CN109786096A - 一种二维层状金属软磁复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维层状金属软磁复合材料及其制备方法与应用，该材料是由片状软磁粉体及陶瓷相复合的叠层状软磁复合材料，采用如下方法制成：先对片状软磁粉进行包覆处理，如采用先偶联剂表面处理再采用工艺包覆SiO₂层的方法，或者直接将片状软磁粉分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中并烘干的方法，或者采用先偶联剂表面处理再分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中并烘干的方法；之后将包覆处理后的磁粉压制成磁体，进行退火处理。本发明的复合材料具有高频率(达到10～100MHz)、高饱和磁化强度(可以达到1特斯拉以上)、高磁导率(兆赫兹频率达到600)、低损耗的特性。可用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电等领域。

Description

一种二维层状金属软磁复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种具备优良电磁性能的二维层状金属软磁复合材料及其制备方法与应用，该金属软磁复合材料可用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电等领域。

背景技术

随着高速大容量5G通信技术和GaN等第三代半导体技术的发展，电子器件朝着小型化、高频化、高度集成化、多功能化、可穿戴化的方向发展。这对电子信息材料也提出了新的要求。作为信息的发射、传输、接收、处理、记录以及电能的变换、传输等过程中必不可少的软磁材料，面临着高频率、高饱和磁通密度和低功耗的巨大挑战，已经成为限制下一代电子器件发展的关键因素。

近些年中国新能源汽车市场增速显著，以及在这一领域国家政策的倾斜。预计2018年新能源汽车产销或达100万辆。与此同时，新能源汽车对汽车电源转换以及充电效率等都提出了更为苛刻的要求。汽车电源方面，其急需解决的问题就是如何降低大功率负载的耗电量。比如汽车中车窗升降机、座椅调节器和直流电机控制器等大功率控制应用。至于充电以及充电桩的应用上，目前电动汽车行业面临着续航里程短、充电时间长、充电站资源严重不足的问题，使得大多消费者对电动汽车行业仍心存疑虑，同时这也是众多车载电源及充电桩企业的一大心病。

金属软磁复合材料是一种常用的功能材料，由于其具有较好的高频软磁性能、较低的损耗及高饱和磁化强度，将在电源、充电桩、无线充电等领域得到更为广泛地研究与应用。铁氧体软磁材料虽然具有较高的电阻率，但其饱和磁化强度较低，限制了其在大功率密度、大电流下的应用。尽管金属软磁材料的电阻率较低，但是经过绝缘包覆处理后也能极大的降低导电性，同时能维稳其原有的磁性能，如改善高频磁导率，保持较高的饱和磁化强度。这些优异的磁性能既促进了金属软磁复合材料的应用，也引领了器件的向高能量密度、小型化方向发展的潮流。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种二维层状金属软磁复合材料及其制备方法与应用。该二维层状金属软磁复合材料具有高频率、高磁导率及低损耗的优势，可用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电等领域。

本发明采用的技术方案如下：

二维层状金属软磁复合材料的制备方法，如下：

1)片状软磁粉的包覆处理

将片状软磁粉分散于偶联剂溶液中，将溶剂烘干，得到偶联剂表面处理后的片状磁粉；再采用工艺包覆SiO₂层；

或者将片状软磁粉分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中，在40～80℃下烘干；

或者先将片状软磁粉分散于偶联剂溶液中，将溶剂烘干，得到偶联剂表面处理后的片状磁粉；再将片状磁粉分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中，在40～80℃下烘干；

2)压制成磁体

在步骤1)所得包覆磁粉中加入如下组分中的一种或多种：硼酸、硅酸钠、氧化钙、氧化铝、氧化镁，混匀混合，所加入各组分的质量占比均不超过包覆磁粉质量的10％，然后再加入润滑剂混合，研磨均匀后分批次的加入到模具中，然后在液压机中压制成磁体；

3)退火处理

将步骤2)所得磁体置于氮气气氛的管式炉中，于500～1400℃下进行退火处理0.5～12h，即得二维层状金属软磁复合材料。

上述技术方案中，进一步的，所述的片状软磁粉为：片状铁硅铝合金粉、片状铁镍钼合金粉、片状铁镍合金粉、片状羰基铁粉或还原铁粉。

进一步的，所述的偶联剂溶液中偶联剂的质量浓度为1～10g/100mL；偶联剂与片状软磁粉的质量比为0.2～3：100；所述的偶联剂为：聚丙烯酰胺、多元醇表面活性剂、KH550、KH560或KH570。

进一步的，所述的硅树脂为聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚甲基苯基硅树脂、聚乙基苯基硅树脂中的一种或者两种以上任意比例的混合物。

进一步的，所述的片状磁粉、硅树脂溶液、乙醇的质量比为1：0.005～0.1：0.1～0.3。

进一步的，所述的润滑剂是甘油、拉丝油、硬脂酸、硬脂酸锌、油酸酰胺、PETS-AP中的一种或几种，润滑剂与包覆磁粉的质量比为0.1～1：100。

进一步的，所述的液压机工作时的压强为400～2500MPa。

本发明制得的二维层状金属软磁复合材料，是由片状软磁粉体及陶瓷相复合的叠层状软磁复合材料；其中片状软磁粉体的厚度为0.1～2μm，直径为10～300μm，晶界由陶瓷相构成，厚度为0.005～5μm；所述的陶瓷相为二氧化硅、氧化硼、氧化镁、氧化钙、或氧化铝中的一种或多种。

本发明的二维层状金属软磁复合材料可以应用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电领域。

本发明中所述的片状软磁粉可通过常规途径商购获得，市场通用片状磁粉都可用；

本发明制得的材料与常规颗粒状材料不同，是由二维片状的金属软磁粉体构筑，形成的由片状软磁粉体及陶瓷相复合的叠层状软磁复合材料；相比于现有的软磁复合材料，这种材料由于其特殊的二维层状结构，具有高频率(达到10～100MHz)、高饱和磁化强度(可以达到1特斯拉以上)、高磁导率(兆赫兹频率达到600)、低损耗的特性，在某些场合可以替代目前的铁氧体和通用金属软磁复合材料。可用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电等领域。

本发明方法的有益效果在于：

(1)采用硅树脂或二氧化硅包覆具有安全无毒的特性，同时兼备高电阻率的优势，有利于降低磁体的涡流损耗；

(2)采用分批次放入模具进行压制制得磁体，使得磁体内部的片状磁粉呈现叠层结构，具有优异的抗拉强度；

(3)采用片状软磁粉为原料，利用片状磁粉具有水平取向的特性，使得磁体的磁导率在高频下依然具有较高的数值，使其电磁性能有较大的改善，应用的频带更宽。

附图说明

图1：实施例1样品的复磁导率实部和虚部；

图2：实施例1样品的损耗曲线及其与普通球形粉体的损耗对比图

图3：实施例2样品的复磁导率实部和虚部；

图4：实施例3样品的复磁导率实部和虚部；

图5：实施例3样品的损耗曲线；

图6：实施例7样品的复磁导率实部和虚部；

图7：实施例7样品的损耗曲线；

图8：实施例1样品断面的扫面电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

称取一定质量的硅树脂溶液，用无水乙醇稀释，硅树脂溶液的质量为片状铁镍粉质量的5％，无水乙醇质量为片状铁镍粉质量的15％。接着将片状铁镍粉加入到上述稀释后的硅树脂溶液中，搅拌均匀，放入烘箱，烘箱温度为50℃，干燥40min后取出。在包覆磁粉中加入质量占比为1％的硼酸，然后称取适量的硅树脂-片状铁镍粉和硬脂酸锌润滑脂，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁镍粉质量的0.3％，将二者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入模具中使原料层层排布，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强600MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，700℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出极高的磁导率，见图1。其断面图如图7。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例2

称取一定质量的硅树脂溶液，用无水乙醇稀释，硅树脂的质量为片状铁粉质量的10％，无水乙醇质量为片状铁粉质量的15％。接着将片状铁粉加入到上述稀释后的硅树脂溶液中，搅拌均匀，放入烘箱，烘箱温度为50℃，干燥40min后取出。在硅树脂包覆的片状铁粉里面加入质量占比1％的纳米氧化铝，然后称取适量的硅树脂-片状铁粉和油酸酰胺润滑脂，油酸酰胺的质量为硅树脂-片状铁粉质量的0.3％，将2者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入圆环模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强1200MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，800℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出较高的磁导率，见图3。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例3

20g片状铁硅铝磁粉放入500ml的无水乙醇中，然后加入3g KH550硅烷偶联剂和10g去离子水并在恒温水浴50℃下不断搅拌1h。缓慢滴加15ml正硅酸乙酯(TEOS)和2ml的氨水，使其在水浴60℃下搅拌反应10h。反应完成后，过滤掉上面的悬浮液，将剩下反应后的粉体用无水乙醇清洗3次，然后60℃下在真空干燥箱中干燥2h。在包覆磁粉粉里面加入质量占比1％的硼酸，然后称取适量的包覆磁粉和硬脂酸锌，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁硅铝质量的0.3％，将2者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入圆环模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强2000MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，800℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出较高的磁导率。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例4

20g片状铁硅铝磁粉放入500ml的无水乙醇中，然后加入3g KH550硅烷偶联剂和10g去离子水并在恒温水浴50℃下不断搅拌1h。缓慢滴加10ml正硅酸乙酯(TEOS)和2ml的氨水，使其在水浴60℃下搅拌反应10h。反应完成后，过滤掉上面的悬浮液，将剩下反应后的铁粉用无水乙醇清洗3次，然后60℃下在真空干燥箱中干燥2h。在包覆磁粉粉里面加入质量占比1％的硅酸钠，然后称取适量的包覆磁粉和硬脂酸锌，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁硅铝质量的0.3％，将2者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入圆环模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强2000MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，600℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出较高的磁导率。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例5

20g片状铁硅铝磁粉放入500ml的无水乙醇中，然后加入3g KH550硅烷偶联剂和10g去离子水并在恒温水浴50℃下不断搅拌1h。缓慢滴加5ml正硅酸乙酯(TEOS)和2ml的氨水，使其在水浴60℃下搅拌反应10h。反应完成后，过滤掉上面的悬浮液，将剩下反应后的铁粉用无水乙醇清洗3次，然后60℃下在真空干燥箱中干燥2h。在包覆磁粉粉里面加入质量占比分别为10％的硅酸钠、1％的硼酸和1％的纳米氧化钙，然后称取适量的包覆磁粉和硬脂酸锌，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁硅铝质量的0.3％，将2者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入圆环模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强2000MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，650℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出较高的磁导率。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例6

20g片状铁硅铝磁粉放入500ml的无水乙醇中，然后加入3g KH550硅烷偶联剂和10g去离子水并在恒温水浴50℃下不断搅拌1h。缓慢滴加2ml正硅酸乙酯(TEOS)和2ml的氨水，使其在水浴60℃下搅拌反应10h。反应完成后，过滤掉上面的悬浮液，将剩下反应后的铁粉用无水乙醇清洗3次，然后60℃下在真空干燥箱中干燥2h。在包覆磁粉里面加入质量占比1％的硅酸钠、10％的硼酸和1％纳米氧化镁，然后称取适量的包覆磁粉和硬脂酸锌，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁硅铝质量的0.3％，将2者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料逐次加入圆环模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强2000MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，650℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出较高的磁导率。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

实施例7

称取一定质量的硅树脂溶液，用无水乙醇稀释，硅树脂溶液的质量为片状铁镍粉质量的5％，无水乙醇质量为片状铁镍粉质量的15％。接着将片状铁镍粉加入到上述稀释后的硅树脂溶液中，搅拌均匀，放入烘箱，烘箱温度为50℃，干燥40min后取出。在包覆磁粉中加入质量占比为1％的硼酸，然后称取适量的硅树脂-片状铁镍粉和硬脂酸锌润滑脂，硬脂酸锌的质量为硅树脂-片状铁镍粉质量的0.3％，将二者加入到玛瑙研钵中研磨均匀。将上述制备完毕的粉末原料一次性加入模具中，之后在液压机的辅助下压制成磁体生坯，设置预压压强400MPa，时长30s；全压压强600MPa，时长60s。

接着进行热处理过程。将磁体置于管式炉中，通以氮气气氛。设置热处理工艺为：200℃保温2h，700℃退火4h，以1.5℃/min降至室温。

对其进行磁性能的表征。在1MHz-1GHz频率范围内，其表现出极高的磁导率，见图1。其断面图如图7。在100mT 100kHz条件下测试其功率损耗。

可以看出，本发明中在准备好原料后采用何种方式将其加入模具中也是至关重要的，通过分批逐次加入模具比一次性倒入模具中更有利于获得高性能的软磁复合材料。分批次加入可使粉体层层排布，从而降低材料的退磁因子，提高磁导率，降低高频涡流损耗，使得材料的工作频率大幅提升，更有利于未来的磁性电子材料实现大饱和、高频率、高磁导率的特点。

Claims (10)

1.一种二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，采用方法如下：

1)片状软磁粉的包覆处理

将片状软磁粉分散于偶联剂溶液中，将溶剂烘干，得到偶联剂表面处理后的片状磁粉，再采用工艺包覆SiO₂层；

或者将片状软磁粉分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中，在40～80℃下烘干；

或者先将片状软磁粉分散于偶联剂溶液中，将溶剂烘干，得到偶联剂表面处理后的片状磁粉，再将片状磁粉分散于乙醇稀释的硅树脂溶液中，在40～80℃下烘干；

2)压制成磁体

在步骤1)所得包覆磁粉中加入如下组分中的一种或多种：硼酸、硅酸钠、氧化钙、氧化铝、氧化镁，混匀混合，所加入各组分的质量占比均不超过10％，然后再加入润滑剂混合，研磨均匀后分批次加入到模具中使其层层排布，然后在液压机中压制成磁体；

3)退火处理

将步骤2)所得磁体置于氮气气氛的管式炉中，于500～1400℃下进行退火处理0.5～12h，即得二维层状金属软磁复合材料。

2.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的片状软磁粉为：片状铁硅铝合金粉、片状铁镍钼合金粉、片状铁镍合金粉、片状羰基铁粉或还原铁粉。

3.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的偶联剂溶液中偶联剂的质量浓度为1～10g/100mL；偶联剂与片状软磁粉的质量比为0.2～3：100；

所述的偶联剂为：聚丙烯酰胺、多元醇表面活性剂、KH550、KH560或KH570。

4.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的硅树脂为聚甲基硅树脂、聚乙基硅树脂、聚芳基有机硅树脂、聚甲基苯基硅树脂、聚乙基苯基硅树脂中的一种或者两种以上任意比例的混合物。

5.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的片状磁粉、硅树脂溶液、乙醇的质量比为1：0.005～0.1：0.1～0.3。

6.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的润滑剂是甘油、拉丝油、硬脂酸、硬脂酸锌、油酸酰胺、PETS-AP中的一种或几种，润滑剂与包覆磁粉的质量比为0.1～1：100。

7.根据权利要求1所述的二维层状金属软磁复合材料的制备方法，其特征在于，所述的液压机工作时的压强为400～2500MPa。

8.一种二维层状金属软磁复合材料，其特征在于，是由片状软磁粉体及陶瓷相复合的叠层状软磁复合材料；其中片状软磁粉体的厚度为0.1～2μm，直径为10～300μm，晶界由陶瓷相构成，厚度为0.005～5μm；所述的陶瓷相为二氧化硅、氧化硼、氧化镁、氧化钙、或氧化铝中的一种或多种。

9.一种二维层状金属软磁复合材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的方法制得。

10.一种如权利要求9所述的二维层状金属软磁复合材料的应用，其特征在于，该材料用于功率开关电源、扼流圈、功率谐振电感器、脉冲变压器或无线充电领域。