CN109215922B - 复合磁性材料及磁芯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合磁性材料，其包含针状粉末及球状粉末。针状粉末由软磁性材料构成，平均短轴长为100nm以下且平均长径比为3.0以上10.0以下。球状粉末由软磁性材料构成，平均长轴长为100nm以下且平均长径比小于3.0。

Description

复合磁性材料及磁芯
技术领域
本发明涉及一种复合磁性材料及磁芯。
背景技术
近年来，手机或移动信息终端等无线通信设备的利用频带的高频化发展，使用的无线信号频率成为GHz频段。因此，通过对于在这样的GHz频段的高频区域下使用的电子部件应用在GHz频段的高频区域磁导率也较大的磁性材料，尝试实现滤波特性的改善或天线尺寸的小型化。另外，也期望使高频区域磁损耗降低。其中，尝试了增大用于磁芯的磁性材料的长径比等。
例如，在专利文献1中记载有使用FeSiAl系的针状粉末及球状粉末的复合材料。在专利文献2中记载有使用非晶型的针状粉末及球状粉末的复合材料。
但是，目前，进一步要求相对磁导率μr高且磁损耗tanδ低的磁芯。
专利文献1：日本特开平11-260617号公报
专利文献2：日本特例2002-105502号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种在GHz频段的高频区域，相对磁导率μr高且磁损耗tanδ低的磁芯中使用的复合磁性材料及磁芯。
用于解决技术问题的技术方案
为了实现上述目的，本发明的复合磁性材料，其特征在于，
是包含针状粉末及球状粉末的复合磁性材料，
所述针状粉末由软磁性材料构成，平均短轴长为100nm以下且平均长径比为3.0以上10.0以下，
所述球状粉末由软磁性材料构成，平均长轴长为100nm以下且平均长径比小于3.0。
包含所述复合磁性材料的磁芯能够在高频区域使相对磁导率μr增加，并使磁损耗tanδ降低。
所述复合磁性材料也可以进一步包含树脂。
在所述针状粉末及所述球状粉末中，所述软磁性材料也可以以Fe或者Fe及Co作为主要成分。
在所述针状粉末中，Co相对于主要成分的含有比例也可以为0～40atom％(不包含0atom％)。
所述针状粉末相对于所述针状粉末和所述球状粉末的合计的含有比例也可以为60vol％以上90vol％以下。
所述球状粉末的平均长径比也可以为1.5以上2.5以下。
本发明的磁芯包含上述的复合磁性材料。
也可以将所述针状粉末和所述球状粉末的合计相对于所述磁芯整体的含有比例设为35vol％以上。
附图说明
图1是表示复合磁性材料中的长轴长及短轴长的图。
图2是磁芯的截面的SEM图像。
图3是除去图2的噪声并进行了二值化所得到的图像。
符号的说明：
1…针状粉末
1a…(与针状粉末外接)椭圆
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式对本发明进行说明。
本实施方式的磁芯(core)由包含针状粉末及球状粉末的复合磁性材料构成。
而且，针状粉末由软磁性材料构成，平均短轴长为100nm以下且平均长径比为3.0以上10.0以下。进而，球状粉末由软磁性材料构成，平均长轴长为100nm以下且平均长径比小于3.0。
另外，针状粉末的形状没有特别限制。可以是针状，也可以是伪针状、旋转椭球体状或伪旋转椭球体状。
针状粉末的短轴长、长轴长及长径比的计算通过以下所示的方法进行。此外，球状粉末的短轴长、长轴长及长径比也同样。
首先，使用SEM或TEM等，以二维图像拍摄测定长轴长、短轴长及长径比的针状粉末1。在拍摄到的二维图像上，如图1所示描绘与该针状粉末1外接的椭圆1a，并将该椭圆1a的长轴L1的长度设为长轴长，将短轴L2的长度设为短轴长。而且，长径比设为L1/L2。
本实施方式的复合磁性材料由长轴长、短轴长及长径比不同的两种类型的粉末(针状粉末及球状粉末)构成，并使各粉末的平均短轴长、平均长轴长和/或平均长径比在规定的范围内。使用具有上述结构的复合磁性材料的磁芯(core)的相对磁导率μr提高。
此外，针状粉末及球状粉末在各粉末的组成不同的情况下，可以通过组成的差异进行区分。在各粉末的组成相同的情况下，在测定长径比的频率分布并作图时存在两个峰的情况下，可以通过将长径比大的一侧的峰设为针状粉末、将长径比小的一侧的峰设为球状粉末来进行区分。
针状粉末的平均短轴长优选为30nm以上100nm以下。针状粉末的平均长径比优选为4.0以上10.0以下。球状粉末的平均长轴长优选为80nm以下。球状粉末的平均长径比优选为1.5以上2.5以下。
在针状粉末的平均短轴长过长的情况下，有磁损耗tanδ增大的倾向。
针状粉末和球状粉末的混合比没有特别限制，但优选将所述针状粉末相对于针状粉末和所述球状粉末的合计的含有比例设为60vol％以上90vol％以下。
针状粉末及球状粉末的材质没有特别限制，但优选包含Fe或者Fe及Co作为主要成分。特别是对于针状粉末，Co的含量相对于作为主要成分的Fe及Co的合计含量优选为0～40atom％(不包含0atom％)，进一步优选为10～40atom％。
另外，在针状粉末和/或球状粉末中，也可以包含其它元素，例如V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ni、Mg、Ca、Sr、Ba、稀土元素、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、Al、Ga及Si等，特别是为了使抗氧化性提高，也可以包含Al、Si和/或Ni。其它元素的含量没有特别限制，但相对于针状粉末和/或球状粉末整体优选合计为5质量％以下。
另外，也可以相对于针状粉末和/或球状粉末包覆有氧化物层。构成氧化物层的氧化物的种类及氧化物层的厚度没有特别限制。例如，也可以是包含选自Mg、Ca、Sr、Ba、稀土元素、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Zn、Al、Ga及Si中的一种以上的非磁性金属的氧化物。氧化物层的厚度例如可以设为1.0nm以上10.0nm以下，也可以设为1.0nm以上5.0nm以下。通过用氧化物层包覆针状粉末和/或球状粉末，容易防止针状粉末和/或球状粉末的氧化。
针状粉末及球状粉末进一步优选用树脂包覆。树脂的种类没有特别限制。例如，可以列举环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂。在用树脂包覆的情况下，使绝缘性提高的效果大，能够抑制后述的磁化旋转的粉末间的涡流的产生的效果大，容易大幅提高相对磁导率μr。
认为特别是在高频区域下，将针状粉末及球状粉末两者混合而制作的磁芯的相对磁导率μr提高的理由如下。
认为特别是在高频区域表现的磁化的大小很大程度上依赖于磁性颗粒内部的磁化进动(magnetization precession)的位移的大小。进动的位移越大，则表现的磁化越大，成为高磁导率。
在此，越是使用形状各向异性大的磁性颗粒、即长径比大的磁性颗粒的情况下，在施加了外部磁场时，单磁畴结构越容易通过退磁场而自组织化。
其结果，在仅使用长径比大的针状粉末的情况下，抑制了磁化的进动，相对磁导率μr容易降低。但是，因为内部组织通过自组织化而变得均匀，所以有效磁化增加，频率特性发生高频化。
与之相对，在仅使用长径比小的球状粉末的情况下，磁化的进动增加，且相对磁导率μr容易变高。但是，难以自组织化，内部组织不均匀，因此，有效磁化减少，频率特性发生低频化。
在此，在混合针状粉末及球状粉末的情况下，针状粉末优先自组织化。这时，在磁性颗粒之间发生交换相互作用，球状粉末也容易与针状粉末在相同方向上自组织化。因此，以针状粉末的自组织化为起点，球状粉末的内部组织也均匀化，从而有效磁化增加。而且，频率特性高频化。
相反地，球状粉末的进动增加。这时，在磁性颗粒之间发生交换相互作用，针状粉末的进动也容易增加。因此，以球状粉末的进动为起点，针状粉末的进动也增加。而且，相对磁导率μr增加。
由此，在混合针状粉末及球状粉末的情况下，可以同时实现频率特性的高频化及相对磁导率μr的增加。
此外，在针状粉末的长径比过小的情况及球状粉末的长径比过大的情况下，不能充分发挥上述的效果。另外，在针状粉末的长径比过大的情况下，使用该粉末制作的磁芯的密度降低，由此相对磁导率μr降低。
本实施方式的磁芯只要包含上述复合磁性颗粒即可。另外，磁芯的种类也没有特别限制，例如，也可以是压粉磁芯。在制造磁芯时，也可以根据需要在复合磁性颗粒中添加其它化合物。例如，也可以在复合磁性颗粒中添加树脂作为粘合剂。树脂的种类没有特别限制，例如，可以使用环氧树脂、酚醛树脂或丙烯酸树脂。
另外，上述针状粉末和上述球状粉末的合计相对于磁芯整体的含有比例(以下也称为填充率)优选设为35vol％以上。通过充分提高填充率，可以充分提高相对磁导率μr。
在此，填充率的计算方法没有特别限制。例如，可以举出以下所示的方法。
首先，研磨将磁芯切断所获得的截面，制作观察面。接着，使用电子显微镜(SEM)对该观察面进行观察。计算上述针状粉末和上述球状粉末的合计相对于观察面整体的面积的面积比例。然后，在本实施方式中，认为该面积比例和填充率相等，将该面积比例设为填充率。
使用附图对计算上述针状粉末和上述球状粉末的合计相对于观察面整体的面积的面积比例的方法进行说明。
使用电子显微镜获得的SEM图像成为例如图2的图像。在此，对于该SEM图像，除去噪声并进行二值化。图3是对于图2的图像除去噪声并进行了二值化所得到的结果。然后，图3的白色部分是上述针状粉末或上述球状粉末，计算白色部分相对于观察面整体的面积的面积比例。该面积比例是上述针状粉末和上述球状粉末的合计相对于观察面整体的面积的面积比例。
另外，在计算填充率时，观察面设为包含合计1000个颗粒以上的上述针状粉末和上述球状粉末的大小。此外，观察面也可以为多个，只要为包含合计1000个颗粒以上的大小即可。
以下，对本实施方式的复合磁性颗粒及磁芯的制造方法进行说明，但本实施方式的复合磁性颗粒及磁芯的制造方法不限于以下的方法。
首先，制作由主要成分为Fe或者Fe及Co的软磁性材料构成的针状粉末及球状粉末。针状粉末及球状粉末的制作方法没有特别限制，可以使用本技术领域中的通常的方法。例如，也可以通过将由α-FeOOH、FeO或CoO等化合物构成的原料粉末加热还原的公知的方法来制作。通过控制原料粉末中的Fe、Co和/或其它元素的含量，可以控制获得的针状粉末及球状粉末的组成。
在此，通过控制原料粉末的平均短轴长及平均长径比，能够控制针状粉末及球状粉末的平均短轴长、平均长轴长及平均长径比。此外，控制针状粉末及球状粉末的平均短轴长、平均长轴长及平均长径比的方法不限于上述的方法。
另外，作为使非磁性金属的氧化物层包覆针状粉末及球状粉末的情况，例示有对于原料粉末使其含有非磁性金属之后进行加热还原的方法。对于原料粉末使其含有非磁性金属的方法没有特别限定，例如可以举出在混合原料粉末和包含非金属元素的溶液之后，进行pH调节，进行过滤并使其干燥的方法。另外，通过控制包含非金属元素的溶液的浓度、pH及混合时间等，能够控制氧化物层的厚度。
能够将通过上述方法进行加热还原而获得的针状粉末及球状粉末与树脂混合而使树脂包覆针状粉末及球状粉末。包覆树脂的方法没有特别限制。例如，能够添加相对于磁性粉末100体积％包含20～60体积％的树脂的溶液，在混合后使其干燥，由此包覆树脂。
然后，通过以规定的比例混合针状粉末及球状粉末而能够获得本实施方式的复合磁性材料。
由上述的复合磁性材料制作磁芯的方法没有特别限制，能够使用本实施方式所涉及的通常的方法。
例如，能够通过在上述的针状粉末及球状粉末中添加树脂并进行混合，获得原料混合物。能够通过将该原料混合物填充到模具中并进行加压，制造由压粉体构成的磁芯。
本实施方式的磁芯的用途没有特别限制。例如，可以举出线圈部件、LC滤波器、天线等。
实施例
接着，基于具体的实施例来更详细说明本发明，但本发明不限定于以下的实施例。
首先，制作磁性粉末。磁性粉末通过将由α-FeOOH构成的粉末在H2中加热还原的公知的方法而制作。
这时，准备由针状的α-FeOOH构成的粉末及由球状的α-FeOOH构成的粉末。从由针状的α-FeOOH构成的粉末最终获得针状粉末，从由球状的α-FeOOH构成的粉末最终获得球状粉末。通过控制此时的由针状的α-FeOOH构成的粉末及由球状的α-FeOOH构成的粉末的短轴长、长轴长及长径比，获得了具有表1所记载的短轴长、长轴长及长径比的针状粉末及球状粉末。
进而，通过控制由α-FeOOH构成的粉末中的Co的含量，控制针状粉末及球状粉末的组成。
相对于通过上述的方法获得的针状粉末及球状粉末，添加表1中记载的树脂。使用混合辊在95℃下进行混炼，一边缓慢冷却至70℃一边继续混炼，在70℃以下停止混炼并急冷至室温，由此获得原料混合物。另外，通过控制这时的树脂的量，将最终获得的磁芯中的针状粉末及球状粉末的合计含量控制在表1所示的量。此外，作为树脂使用作为环氧树脂的JER806：三菱化学。
接着，将获得的原料混合物投入到加热至100℃的模具中，并以980MPa的成型压力进行成型。将获得的成型体在180℃下热固化后进行切割加工，由此获得各实施例及比较例的磁芯。此外，磁芯的形状为1mm×1mm×100mm的长方体。
在设为频率2.4GHz的情况下，实施例及比较例的磁芯的相对磁导率μr及磁损耗tanδ使用网络分析仪(Agilent Technologies Japan,Ltd.制造，HP8753D)和空腔谐振器(关东电子应用开发株式会社制造)通过摄动法进行测定。在本实施例中，将相对磁导率μr为1.70以上设为良好，将1.80以上设为更良好，将1.85以上设为进一步良好，将1.91以上设为更进一步良好，将2.00以上设为最良好。将磁损耗tanδ为0.030以下设为良好。在表1中表示结果。
Figure BDA0001711566740000091
根据表1，使用本申请发明的范围内的针状粉末及球状粉末制作的实施例的磁芯的相对磁导率μr变高，且磁损耗tanδ变小。
与之相对，本申请发明的范围外的比较例1～6的磁芯的相对磁导率μr降低。进而，比较例2、3及6的磁芯的磁损耗tanδ也变大。

Claims (10)

1.一种复合磁性材料，其特征在于，
是包含针状粉末及球状粉末的复合磁性材料，
所述针状粉末由软磁性材料构成，平均短轴长为100nm以下且平均长径比为3.0以上10.0以下，
所述球状粉末由软磁性材料构成，平均长轴长为100nm以下且平均长径比小于3.0，
所述针状粉末相对于所述针状粉末和所述球状粉末的合计的含有比例为50vol％以上90vol％以下。
2.根据权利要求1所述的复合磁性材料，其中，
还包含树脂。
3.根据权利要求1或2所述的复合磁性材料，其中，
在所述针状粉末及所述球状粉末中，所述软磁性材料以Fe或者Fe及Co作为主要成分。
4.根据权利要求3所述的复合磁性材料，其中，
在所述针状粉末中，Co相对于主要成分的含有比例为0～40atom％，且不含0atom％。
5.根据权利要求1或2所述的复合磁性材料，其中，
所述针状粉末相对于所述针状粉末和所述球状粉末的合计的含有比例为60vol％以上90vol％以下。
6.根据权利要求3所述的复合磁性材料，其中，
所述针状粉末相对于所述针状粉末和所述球状粉末的合计的含有比例为60vol％以上90vol％以下。
7.根据权利要求1或2所述的复合磁性材料，其中，
所述球状粉末的平均长径比为1.5以上2.5以下。
8.根据权利要求3所述的复合磁性材料，其中，
所述球状粉末的平均长径比为1.5以上2.5以下。
9.一种磁芯，其中，
包含权利要求1～8中任一项所述的复合磁性材料。
10.根据权利要求9所述的磁芯，其中，
所述针状粉末和所述球状粉末的合计相对于磁芯整体的含有比例为35vol％以上。
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