CN103862048B

CN103862048B - 一种通过热压制备软磁性复合材料的方法

Info

Publication number: CN103862048B
Application number: CN201210526597.4A
Authority: CN
Inventors: 付绍云; 田建伟; 肖红梅; 李峻青; 黄贵文
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103862048A

Abstract

一种通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，步骤为：将颗粒状软磁粉体分散于分散介质中，加偶联剂进行表面处理，分离得包覆偶联剂的磁粉体，再经无水乙醇进行洗涤和干燥，得到经偶联剂改性的磁粉体；将环氧树脂与环氧固化剂混合得环氧树脂体系混合物，将经偶联剂改性的磁粉体与环氧树脂体系混合物按比例混合，得含磁粉体与环氧树脂体系混合物的混合浆料；将混合浆料装入容器中抽真空再置入恒温烘箱中进行预固化得预固化后的复合浆料；将预固化后的复合浆料转移至模具中，用热压机进行固化模压，得到软磁性复合材料；其工艺简单，成本低廉，利于操作；可通过调节磁磁粉含量方便地实现复合材料的磁性能和力学强度，形状可控、机械性能优良。

Description

一种通过热压制备软磁性复合材料的方法

技术领域

本发明属于软磁性复合材料及制备和应用技术领域。具体说，本发明涉及到一种新型软磁性复合材料的制备方法。

背景技术

随着科学的发展，软磁材料应用在越来越多的领域，诸如用作电感器、传感器电机中的定子和转子、霍尔器件、致动器、变压器芯中的芯材料等。传统上，诸如电机中的定子、霍尔器件中的磁环等软磁芯是由堆叠的钢片构成的。

然而钢片在制备过程中，需要消耗大量的能量，而且由于这个材料都是刚材，首先刚才价格昂贵，还有就是在制成器件之后应用在电学器件上使用过程中容易产生涡流损耗，降低能量利用率并缩短期间的使用寿命，而且钢片制备的软磁性材料在以后应用过程中成型比较困难，很难制备形状稍微复杂的样品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过热压来制备软磁性复合材料的方法；该方法工艺简单，成本低廉，利于操作；所制备的复合材料形状和磁学以及力学性能可控性强。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的通过热压制备软磁性复合材料的方法，包括以下步骤：

1）颗粒状软磁粉体的改性：

将颗粒状软磁粉体分散于分散介质中，加入偶联剂进行表面处理，并分离得包覆偶联剂的颗粒状软磁粉体，再用无水乙醇对包覆偶联剂的颗粒状软磁粉体进行洗涤和干燥，得到经偶联剂改性的颗粒状软磁粉体；

所述的颗粒状软磁粉体与分散介质之间的重量比量为：100:460~100:475；

所述颗粒状软磁粉体与偶联剂的质量比为1：50~1：5000；

所述的分散介质为乙醇与水的混合介质，乙醇与水的重量比为4:1~4:4；

所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、油酸或十二烷基苯磺酸钠偶联剂；

2）制备含颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物的混合浆料：

首先将环氧树脂与环氧固化剂按重量份配比为0.8:1～1.2:1的比例均匀混合得环氧树脂体系混合物，然后将步骤1）制得的经偶联剂改性的颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物按重量份配比为10～95：90～5比例混合，得到含颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物的混合浆料；

3）预固化制备复合浆料

将步骤2）制得的混合浆料混合均匀后，装入一容器中并抽真空，然后将容器置入恒温烘箱中进行预固化1~3h，得到预固化后的复合浆料；所述预固化温度为40~200℃；

4）固化制备软磁复合材料

将步骤3）得到的预固化后的复合浆料转移至模具中，将模具放在超声发生器中超声振动，然后用热压机进行固化模压，得到软磁性复合材料；所述固化模压的固化温度为80~300℃，模压压力为2~20MPa。

所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、加氢双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或加氢双酚F型环氧树脂。

所述的环氧固化剂为含有0.1～5.0wt%固化促进剂的酸酐类固化剂或胺类固化剂；所述固化促进剂为胺类固化促进剂或咪唑类固化促进剂。

所述的酸酐类固化剂为甲基六氢苯酐、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、四氢苯酐或这几种固化剂的混合固化剂；所述的胺类固化剂为脂肪族胺类固化剂、芳香族胺类固化剂或酰胺基胺类固化剂。

所述的胺类固化促进剂为四丁基溴化胺或四乙基溴化胺；所述咪唑类固化促进剂为咪唑或2-甲基咪唑。

所述颗粒状软磁粉体为颗粒状软磁铁粉、颗粒状软磁铁基粉、颗粒状软磁硅钢粉、颗粒状软磁坡莫合金粉、颗粒状软磁铁氧体粉或软磁性纳米晶体；其颗粒径为20nm~1mm。

所述的硅烷偶联剂为KH-550硅烷偶联剂、KH-560硅烷偶联剂或KH-570硅烷偶联剂。

与现有技术相比，本发明提供的通过热压制备软磁性复合材料的方法具有以下优点：

1、用此方法可以方便高效地制备软磁性复合材料，可以通过控制软磁性颗粒含量方便的控制复合材料中磁性能的大小。

2、此方法可以通过改变环氧树脂的配比来控制软磁性复合材料的力学强度和使用温度范围。

3、可通过改变模具的大小和形状来改变制备的软磁性复合材料的大小和形状。

4、通过加入环氧树脂，使得软磁性复合材料在使用过程中减少了涡流损耗，提高了能量利用率。

5、在此方法中，热压过程中的磁场可以影响软磁性复合材料中的软磁性颗粒的分布状况，为软磁性复合材料的磁学性能设计提供了可能。

6、本发明制备的复合材料保持了磁粉的良好磁学性能，同时又具备优异的力学性能，其横向断裂强度至少为20KJ/m²；在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.22emu/g，该复合材料可以应用于霍尔电流传感器，发电机，变压器等电子产品领域等。

附图说明

图1为冲击样条示意图；

图2为比磁化强度随温度变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例（但不限于所举实施例）进一步描述本发明：

实施例1

1）称取100g粒径为30μm的铁硅合金颗粒倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入500mL介质（乙醇：蒸馏水=4：1），超声分散15min；

将锥形瓶在60℃水浴加热搅拌，30min之后，加入0.2g的硅烷偶联剂KH-560，继续加热搅拌，反应4h~5h；

将锥形瓶取出，用磁铁进行分离。将磁铁放在烧杯底部，待磁性粒子快速沉降在底部后，慢慢倒出溶液，只留下磁性粒子，然后在磁场作用下用无水乙醇对分离得到的磁性纳米粒子洗涤5~6次，充分洗去未反应的硅烷偶联剂。

将洗涤干净的磁性粒子置于真空干燥箱进行干燥。干燥充分后，研磨得到经过偶联剂改性的软磁性粒子。

2）在250mL锥形瓶中加入100g环氧树脂WSR615，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基六氢苯酐按照100：110的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的磁性粒子80g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液80g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后放在机械搅拌器下，用机械搅拌器搅拌30min，得到环氧树脂与磁性粒子的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至100℃的恒温烘箱中预固化2h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，将模具放在超声发生器中超声振动30min，最后用热压机在200℃下在6MPa的压力条件下模压。

6）热压过程中热压机上板和下板闭合10s，然后卸压10s，在模压10s，再卸压10s，以此来回6次，用时2min，来排除气泡。然后再200℃下在6MPa的压力条件下模压4h，即得到本发明的软磁性复合材料。

该复合材料中软磁性颗粒与环氧树脂的重量比为1：1，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为50wt%。

根据GB/T2571-95标准对冲击试样的要求，所有测试样品尺寸为80mm×10mm×4mm（由图1所示），试验中选用的摆锤的最大冲击能为7.35J。

测试结果该材料横向断裂强度为22KJ/m²；热磁性能（由图2所示）在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.24emu/g。该复合材料可以应用于霍尔电流传感器、发电机、变压器等电子产品领域等。

实施例2

1）称取100g粒径为2μm的铁氧体颗粒倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入500mL介质（乙醇：蒸馏水=4：2），超声分散15min；

将锥形瓶在60℃水浴加热搅拌，30min之后，加入0.1g的硅烷偶联剂KH-550，继续加热搅拌，反应4h；

将锥形瓶取出，用磁铁进行分离。将磁铁放在烧杯底部，待磁性粒子快速沉降在底部后，慢慢倒出溶液，只留下磁性粒子，然后在磁场作用下用无水乙醇对分离得到的磁性纳米粒子洗涤5次，充分洗去未反应的硅烷偶联剂KH-550。

2）在250mL锥形瓶中加入50g环氧树脂WSR615，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基六氢苯酐按照100:110的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的磁性粒子40g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液60g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后加入搅拌桨，用机械搅拌器搅拌30min，得到环氧树脂与磁性粒子的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至100℃的恒温烘箱中预固化1h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，模具放在超声发生器中超声振动60min，最后用热压机在160℃下在6MPa的压力条件下模压。

6）热压过程中热压机上板和下板闭合20s，然后卸压20s，在模压20s，再卸压20s，以此来回6次，用时4min，来排除气泡。然后再160℃下在6MPa的压力条件下模压4h，即得到本发明的软磁性复合材料。

7）该复合材料中软磁性颗粒与环氧树脂的重量比为2：3，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为40wt%。

8）冲击试验结果显示该复合材料的横向断裂强度为23.8J/m²，在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.19emu/g。

实施例3

1）称取100g粒径为200μm的铁硅合金颗粒倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入500mL介质（乙醇：蒸馏水=4：1），超声分散15min；

将锥形瓶在60℃水浴加热搅拌，30min之后，加入0.1g油酸，继续加热搅拌，反应4h；

将锥形瓶取出，用磁铁进行分离。将磁铁放在烧杯底部，待磁性粒子快速沉降在底部后，慢慢倒出溶液，只留下磁性粒子，然后在磁场作用下用无水乙醇对分离得到的磁性纳米粒子洗涤5~6次，充分洗去未反应的油酸。

将洗涤干净的磁性粒子置于真空干燥箱进行干燥。干燥充分后，研磨得到经过油酸改性的软磁性粒子。

2）在250mL锥形瓶中加入50g环氧树脂WSR615，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基四氢苯酐按照100：100的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的磁性粒子60g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液40g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后加入搅拌桨，用机械搅拌器搅拌60min，得到环氧树脂与磁性粒子的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至180℃的恒温烘箱中预固化1h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，将模具放在超声发生器中超声振动60min，最后用热压机在160℃下在12MPa的压力条件下模压。

7）该复合材料中软磁性颗粒与环氧树脂的重量比为3：2，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为60wt%。

8）冲击试验结果显示该复合材料的横向断裂强度为19.8KJ/m²；在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.25emu/g。

实施例4

1）称取100g粒径为2μm的坡莫合金粉倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入500mL介质（乙醇：蒸馏水=1：1），超声分散15min；

将锥形瓶在80℃水浴加热搅拌，30min之后，加入0.02g的油酸，继续加热搅拌，反应4h；

将洗涤干净的坡莫合金粉置于真空干燥箱进行干燥。干燥充分后，研磨得到经过油酸改性的坡莫合金粉。

2）在250mL锥形瓶中加入50g环氧树脂AG80，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基四氢苯酐按照100：105的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的磁性粒子80g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液20g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后加入搅拌桨，用机械搅拌器搅拌30min，得到环氧树脂与磁性粒子的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至110℃的恒温烘箱中预固化1h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，将模具放在超声发生器中超声振动60min，最后用热压机在40℃下在8MPa的压力条件下模压。

6）热压过程中热压机上板和下板闭合20s，然后卸压20s，在模压20s，再卸压20s，以此来回6次，用时4min，来排除气泡。然后再80℃下在6MPa的压力条件下模压4h，即得到本发明的软磁性复合材料，复合材料中软磁性颗粒与环氧树脂的重量比为4：1，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为80wt%。

7）冲击试验结果显示该复合材料的横向断裂强度为14.7KJ/m²；在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.33emu/g。

实施例5

1）称取100g粒径为20μm的铁粉倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入200mL介质（乙醇：蒸馏水=4：3），超声分散15min；

将锥形瓶在80℃水浴加热搅拌，30min之后，加入2g的油酸，继续加热搅拌，反应4h；

将锥形瓶取出，用磁铁进行分离。将磁铁放在烧杯底部，待磁性粒子快速沉降在底部后，慢慢倒出溶液，只留下磁性粒子，然后在磁场作用下用无水乙醇对分离得到的铁粉洗涤5~6次，充分洗去未反应的油酸。

将洗涤干净的坡莫合金粉置于真空干燥箱进行干燥。干燥充分后，研磨得到经过油酸改性的铁粉。

2）在250mL锥形瓶中加入15g环氧树脂AG80和15g环氧树脂WSR615，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基四氢苯酐按照100:108的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的磁性粒子85g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液15g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后加入搅拌桨，用机械搅拌器搅拌30min，得到环氧树脂与铁粉的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至200℃的恒温烘箱中预固化1h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，将模具放在超声发生器中超声振动60min，最后用热压机在220℃下在8MPa的压力条件下模压。

6）热压过程中热压机上板和下板闭合15s，然后卸压15s，在模压15s，再卸压15s，以此来回6次，用时3min，来排除气泡。然后再220℃下在6MPa的压力条件下模压4h，即得到本发明的软磁性复合材料，复合材料中铁粉与环氧树脂的重量比为85：15，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为85wt%。

7）冲击试验结果显示该复合材料的横向断裂强度为12.9KJ/m²；在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度变化了0.13emu/g。

实施例6

1）称取100g粒径为20nm的Fe₃O₄磁性颗粒倒入1000mL锥形瓶中，锥形瓶中加入500mL介质（乙醇：蒸馏水=2：1），超声分散15min；

将锥形瓶在80℃水浴加热搅拌，30min之后，加入0.1g的十二烷基苯磺酸钠，继续加热搅拌，反应4h；

将锥形瓶取出，用磁铁进行分离。将磁铁放在烧杯底部，待Fe₃O₄磁性颗粒子快速沉降在底部后，慢慢倒出溶液，只留下磁性粒子，然后在磁场作用下用无水乙醇对分离得到的磁性纳米粒子洗涤5~6次，充分洗去未反应的十二烷基苯磺酸钠。

将洗涤干净的Fe₃O₄磁性颗粒置于真空干燥箱进行干燥。干燥充分后，研磨得到经过十二烷基苯磺酸钠改性的Fe₃O₄磁性颗粒。

2）在250mL锥形瓶中加入50g环氧树脂E51，再在这个锥形瓶中加入与固化剂甲基四氢苯酐按照100：107.2的比例混合，然后加入磁子，用磁力搅拌器搅拌30min，得到混合均匀的混合液。

3）取上述经过表面改性的Fe₃O₄磁性颗粒30g倒入锥形瓶中，再取均匀的混合液70g也倒入锥形瓶中，先用药勺搅拌，然后加入搅拌桨，用机械搅拌器搅拌30min，得到环氧树脂与Fe₃O₄磁性颗粒的混合浆料。

4）将上述制得的混合浆料倒在三口烧瓶中，上面用连接机械搅拌器，封好口，一个瓶口接通真空泵，另一个瓶口封死。然后一边搅拌一边抽真空，进行30min后，将三口烧瓶移至40℃的恒温烘箱中预固化1h，得到预固化了的混合浆料。

5）将上述得到的预固化的复合浆料用勺子取出，倒在模具中，将模具放在超声发生器中超声振动60min，最后用热压机在300℃下在8MPa的压力条件下模压。

6）热压过程中热压机上板和下板闭合15s，然后卸压15s，在模压15s，再卸压15s，以此来回6次，用时3min，来排除气泡。然后再180℃下在6MPa的压力条件下模压4h，即得到本发明的软磁性复合材料，复合材料中Fe₃O₄磁性颗粒与环氧树脂的重量比为30：70，软磁性颗粒占整个复合材料体系的重量比为30wt%。

7）冲击试验结果显示该复合材料的横向断裂强度为27.6KJ/m²；在磁感应强度为200Oe的条件下，温度从-60℃到140℃变化范围内，比磁化强度降低了0.04emu/g。

Claims

1.一种通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)颗粒状软磁粉体的改性：

所述的颗粒状软磁粉体与分散介质之间的重量比量为：100:460～100:475；

所述颗粒状软磁粉体与偶联剂的质量比为1：50～1：5000；

所述的分散介质为乙醇与水的混合介质，乙醇与水的重量比为4:1～4:4；

2)制备含颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物的混合浆料：

首先将环氧树脂与环氧固化剂按重量份配比为0.8:1～1.2:1的比例均匀混合得环氧树脂体系混合物，然后将步骤1)制得的经偶联剂改性的颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物按重量份配比为10～95：90～5比例混合，得到含颗粒状软磁粉体与环氧树脂体系混合物的混合浆料；

3)预固化制备复合浆料

将步骤2)制得的混合浆料混合均匀后，装入一容器中并抽真空，然后将容器置入恒温烘箱中进行预固化1～3h，得到预固化后的复合浆料；所述预固化温度为40～200℃；

4)固化制备软磁复合材料

将步骤3)得到的预固化后的复合浆料转移至模具中，将模具放在超声发生器中超声振动，然后用热压机进行固化模压，得到软磁性复合材料；所述固化模压的固化温度为80～300℃，模压压力为2～20MPa。

2.按权利要求1所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、加氢双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂或加氢双酚F型环氧树脂。

3.按权利要求2所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的环氧固化剂为含有0.1～5.0wt％固化促进剂的酸酐类固化剂或胺类固化剂；所述固化促进剂为胺类固化促进剂或咪唑类固化促进剂。

4.按权利要求3所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的酸酐类固化剂为甲基六氢苯酐、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、四氢苯酐或这几种固化剂的混合固化剂；所述的胺类固化剂为脂肪族胺类固化剂、芳香族胺类固化剂或酰胺基胺类固化剂。

5.按权利要求3所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的胺类固化促进剂为四丁基溴化胺或四乙基溴化胺；所述咪唑类固化促进剂为咪唑或2-甲基咪唑。

6.按权利要求1所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述颗粒状软磁粉体为颗粒状软磁铁粉、颗粒状软磁铁基粉、颗粒状软磁硅钢粉、颗粒状软磁坡莫合金粉、颗粒状软磁铁氧体粉或软磁性纳米晶体；其颗粒径为20nm～1mm。

7.按权利要求1所述的通过热压制备软磁性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为KH-550硅烷偶联剂、KH-560硅烷偶联剂或KH-570硅烷偶联剂。