1~50μm的球形纯铁粉体或平均粒径1~50μm且平均轴比在1~5的纯铁粉体作为原料；将纯铁粉体加入不锈钢球磨罐中，以无水乙醇或去离子水为研磨介质，在球磨机上湿磨15min~5h；球磨后的粉体干燥后真空退火30min~3h，退火温度为300~700℃；最后，将粉体置于管式炉中于500~750℃下氮化3~7h，氮化气氛为NH3/H2混合气，NH3/H2气体体积比为2:1~1:2。
一般情况下，在上述制备方法的条件下，氢气比例随合成温度升高而增大，氮化温度或/和氮化时间随着粉体厚度或板面的增加而增加，有利于得到纯相物质。
本发明的优点在于：将电阻率相对较高的Fe4N进行扁平化处理，有效地降低了材料的趋肤效应，从而有利于高频应用；采用纯铁这样硬度较低的粉体为原料，有利于大幅降低扁平化的时间，提高生产效率，并易于实现粉体微观形貌的调控；先扁平化后氮化的制备方法操作简单，能很好地固定球磨后粉体的微观形貌，进而通过调整工艺条件（如根据目标径厚比可选择不同的粒径不同形貌的原材料，也可选择不同的球磨时间等）实现粉体厚度、扁平度等技术参数的调控，从而实现对粉体电磁性能的调控；此外，Fe4N磁性粉体相较于Fe-Si-Al合金等软磁合金材料来说，具有密度小、耐磨性好、抗氧化性和耐腐蚀性能优异等等优点。
附图说明
图1为实施例1制得的扁平状粉体的XRD图谱；
图2为实施例1制得的扁平状粉体的SEM局部放大形貌图；
图3为实施例2制得的扁平状粉体的SEM形貌图；
图4为实施例1与实施例2制得的粉体的复磁导率对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细描述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
采用平均粒度为40μm、平均轴比为3的纯铁粉作为原料，将12g铁粉原料加入不锈钢球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球磨2h；将球磨后的粉体置于烘箱充分干燥，干燥后于管式炉中真空退火30min，退火温度为500℃，以消除球磨造成的应力及缺陷；将退火后的粉体重新置于管式炉中，通入高纯氨气和高纯氢气混合气，通过流量计控制氨气与氢气流量之比为1:1，总流量为200ml/min，常压升温至600℃，保温5h后随炉冷却至室温，即得到扁平状Fe4N磁性粉体。
本实施例制得的粉体的XRD图谱如图1所示，即当原料为纯铁粉时，产物为纯相γ'-Fe4N；本实施例制得粉体的SEM形貌图见图2，可以看出，粉体厚度约为1.5μm，远小于Fe4N的趋肤深度；此外，统计发现，粉体板面尺寸约为150~200μm，即径厚比约为100~133；采用比表面积分析仪测试，该粉体的BET比表面积达到9.72m2/g。
实施例2
采用与实施例1相同的纯铁粉作为原料，将12g铁粉原料加入不锈钢球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球磨30min；将球磨后的粉体置于烘箱充分干燥，干燥后于管式炉中真空退火30min，退火温度为500℃，以消除球磨造成的应力及缺陷；将退火后的粉体重新置于管式炉中，通入高纯氨气和高纯氢气混合气，通过流量计控制氨气与氢气流量之比为1:1，总流量为200ml/min，常压升温至600℃，保温5h后随炉冷却至室温，即得到扁平状Fe4N磁性粉体。
本实施例所制得的粉体物相与实施例1相同，为纯相γ'-Fe4N；本实施例制得粉体的SEM形貌图见图3，可以看出，粉体厚度约为2.5μm，小于Fe4N的趋肤深度，其粉体板面尺寸约为80~100μm，即径厚比约为32~40。
实施例3
称取实施例1与实施例2制得的Fe4N粉末各1.8g，分别与10wt%加热熔化后的石蜡均匀混合；然后，在压力机上压制成型得到环状样品，所用压强约为170MPa，样品外径约为18mm，内径约为6mm，厚度约为3mm；采用矢量网络分析仪(AgilentE4991A，US)测得材料的复磁导率，测试频段1M~1GHz，其磁谱如图4所示。
由图中可以看出，实施例2对应样品的截止频率(磁导率虚部最大值对应频率)约为23MHz，而实施例1对应的截止频率有明显提高，约为100MHz，而且磁导率实部和虚部在绝大部分频率范围内也均高于实施例2。这说明，随着球磨时间的延长，粉体径厚比的增加，样品截止频率也随之增加，其截止频率可由球磨时间进行调控。
实施例4
采用平均粒度为10μm的雾化法得到的球状纯铁粉作为原料，将12g铁粉原料加入不锈钢球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球磨1h；将球磨后的粉体置于烘箱充分干燥，干燥后于管式炉中真空退火2h，退火温度为300℃，以消除球磨造成的应力及缺陷；将退火后的粉体重新置于管式炉中，通入高纯氨气和高纯氢气混合气，通过流量计控制氨气与氢气流量之比为2:1，总流量为200ml/min，常压升温至500℃，保温7h后随炉冷却至室温，即得到扁平状Fe4N磁性粉体。
本实施例得到的粉体为纯相γ'-Fe4N，粉体厚度约为0.75μm，小于Fe4N的趋肤深度，其粉体板面尺寸约为30~50μm，即其径厚比为40~67。
实施例5
采用平均粒度为10μm的雾化法得到的球状纯铁粉作为原料，将12g合金粉原料加入不锈钢球磨罐中，以去离子水作为球磨介质，球磨5h；将球磨后的粉体置于烘箱充分干燥，干燥后于管式炉中真空退火3h，退火温度为700℃，以消除球磨造成的应力及缺陷；将退火后的粉体重新置于管式炉中，通入高纯氨气和高纯氢气混合气，通过流量计控制氨气与氢气流量之比为1:2，总流量为200ml/min，常压升温至750℃，保温7h后随炉冷却至室温，即得到扁平状Fe4N磁性粉体。
本实施例得到的粉体主要物相为γ'-Fe4N，含有微量Fe3N，其粉体厚度约为0.5μm，小于Fe4N的趋肤深度，其粉体板面尺寸约为40~50μm，即其径厚比为80~100。
Claims (2)
1.一种扁平状磁性粉体的制备方法，扁平状磁性粉体物相为纯γ'-Fe4N物相，粉体为扁平板片状形貌，粉体板面最大直径与粉体厚度之比为10～200；其特征在于，包括以下步骤：首先，选取平均粒径1～50μm的球形纯铁粉体或平均粒径1～50μm且平均轴比在1～5的纯铁粉体作为原料；将纯铁粉体加入不锈钢球磨罐中，以无水乙醇或去离子水为研磨介质，在球磨机上湿磨15min～5h；球磨后的粉体干燥后真空退火30min～3h，退火温度为300～700℃；最后，将粉体置于管式炉中于500～750℃下氮化3～7h，氮化气氛为NH3/H2混合气，NH3/H2气体体积比为2:1～1:2。
2.按照权利要求1的一种扁平状磁性粉体的制备方法，其特征在于，扁平状磁性粉体优选厚度范围为0.1～9μm，其最大厚度应小于粉体应用频率下的趋肤深度。
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