CN105788800A - 一种采用增材制造技术制备的磁芯结构以及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁芯技术领域，具体公开了一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，其特征在于：所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。本发明的磁芯采用增材制造技术，配合异质磁性材料依次堆叠而成，三层异质磁性材料构成的堆层结构，工艺路线简单而无需另行软硬磁配对粘合，确保了磁芯的高稳低损耗和磁性号的控制，极大简化了成型工艺，实现了装配效率的提升。同时，设置中空结构，可置放磁敏元件，扩展了该磁芯在传感器和控制器领域的用途。
Description
技术领域
本发明属于磁芯技术领域，具体地说是涉及一种采用增材制造技术制备的磁芯结构。
背景技术
磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。例如，锰锌铁氧体和镍锌铁氧体是典型的磁芯体材料。铁氧体磁芯用于各种需要磁场感知、传感和控制领域。
现有磁传感和控制器中，一般需要软硬磁配对以实现在软磁居里温度附近的失磁感知和控制，而软硬磁采用分别配方、成型工艺，需要再次组装配对进行粘合，其工艺路线复杂、组装效率低下。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种采用增材制造技术制备的磁芯结构
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，其特征在于：所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。
进一步的，所述中空结构包覆物内放置有磁敏元件。
进一步的，所述的磁敏元件为干簧管、磁阻、霍尔元件。
进一步的，所述中空结构包覆物内放置有直接实现电连接或实现通断信号输出的动作机构。
进一步的，所述凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料，所述掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料包括以下重量份组分物质：Fe2O353-57、MnO38-42、ZnO10-14、纳米二氧化钛6-10、纳米四氧化三铁4-10、纳米氧化锆3-5、纳米五氧化二钒5-9、纳米氧化钴3-9、纳米碳酸钙5-9、纳米碳酸锶3-5、纳米二氧化硅气凝胶9-10、壳聚糖3-5、氨水3-4、适量的醋酸钠溶液、适量的甘油、适量的去离子水。
所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的制备方法如下：
（1）将Fe2O3、MnO、ZnO、纳米四氧化三铁混合，加入总重量3-4倍的甘油搅拌均匀后，采用行星式球磨机湿磨3h，然后在100℃烘干30-40min，趁热加入壳聚糖以及总重量2-3倍的醋酸钠溶液，混合搅拌均匀后，再次然后再次在100℃烘干25-35min，再次用球磨机研磨20-30min之后，放入马弗炉中，并在惰性气体氩气和氧气的氛围中煅烧3-4h，得预烧粉备用，其中氩气和氧气的质量比为2：3；
（2）将预烧粉、纳米二氧化钛、纳米四氧化三铁、纳米氧化锆、纳米五氧化二钒、纳米氧化钴、纳米碳酸钙、纳米碳酸锶、氨水以及总重量2-3倍的去离子水混合搅拌均匀，用行星式球磨机湿磨2h，然后在100℃烘30-40min干燥过筛，随后放入马弗炉在1100℃下煅烧2.5h得再次烧结粉备用，
（3）将再次烧结粉、纳米二氧化硅气凝胶以及总重量8-9倍的去离子水混合，搅拌，过滤，冲洗3-5次，将滤渣先在110℃烘25-35min干燥，随后放入马弗炉按照一定的升温速度从110℃生至1360℃保温6h，进行平衡气氛烧结，然后降温至室温，即得，其中升温速率为200℃/h，然后从1360℃降低至室温，降温速度为100℃/h维持5h，然后200℃/h。
一种采用增材制造技术制备的上述磁芯结构在传感器和控制器上的应用。
本发明的有益效果：
本发明的磁芯采用增材制造技术，配合异质磁性材料依次堆叠而成，三层异质磁性材料构成的堆层结构，工艺路线简单而无需另行软硬磁配对粘合，确保了磁芯的高稳低损耗和磁性号的控制，极大简化了成型工艺，实现了装配效率的提升。同时，设置中空结构，可置放磁敏元件，扩展了该磁芯在传感器和控制器领域的用途。
所采用的凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料，添加了稀土氧化物，在制造过程重，分别采用醋酸铵溶液、壳聚糖、氨水处理，增加了材料的表面积，提高了烧结密度，是的材料具有高饱和磁感应强度、高居里温度、低介电损耗等优异特性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。
实施例1：
一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。
进一步的，所述的增材制造技术是可选择性激光烧蚀技术。
进一步的，所述中空结构包覆物内可以放置磁敏元件，磁敏元件可以为干簧管、磁阻、霍尔元件中的任何一种
进一步的，所述中空结构包覆物内也可以放置直接实现电连接或实现通断信号输出的动作机构。
以上磁芯可以应用到传感器和控制器上。
进一步的，所述凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料，所述掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料包括以下重量份组分物质：Fe2O353、MnO38、ZnO10、纳米二氧化钛10、纳米四氧化三铁10、纳米氧化锆5、纳米五氧化二钒9、纳米氧化钴9、纳米碳酸钙9、纳米碳酸锶5、纳米二氧化硅气凝胶9、壳聚糖4、氨水3.5、适量的醋酸钠溶液、适量的甘油、适量的去离子水。
所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的制备方法如下：
（1）将Fe2O3、MnO、ZnO、纳米四氧化三铁混合，加入总重量3.5倍的甘油搅拌均匀后，采用行星式球磨机湿磨3h，然后在100℃烘干30min，趁热加入壳聚糖以及总重量2.5倍的醋酸钠溶液，混合搅拌均匀后，再次然后再次在100℃烘干25min，再次用球磨机研磨20min之后，放入马弗炉中，并在惰性气体氩气和氧气的氛围中煅烧3h，得预烧粉备用，其中氩气和氧气的质量比为2：3；
（2）将预烧粉、纳米二氧化钛、纳米四氧化三铁、纳米氧化锆、纳米五氧化二钒、纳米氧化钴、纳米碳酸钙、纳米碳酸锶、氨水以及总重量2倍的去离子水混合搅拌均匀，用行星式球磨机湿磨2h，然后在100℃烘30min干燥过筛，随后放入马弗炉在1100℃下煅烧2.5h得再次烧结粉备用，
（3）将再次烧结粉、纳米二氧化硅气凝胶以及总重量8-9倍的去离子水混合，搅拌，过滤，冲洗3次，将滤渣先在110℃烘25-35min干燥，随后放入马弗炉按照一定的升温速度从110℃生至1360℃保温6h，进行平衡气氛烧结，然后降温至室温，即得，其中升温速率为200℃/h，然后从1360℃降低至室温，降温速度为100℃/h维持5h，然后200℃/h。
实施例2：
一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。
进一步的，所述中空结构包覆物内可以放置磁敏元件，磁敏元件可以为干簧管、磁阻、霍尔磁性电阻中的任何一种
进一步的，所述中空结构包覆物内也可以放置直接实现电连接或实现通断信号输出的动作机构。
以上磁芯可以应用到变压器上。
进一步的，所述凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料，所述掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料包括以下重量份组分物质：Fe2O355、MnO40、ZnO12、纳米二氧化钛8、纳米四氧化三铁7、纳米氧化锆4、纳米五氧化二钒7、纳米氧化钴6、纳米碳酸钙7、纳米碳酸锶4、纳米二氧化硅气凝胶9.5、壳聚糖4、氨水3.5、适量的醋酸钠溶液、适量的甘油、适量的去离子水。
所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的制备方法如下：
（1）将Fe2O3、MnO、ZnO、纳米四氧化三铁混合，加入总重量3.5倍的甘油搅拌均匀后，采用行星式球磨机湿磨3h，然后在100℃烘干35min，趁热加入壳聚糖以及总重量2.5倍的醋酸钠溶液，混合搅拌均匀后，再次然后再次在100℃烘干30min，再次用球磨机研磨25min之后，放入马弗炉中，并在惰性气体氩气和氧气的氛围中煅烧3.5h，得预烧粉备用，其中氩气和氧气的质量比为2：3；
（2）将预烧粉、纳米二氧化钛、纳米四氧化三铁、纳米氧化锆、纳米五氧化二钒、纳米氧化钴、纳米碳酸钙、纳米碳酸锶、氨水以及总重量2.5倍的去离子水混合搅拌均匀，用行星式球磨机湿磨2h，然后在100℃烘35min干燥过筛，随后放入马弗炉在1100℃下煅烧2.5h得再次烧结粉备用，
（3）将再次烧结粉、纳米二氧化硅气凝胶以及总重量8.5倍的去离子水混合，搅拌，过滤，冲洗4次，将滤渣先在110℃烘30min干燥，随后放入马弗炉按照一定的升温速度从110℃生至1360℃保温6h，进行平衡气氛烧结，然后降温至室温，即得，其中升温速率为200℃/h，然后从1360℃降低至室温，降温速度为100℃/h维持5h，然后200℃/h。
实施例3：
一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。
进一步的，所述中空结构包覆物内可以放置磁敏元件，磁敏元件可以为干簧管、磁阻、霍尔磁性电阻中的任何一种
进一步的，所述中空结构包覆物内也可以放置直接实现电连接或实现通断信号输出的动作机构。
以上磁芯可以应用到变压器上。
进一步的，所述凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料，所述掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料包括以下重量份组分物质：Fe2O357、MnO42、ZnO14、纳米二氧化钛6、纳米四氧化三铁4、纳米氧化锆3、纳米五氧化二钒5、纳米氧化钴3、纳米碳酸钙5、纳米碳酸锶3、纳米二氧化硅气凝胶9、壳聚糖4、氨水3.4、适量的醋酸钠溶液、适量的甘油、适量的去离子水。
所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的制备方法如下：
（1）将Fe2O3、MnO、ZnO、纳米四氧化三铁混合，加入总重量4倍的甘油搅拌均匀后，采用行星式球磨机湿磨3h，然后在100℃烘干40min，趁热加入壳聚糖以及总重量3倍的醋酸钠溶液，混合搅拌均匀后，再次然后再次在100℃烘干35min，再次用球磨机研磨30min之后，放入马弗炉中，并在惰性气体氩气和氧气的氛围中煅烧4h，得预烧粉备用，其中氩气和氧气的质量比为2：3；
（2）将预烧粉、纳米二氧化钛、纳米四氧化三铁、纳米氧化锆、纳米五氧化二钒、纳米氧化钴、纳米碳酸钙、纳米碳酸锶、氨水以及总重量3倍的去离子水混合搅拌均匀，用行星式球磨机湿磨2h，然后在100℃烘40min干燥过筛，随后放入马弗炉在1100℃下煅烧2.5h得再次烧结粉备用，
（3）将再次烧结粉、纳米二氧化硅气凝胶以及总重量8-9倍的去离子水混合，搅拌，过滤，冲洗5次，将滤渣先在110℃烘35min干燥，随后放入马弗炉按照一定的升温速度从110℃生至1360℃保温6h，进行平衡气氛烧结，然后降温至室温，即得，其中升温速率为200℃/h，然后从1360℃降低至室温，降温速度为100℃/h维持5h，然后200℃/h。
分别对实施例1-3的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的主要性能参数进行测试，结果如下：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 饱和磁通密度Bs(MT) | 4485.3 | 4504.8 | 4493.4 |
| 起始磁导率μi | 586.5 | 598.2 | 582.5 |
| 功率损耗(W.m-3)Pcv | 78.6 | 69.8 | 74.5 |
由于实施例2的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料具有较高的起始磁导率以及较低的功率损耗，所以更适合制作磁芯用于传感器和控制器。
Claims (8)
1.一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，包括包覆物，其特征在于：所述包覆物为中空结构包覆物，所述中空结构包覆物底部设置有凹环形堆叠层形成与外界连通的整体，所述整体的外侧通过增材制造技术堆叠硬磁材料形成中间层，在中间层的外侧在通过增材制造技术堆叠包覆MnZn铁氧体软磁材料形成外层。
2.根据权利要求1所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于：所述中空结构包覆物内放置有磁敏元件。
3.根据权利要求2所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于：所述的磁敏元件为干簧管、磁阻、霍尔元件。
4.根据权利要求1所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于：所述中空结构包覆物内放置有直接实现电连接或实现通断信号输出的动作机构。
5.根据权利要求1所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于：所述凹环形堆叠物为掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料。
6.根据权利要求5所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于，所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料包括以下重量份组分物质Fe2O353-57、MnO38-42、ZnO10-14、纳米二氧化钛6-10、纳米四氧化三铁4-10、纳米氧化锆3-5、纳米五氧化二钒5-9、纳米氧化钴3-9、纳米碳酸钙5-9、纳米碳酸锶3-5、纳米二氧化硅气凝胶9-10、壳聚糖3-5、氨水3-4、适量的醋酸钠溶液、适量的甘油、适量的去离子水。
7.根据权利要求6所述的一种采用增材制造技术制备的磁芯结构，其特征在于，所述的掺杂稀土的MnZn铁氧体软磁材料的制备方法如下：
（1）将Fe2O3、MnO、ZnO、纳米四氧化三铁混合，加入总重量3-4倍的甘油搅拌均匀后，采用行星式球磨机湿磨3h，然后在100℃烘干30-40min，趁热加入壳聚糖以及总重量2-3倍的醋酸钠溶液，混合搅拌均匀后，再次然后再次在100℃烘干25-35min，再次用球磨机研磨20-30min之后，放入马弗炉中，并在惰性气体氩气和氧气的氛围中煅烧3-4h，得预烧粉备用，其中氩气和氧气的质量比为2：3；
（2）将预烧粉、纳米二氧化钛、纳米四氧化三铁、纳米氧化锆、纳米五氧化二钒、纳米氧化钴、纳米碳酸钙、纳米碳酸锶、氨水以及总重量2-3倍的去离子水混合搅拌均匀，用行星式球磨机湿磨2h，然后在100℃烘30-40min干燥过筛，随后放入马弗炉在1100℃下煅烧2.5h得再次烧结粉备用，
（3）将再次烧结粉、纳米二氧化硅气凝胶以及总重量8-9倍的去离子水混合，搅拌，过滤，冲洗3-5次，将滤渣先在110℃烘25-35min干燥，随后放入马弗炉按照一定的升温速度从110℃生至1360℃保温6h，进行平衡气氛烧结，然后降温至室温，即得，其中升温速率为200℃/h，然后从1360℃降低至室温，降温速度为100℃/h维持5h，然后200℃/h。
8.如权利要求1-5任一项采用增材制造技术制备的磁芯结构在传感器和控制器上的应用。
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