CN103440950B - 一种磁粉芯的原位制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁粉芯的原位制备方法。技术方案为：采用溶胶凝胶在软磁合金粉末表面原位制备颗粒尺寸均匀的纳米铁氧体颗粒，经压制、热处理工艺，制备新型铁氧体复合磁粉芯。本发明的优点是：（1）由于采用溶胶凝胶法原位制备锰锌、镍锌铁氧体，可以方便的制备出颗粒尺寸大小均匀、可控的纳米颗粒；（2）铁氧体作为软磁合金粉的绝缘包覆剂，克服了传统非磁性物质作为包覆剂时造成基体磁性能降低的缺点，可以获得较高的磁导率和饱和磁化强度。

Description

一种磁粉芯的原位制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁粉芯的原位制备方法，属于材料制备领域。

背景技术

软磁材料具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。软磁材料的种类众多，可分为金属软磁材料、软磁铁氧体以及磁粉芯。铁氧体软磁材料具有高电阻率，因此在中高频段优势明显，但由于是亚铁磁性物质，因此饱和磁化强度较低，无法满足电子设备日益增大的功率要求，因此在众多高精尖领域无法应用。金属软磁优点在于饱和磁化强度高，但具有电阻率低的突出缺点，导致在高频下使用时涡流损耗极大，磁导率急剧下降，因此无法在中高频率下使用，这对于软磁材料是致命的缺点。

磁粉芯属于软磁复合材料。软磁复合材料是将磁性微粒均匀分散在非磁性物中形成的。与传统的金属软磁合金和铁氧体材料相比，它有很多独特的优点：磁性金属粒子分散在非导体物件中，可以减少高频涡流损耗，提高应用频率;既可以采取热压法加工成粉芯，也可以利用现在的塑料工程技术，注塑制造成复杂形状的磁体;具有密度小，重量轻，生产效率高，成本低，产品重复性和一致性好等优点。缺点是由于磁性粒子之间被非磁性体分开，磁路隔断，磁导率现在一般在100以内。软磁复合材料的磁导率受到很多因素的影响，如磁性粒子的成分，粒子的形状，尺寸，填充密度等。因此，根据工作频率可以进行调整。

磁粉芯常用制备过程包括：粉末钝化、绝缘包覆、压制、热处理等。绝缘包覆是软磁磁粉芯制备过程中最重要的一个环节，包覆层的好坏直接影响到软磁磁粉芯磁性能的优劣。常用的包覆介质有：高岭土、氧化硅等高电阻率介质。这类介质可以有效的提高体系绝缘性能，降低高频下的涡流损耗。但此类介质皆为非磁性，在提高材料高频工作特性的同时，降低了基体的磁性能，包括磁导率和磁化强度。

中国专利97102244.5、200480021670.6、200680001781.2等一系列专利采用的磁粉芯制备方法中，绝缘层均为非磁性物质，它们的加入导致了磁粉芯磁导率的降低。

中国专利200610124964.2、201310096126.9都是采用铁基磁粉与铁氧体粉末直接混合的方式获得磁粉芯。专利200610124964.2中的锰锌铁氧体没有介绍制备方法，并且尺寸为200目，与铁基磁粉的颗粒大小相当，无法对磁粉进行有效包覆。专利201310096126.9则是采用溶胶凝胶法获得铁氧体颗粒。本发明与它们区别的地方在于：本发明采用溶胶凝胶法直接在软磁合金粉末表面生长铁氧体颗粒，获得的铁氧体颗粒尺寸一致性好，包覆效果佳。

中国专利201010297482.3采用控制氧化法在铁粉颗粒表面原位生成Fe₃O₄壳层，然后与适量的硅树脂混合制备软磁磁粉芯，可以在一定程度上减弱非磁性介质对基体磁性能的损害。该发明是通过化学反应的方法，原位生成磁性绝缘介质，化学反应的参数应严格控制。本发明与之相区别的地方在于：本发明是通过溶胶凝胶法在软磁合金粉末表面生长铁氧体颗粒，获得的铁氧体颗粒磁性能优良。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明采用溶胶凝胶在软磁合金粉末表面原位制备颗粒尺寸均匀的纳米铁氧体颗粒，经压制、热处理工艺，制备新型铁氧体复合磁粉芯。

本发明的技术方案如下：

（a）溶胶准备：将Fe³⁺盐、Zn²⁺盐和Ni²⁺（或Mn²⁺）盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（或Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄，x=0.2~0.8），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH至一定值，并继续搅拌形成溶胶。

（b）粉末原位包覆：将软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在一定的温度下干燥形成凝胶；在300~700℃氮气或氩气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为70~99.9wt.%，铁氧体为0.1~30wt.%。

（c）添加粘接剂：取步骤（b）获得的混合粉末质量的0.1~4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5-2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

（d）成型：在0.4~1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环。

（e）热处理：在氮气或氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480~700℃。

本发明的优点是：（1）由于采用溶胶凝胶法原位制备锰锌、镍锌铁氧体，可以方便的制备出颗粒尺寸大小均匀、可控的纳米颗粒；（2）铁氧体作为软磁合金粉的绝缘包覆剂，克服了传统非磁性物质作为包覆剂时造成基体磁性能降低的缺点，可以获得较高的磁导率和饱和磁化强度。

具体实施方式

实施例1

将FeCl₃、NiCl₂盐和ZnCl₂盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.8），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=1，并继续搅拌形成溶胶。

将FeSiAl软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在300℃氮气或氩气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为70wt.%，铁氧体为30wt.%。

取混合粉末质量的0.1wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在0.4GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480℃。

实施例2

将Fe（NO₃）₃、Ni（NO₃）₂和Zn（NO₃）₂按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.5），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=8，并继续搅拌形成溶胶。

将FeSi软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在700℃氮气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为99.9wt.%，铁氧体为0.1wt.%。

取混合粉末质量的4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌2h至混合物蒸干、粉末均匀混合；

在1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为700℃。

实施例3

将Fe₂（SO₄）₃、NiSO₄和ZnSO₄按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.6），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=4，并继续搅拌形成溶胶；

将FeNi软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在400℃氩气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为80wt.%，铁氧体为20wt.%。

取混合粉末质量的0.3wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.7GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为650℃。

实施例4

将FeCl₃、MnCl₂盐和ZnCl₂盐按摩尔比Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.4），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=3，并继续搅拌形成溶胶。

将FeNiMo软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在500℃氮气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为90wt.%，铁氧体为10wt.%。

取混合粉末质量的0.5wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.4GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为600℃。

实施例5

将Fe（NO₃）₃、Mn（NO₃）₂和Zn（NO₃）₂按摩尔比Mn _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.2），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=7，并继续搅拌形成溶胶。

将FeSiAl软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在400℃氮气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为95wt.%，铁氧体为5wt.%。

取混合粉末质量的2wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在0.8GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为520℃。

实施例6

Fe₂（SO₄）₃、NiSO₄和ZnSO₄按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄（x=0.3），溶于去离子水中形成溶液；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH=6，并继续搅拌形成溶胶。

将FeCuNbSiB软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃下干燥形成凝胶；在650℃氮气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为98wt.%，铁氧体为2wt.%。

取混合粉末质量的1.8wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌2h至混合物蒸干、粉末均匀混合。

在1.2GPa压力下将粉末压成致密圆环；在氮气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为620℃。

Claims (2)

1.一种磁粉芯的原位制备方法，其特征在于它的步骤为：

（a）溶胶准备：将Fe³⁺盐、Zn²⁺盐和Ni²⁺盐按摩尔比Ni _x Zn_1-x Fe₂O₄溶于去离子水中形成溶液，其中x=0.2~0.8；加入柠檬酸作为络合剂，柠檬酸的用量与金属阳离子的摩尔数相同；充分混合后滴加氨水调节溶液pH至1~8，并继续搅拌形成溶胶；

（b）粉末原位包覆：将软磁合金粉末加入溶胶中充分搅拌混合，在120℃温度下干燥形成凝胶；在300~700℃氮气或氩气条件中热处理；软磁合金用量可根据铁氧体的理论生成量来确定，使产物中软磁合金为70~99.9wt.%，铁氧体为0.1~30wt.%；

（c）添加粘接剂：取步骤（b）获得的混合粉末质量的0.1~4wt.%的W-6C，倒入50ml丙酮中搅拌使其溶解，在75℃水浴条件下将其倒入上述混合粉末中，充分搅拌1.5-2h至混合物蒸干、粉末均匀混合；

（d）成型：在0.4~1.9GPa压力下将粉末压成致密圆环；

（e）热处理：在氮气或氩气的保护气氛中进行退火热处理，以消除压制产生的内应力，热处理温度为480~700℃。

2.如权利要求1所述的一种磁粉芯的原位制备方法，其特征在于：所述的软磁合金为FeSiAl、FeSi、FeNiMo或FeNi。