CN108987025A - 一种高磁导率低损耗软磁复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料制备领域，尤其涉及一种高磁导率低损耗软磁复合材料及其制备方法。该软磁复合材料的组成结构为：软磁合金颗粒为片状结构，所有片状颗粒皆沿磁环平面平行有序排列；磁性颗粒之间填充高电阻率绝缘相；绝缘相中包括纳米磁性氧化物；该结构在本征结构上提高了复合材料磁导率、降低磁损耗。其制备工艺为：通过将钝化后的软磁合金颗粒与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；进一步去应力退火，获得高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。本发明的优点是：高度取向有序排列的片状结构可以有效降低磁损耗，提高复合材料磁导率。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料制备领域，尤其涉及一种高磁导率低损耗软磁复合材料及其制备方法。
背景技术
软磁材料作为磁电转换的必备介质，广泛应用于电力、信息、能源、交通和国防等领域，是重要的功能材料和国民经济的关键基础材料。随着电力和电子装备日益小型化、轻量化、高频化、集成化，软磁材料的需求量越来越大，软磁材料也朝着高磁导率、高频率、低损耗的方向发展。金属软磁材料饱和磁通密度、磁导率高，可以满足小型化的需求，但电阻率低，高频涡流损耗大，因此通常在工频下使用；铁氧体是亚铁磁性材料，饱和磁通密度低、工作时能量转换效率低，但电阻率高、高频损耗低，因此通常在高频（MHz~GHz）使用。软磁复合材料结合了金属软磁材料和软磁铁氧体的优点：主相为软磁合金，饱和磁通密度高、能量转换效率高；界面绝缘层具有高电阻，高频损耗低。因此软磁复合材料具有高磁通和低损耗的特点，可以同时满足高频（kHz~MHz）使用和体积小型化的需求。
国内浙江大学、中国计量大学、河北工业大学、中南大学、 北京科技大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、武汉科技大学、北京航空航天大、南昌大学、中科院宁波材料所等单位都开展了软磁复合材料的研究，工作重点集中在磁性相成分设计、界面绝缘包覆和磁体工艺优化三个方面，以提高磁性能，改善磁通密度、磁导率和磁损耗特性。首先，磁性相成分设计主要从软磁合金自身出发，通过添加元素改善合金的磁导率、矫顽力及电阻率等特性。其次，界面绝缘包覆是软磁复合材料的研究重点，通过对软磁颗粒充分绝缘隔离，提高电阻率、降低涡流损耗；良好的包覆层应厚度薄以保证高磁导率，结构完整以保证充分的绝缘包覆；绝缘包覆材料既可以为无机物（玻璃粉、水玻璃、MgO、SiO2和Al2O3等）、有机物（环氧树脂、酚醛树脂和有机硅等），也可以为有机无机复合包覆。再次，工艺优化主要通过调整制备参数，优化材料微观结构，提升磁性能。
软磁复合材料磁性能虽不断提升，但自身结构导致材料磁导率低。基于两个因素：一、合金颗粒被非磁性绝缘层隔开，磁路隔断、磁阻高；二、非磁性界面导致磁化过程中合金颗粒内出现自由磁极，局域退磁场大。高磁阻与局域退磁场效应的共同作用导致磁导率降低、磁滞损耗增大。磁阻与磁路中非磁性绝缘层总厚度直接相关，而退磁场由合金颗粒形状决定，因此软磁复合材料的低磁导率是由自身结构所必然导致。如何通过优化组织结构以降低局域退磁场和磁阻，是提升材料磁导率降低损耗的关键。
[中国专利2012104332238利用磁场使磁性颗粒沿磁场方向形成链状团簇，进行获得单向透光特性；中国专利2009101405358 、2016110014476、2016110015356、2016110017173采用片状软磁合金或铁氧体在聚合物或石蜡基体中磁场取向来获得复合材料，取向有序结构对材料的磁导率或损耗有一定优化，但基体中非磁性相含量依然过高，磁导率低、高频损耗高的缺点依然没有本质改善。
发明内容
针对软磁复合材料磁导率低的共性问题，本发明的目的在于提供一种高磁导率低损耗软磁复合材料及其制备方法。本发明的软磁复合材料新型复合结构：合金颗粒为片状结构，所有片状颗粒皆沿磁环平面（工作磁路方向）平行有序排列；在绝缘介质中加入纳米磁性氧化物，从基础结构上提高复合材料磁导率、降低磁损耗。通过外磁场实现片状合金的有序排列，获得高各向异性软磁复合材料，最终获得高磁导率、低损耗的高各向异性软磁复合材料。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种高磁导率低损耗软磁复合材料，该软磁复合材料的组成结构为：软磁合金颗粒为片状结构，所有软磁合金颗粒皆沿磁环平面（工作磁路方向）平行有序排列；软磁合金颗粒之间填充高电阻率界面绝缘相；界面绝缘相中包括纳米磁性氧化物；界面绝缘相占软磁复合材料的质量百分比计为0.1wt.%~3wt.%。
作为优选，按质量百分比计，软磁合金颗粒为97wt.%~99.9wt.%，界面绝缘相为0.1wt.%~3wt.%，纳米磁性氧化物为0.05wt.%~2wt.%。
作为优选，所述的片状软磁合金颗粒包括：Fe、Fe-Si、Fe-Ni、Fe-Ni-Mo、Fe-Si-Al或非晶纳米晶合金。
作为优选，界面绝缘相包括：玻璃粉、水玻璃、MgO、SiO2、Al2O3、环氧树脂、酚醛树脂和有机硅中的一种或几种。
作为优选，纳米磁性氧化物包括：锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍铜锌铁氧体和平面六角型铁氧体中的一种或几种。
软磁复合材料工作时的磁路是沿磁环一周的闭环。球形颗粒任意方向的退磁因子为1/3，而片状颗粒沿平面方向退磁因子几乎为零，所以面内磁化的片状颗粒的局域退磁场远低于球形颗粒；若片状磁粉沿磁环面平行有序分布，则磁路中的非磁性间隙远小于同样体积的球形颗粒构成的磁环。因此，片状合金可有效降低局域退磁场和磁路磁阻，提高磁导率。软磁复合材料在工作频率的磁损耗主要以磁滞损耗和涡流损耗为主。片状合金沿平面方向易磁化，磁导率高，磁滞损耗低；同时片状结构可有效降低趋肤效应的影响，降低涡流损耗。因此，片状结构可从磁滞损耗和涡流损耗两个方面降低磁损耗。软磁复合材料中的非磁性绝缘层虽提高了电阻率，但降低了软磁合金含量，牺牲了部分磁性能。采用磁性氧化物作为绝缘层，可提高绝缘层磁导率，降低磁阻，提高复合材料磁导率，降低磁滞损耗。
本发明所涉及的高磁导率低损耗软磁复合材料的制备方法为：
1）原材料准备
采用化学法合成制备所述的纳米磁性氧化物；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；所述磁场强度为0.1~10T；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得软磁复合材料。
作为优选，所述的纳米磁性氧化物采用水热和溶剂热法合成。
作为优选，成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向。
作为优选，成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向。
本发明的优点是：
1、片状结构可有效降低趋肤效应的影响，降低涡流损耗；
2、工作时片状合金沿平面方向易磁化，磁滞损耗低；
3、片状颗粒皆沿磁环平面（工作磁路方向）平行有序排列，降低了磁环工作方向的磁路磁阻和退磁场，提高了磁环磁导率；
4、界面绝缘相为非磁性相和纳米磁性氧化物的混合物，增大了绝缘相磁导率，降低磁路磁阻，进一步提升了磁环磁导率。
附图说明
图1是软磁复合材料结构设计示意图。
图2为球磨法所制备片状Fe粉的SEM图像。
图3为未取向FeSi磁环沿侧剖面结构示意图。
图4为磁场取向FeSi磁环沿侧剖面结构示意图。
图5为磁场取向和未取向FeSi磁环的磁滞回线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述，以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述，但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反，对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式，都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数，可按常规技术进行。
本发明的具体步骤为：
1）原材料准备
磁性主相为软磁合金颗粒；界面绝缘相为非磁性相和纳米磁性氧化物；
所述的软磁合金颗粒包括：Fe、Fe-Si、Fe-Ni、Fe-Ni-Mo、Fe-Si-Al、非晶纳米晶合金；
所述的软磁合金颗粒优选采用球磨法制备；
所述的非磁性相包括：玻璃粉、水玻璃、MgO、SiO2、Al2O3、环氧树脂、酚醛树脂和有机硅中的一种或几种；
所述的纳米磁性氧化物包括：锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍铜锌铁氧体和平面六角型铁氧体；
所述的纳米磁性氧化物采用化学法合成，其中优选采用水热和溶剂热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；
所述的片状软磁合金所占比例应尽可能高，其质量分数为97wt.%~99.9wt.%；
所述的绝缘相所占比例应尽可能低，其质量分数为0.1wt.%~3wt.%；
所述的纳米磁性氧化物所占质量分数0.05wt.%~2wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；
所述磁场强度为0.1~10T；
磁场取向方式优选为：成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
磁场取向方式优选为：成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高磁性相含量的高取向度、高致密度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例1：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe粉；界面绝缘相为玻璃粉和纳米锰锌铁氧体；片状Fe粉采用球磨法制备；纳米锰锌铁氧体采用溶胶凝胶法制备；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为97wt.%；绝缘相质量分数为3wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数2wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为0.1T；磁场取向方式为：成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
表1为取向和未取向Fe磁环的复数磁导率和损耗数据。
可以发现通过球磨能够获得良好扁平化效果的Fe粉。经磁场取向以后，片状Fe粉沿磁环平面平行有序取向。平行有序的结构在静态磁滞回线上表现为更易磁化，同样交流磁化特性也表现为更高的有效磁导率和更低的损耗。
实施例2：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe-Si粉；界面绝缘相为水玻璃、环氧树脂和纳米镍锌铁氧体；片状Fe-Si粉采用球磨法制备；纳米镍锌铁氧体采用水热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为98wt.%；绝缘相质量分数为2wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数1.5wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为0.5T；磁场取向方式为：成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
表2为取向和未取向FeSi磁环的复数磁导率和损耗数据对比。
实施例3：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe-Ni粉；界面绝缘相为MgO、酚醛树脂和纳米镁锌铁氧体；片状Fe-Ni粉采用球磨法制备；纳米镁锌铁氧体采用溶剂热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为99wt.%；绝缘相质量分数为1wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.5wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为1T；
磁场取向方式为：成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例4：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe-Ni-Mo粉；界面绝缘相为SiO2、有机硅和纳米镍铜锌铁氧体；片状Fe-Ni-Mo粉采用球磨法制备；纳米镍铜锌铁氧体采用溶剂热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为98.5wt.%；绝缘相质量分数为1.5wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.8wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为2T；磁场取向方式为：成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例5：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe-Si-Al粉；界面绝缘相为Al2O3和纳米平面六角型Co2Y铁氧体；片状Fe-Si-Al粉采用球磨法制备；纳米平面六角型Co2Y铁氧体采用溶剂热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为99.9wt.%；绝缘相质量分数为0.1wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.05wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为5T；
磁场取向方式为：成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例6：
1）原材料准备
磁性主相为片状非晶纳米晶粉；界面绝缘相为有机硅和纳米镍锌铁氧体；非晶纳米晶粉采用球磨法制备；纳米镍锌铁氧体采用溶剂热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为98.5wt.%；绝缘相质量分数为1.5wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.8wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为10T；磁场取向方式为：成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例7：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe粉；界面绝缘相为SiO2和纳米锰锌铁氧体；片状Fe粉采用球磨法制备；纳米锰锌铁氧体采用水热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为98.8wt.%；绝缘相质量分数为1.2wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.6wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为2T；磁场取向方式为：成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
实施例8：
1）原材料准备
磁性主相为片状Fe-Si-Al粉；界面绝缘相为水玻璃和纳米镁锌铁氧体；片状Fe-Si-Al粉采用球磨法制备；纳米镁锌铁氧体采用水热法合成；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；其中片状软磁合金质量分数为99.2wt.%；绝缘相质量分数为0.8wt.%，其中纳米磁性氧化物所占质量分数0.4wt.%；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；磁场强度为1T；磁场取向方式为：成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得高致密度、高取向度、高磁导率、低损耗软磁复合材料。
Claims (9)
1.一种高磁导率低损耗软磁复合材料，其特征在于，该软磁复合材料的组成结构为：软磁合金颗粒为片状结构，所有软磁合金颗粒皆沿磁环平面平行有序排列；软磁合金颗粒之间填充高电阻率界面绝缘相；界面绝缘相中包括纳米磁性氧化物；界面绝缘相占软磁复合材料的质量百分比计为0.1wt.%~3wt.%。
2.根据权利要求1所述的一种高磁导率低损耗软磁复合材料，其特征在于按质量百分比计，软磁合金颗粒为97wt.%~99.9wt.%，界面绝缘相为0.1wt.%~3wt.%，纳米磁性氧化物为0.05wt.%~2wt.%。
3.根据权利要求1或2所述的一种高磁导率低损耗软磁复合材料，其特征在于，所述的片状软磁合金颗粒包括：Fe、Fe-Si、Fe-Ni、Fe-Ni-Mo、Fe-Si-Al或非晶纳米晶合金。
4.根据权利要求1或2所述的一种高磁导率低损耗软磁复合材料，其特征在于，界面绝缘相包括：玻璃粉、水玻璃、MgO、SiO2、Al2O3、环氧树脂、酚醛树脂和有机硅中的一种或几种。
5.根据权利要求1或2所述的一种高磁导率低损耗软磁复合材料，其特征在于，纳米磁性氧化物包括：锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍铜锌铁氧体和平面六角型铁氧体中的一种或几种。
6.一种制备权利要求1~5任意一项权利要求所述的软磁复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：
1）原材料准备
采用化学法合成制备所述的纳米磁性氧化物；
2）软磁合金颗粒的绝缘包覆
软磁合金颗粒经钝化后，与界面绝缘相充分混合，实现对软磁合金颗粒的绝缘包覆；
3）磁场取向成型
在磁环成型过程中，利用磁场对软磁合金颗粒取向，获得高度有序取向的各向异性磁环；所述磁场强度为0.1~10T；
4）去应力退火
软磁复合磁环在成型后，进一步去应力退火，降低磁滞损耗；最终获得软磁复合材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的纳米磁性氧化物采用水热和溶剂热法合成。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，成型过程中施加磁场，磁场方向平行于磁环平面，同时沿磁环平面方向旋转样品或旋转磁场，实现片状合金颗粒的完全有序取向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，成型过程中，采用径向4磁极对样品进行对向交替充磁取向，实现片状合金颗粒的完全有序取向。
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