CN109786100A

CN109786100A - 一种软磁粉芯的制备方法

Info

Publication number: CN109786100A
Application number: CN201910254892.0A
Authority: CN
Inventors: 董亚强; 周帮; 贺爱娜; 黎嘉威; 李润伟
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明提供一种软磁粉芯的制备方法。首先将磁粉表面进行改性后原位生成TiO₂，在磁粉颗粒表面形成致密均匀的TiO₂绝缘包覆层，然后采用树脂对该表面包覆TiO₂的磁粉进一步进行绝缘包覆，形成二次绝缘包覆。该方法能够解决传统物理包覆过程中易团聚、包覆效果差的问题，可实现磁粉的有效绝缘，同时能够有效避免由于有机绝缘材料热稳定性低而引起的磁粉芯性能降低、高频损耗增加的问题。

Description

一种软磁粉芯的制备方法

技术领域

本发明涉及磁性材料技术领域，具体涉及一种具有低损耗、高频稳定性和高直流偏置软磁粉芯及其制备方法。

背景技术

软磁粉芯是一种由磁性材料粉末与绝缘介质混合压制而成的软磁材料。目前，实际生产和生活中应用的软磁粉芯主要包括金属软磁粉芯(铁粉芯、铁硅粉芯、铁硅铝粉芯、铁镍粉芯和铁镍钼粉芯)、非晶、纳米晶和铁氧体粉芯等。软磁粉芯具有良好的软磁性能及频率特性，是目前制作电感器件尤其是高频、大电流、大功率电路中电感器及功率变压器的关键材料。

为了提高软磁粉芯的性能，降低高频损耗，需要在磁粉表面包覆厚度适中、高电阻率且附着性良好的绝缘层。目前常采用有机和无机材料作为绝缘包覆层，其中以树脂为主要构成的有机绝缘剂多为物理包覆过程，导致磁粉与绝缘剂无法完全分散，造成磁粉包覆均匀性差。专利CNI224899A公布了采用环氧树脂、酚醛树脂等有机物作为磁粉间的绝缘介质，但是由于这些有机绝缘剂较低的热分解温度，限制了磁粉芯的热处理温度，而较低的热处理温度不能完全消除压制过程中的应力释放，导致磁粉芯性能较差。

近年来，无机绝缘包覆由于其优异的绝缘性及热稳定性而逐渐成为磁粉芯包覆的研究热点。最常使用的无机绝缘剂主要为磷酸盐和无机氧化物，其中磷酸盐包覆因其简单的处理过程已是目前应用较广泛的方法。专利CN1845805A、CN1211943A、CN1656575A及CN1211943A等都公布了采用磷酸钝化获得磷酸盐膜绝缘层的方法，但是利用磷酸钝化方法得到的磷酸盐包覆层在热处理温度超过500℃会逐渐分解，导致电阻率急剧下降，磁粉芯的损耗明显增大。于是出现了使用SiO₂、MgO及Al₂O₃等无机氧化物作为绝缘层，这些无机氧化物绝缘层普遍具有高温稳定性，它克服了有机绝缘材料和磷酸盐包覆层热分解的缺陷。专利CN101089108A直接利用无机氧化物与铁磁性粉末混合在磁粉颗粒表面实行绝缘包覆，但是这种简单的处理方法导致磁粉颗粒容易团聚且包覆层致密度及均匀性差。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种软磁粉芯的制备方法，利用该方法绝缘包覆后的磁粉颗粒分散性良好，能够实现磁粉的有效绝缘，从而大幅提高磁粉表面的电阻率，降低磁粉芯损耗。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种软磁粉芯的制备方法，包括如下步骤：

(1)将磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮分散液中，搅拌均匀，得到表面改性的磁粉；然后，加入钛酸丁酯或钛酸四丁酯，再逐滴加入去离子水搅拌反应，所得产物真空干燥后得到表面包覆TiO₂的绝缘磁粉；

(2)将步骤(1)得到的表面包覆TiO₂的绝缘磁粉与树脂溶液搅拌混合，过筛、干燥，得到树脂包覆的绝缘磁粉，即，在步骤(1)得到的表面包覆TiO₂的绝缘磁粉的表面包覆树脂绝缘层；

(3)将步骤(2)得到的树脂包覆的绝缘磁粉压制成型，得到磁粉芯。

所述步骤(1)中，磁粉包括但不限于金属软磁粉末、非晶软磁粉末、纳米晶软磁粉末中的一种或几种。金属软磁粉末包括但不限于纯铁粉、铁硅粉、铁镍粉、铁镍钼粉中的一种或者几种。

所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮分散液中溶剂不限，包括无水乙醇、丁醇、乙二醇、甲醇、异丙醇等。

所述步骤(1)中，作为优选，聚乙烯吡咯酮质量占磁粉质量的0.005～0.2％。

所述步骤(1)中，作为优选，磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮分散液中，在30～50℃下搅拌10～30min。

所述步骤(1)中，作为优选，搅拌反应在30～50℃下进行，反应时间优选为6h～12h。

所述步骤(1)中，作为优选，所得产物在40～80℃真空干燥。

所述步骤(2)中，树脂包括但不限于环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、硅酮树脂等中的一种或几种。

所述步骤(2)中，作为优选，树脂质量占绝缘磁粉质量的0.5～5％。

作为优选，所述步骤(3)之后，对得到的磁粉芯进行热处理，热处理温度优选为400～500℃，保温时间优选为0.5～2h。

本发明首先将磁粉表面进行改性后原位生成TiO₂，在磁粉颗粒表面形成致密均匀的TiO₂绝缘包覆层，然后采用树脂对该表面包覆TiO₂的磁粉进一步进行绝缘包覆，形成了二次绝缘包覆，具有如下有益效果：

(1)经TiO₂绝缘包覆后的磁粉颗粒分散性良好，从而解决了传统物理包覆过程中易团聚、包覆效果差的难题，可实现磁粉的有效绝缘，从而大幅提高磁粉的电阻率，有效降低磁粉芯损耗，同时又提高其直流偏置特性；

(2)本发明采用二次绝缘包覆，在热处理过程中，即使有机绝缘材料受热分解，由于TiO₂绝缘包覆层的存在，仍然能够对磁粉颗粒进行绝缘保护，因此有效避免了由于有机绝缘材料热稳定性低而引起的磁粉芯性能降低、高频损耗增加的问题；

(3)与在磁粉表面直接包覆树脂材料，以及在磁粉表面直接包覆无机氧化物与树脂材料的混合材料相比，本发明的二次绝缘包覆方法能够降低磁粉芯的损耗，同时提高其直流偏置特性；

(4)本发明可以通过改变反应体系内的溶剂量控制TiO₂绝缘层厚度，从而实现不同的TiO₂绝缘包覆效果，进一步调控磁粉芯性能。

附图说明

图1是是实施例1中表面包覆TiO₂绝缘层的磁粉颗粒的低倍率微观形貌图。

图2是实施例1中表面包覆TiO₂绝缘层的磁粉颗粒的高倍率微观形貌图。

图3是对比例1中表面包覆树脂绝缘层的磁粉颗粒的低倍率微观形貌图。

图4是实施例1、对比例2和对比例3中复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化图，其中：

(a)曲线为实施例1中复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线；

(b)曲线为对比例1中复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线；

(c)曲线为对比例2中复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线。

图5是实施例1、对比例2和对比例3中复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化图，其中：

(a)曲线为实施例1中复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线；

(b)曲线为对比例1中复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线；

(c)曲线为对比例2中复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线。

图6是实施例1、对比例2和对比例3中复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化图，其中：

(a)曲线为实施例1中复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线；

(b)曲线为对比例1中复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线；

(c)曲线为对比例2中复合磁粉芯直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

(1)将0.1g聚乙烯吡咯烷酮分散于50ml分析纯无水乙醇溶液中得到分散液，超声处理15min后转移至恒温机械搅拌装置中。将铁基非晶磁粉加入分散液中，在30℃下搅拌20min，随后加入1ml的钛酸丁酯，继续搅拌15min后，逐滴缓慢加入20ml去离子水，在30℃下恒温搅拌8h，所得产物进行磁分离并利用去离子水及无水乙醇洗涤数次，在60℃真空干燥6h后得到表面包覆TiO₂绝缘层的磁粉颗粒。

上述制得的磁粉颗粒的表面形貌如图1、2所示，可以看出磁粉颗粒分散性较好，磁粉表面的绝缘层致密均匀；下述对比例1中步骤(2)绝缘处理后的磁粉如图3所示，颗粒间存在较多团聚，分散性差；相比较而言，本方法处理后所获得的磁粉分散性具有明显的优势。。

(2)将上述绝缘包覆后的磁粉颗粒加入到2％的环氧树脂丙酮溶液中不断搅拌，过筛并收集100目以下的粉末于60℃真空干燥6h。

(3)将步骤(2)得到的磁粉颗粒置于液压成型机中，使用1800MPa的压强压制成外径20.3mm，内径12.7mm，高度为5mm的环形磁粉芯，保压时间为60s，得到成型度完好的复合磁粉芯。

对480℃真空退火1h后的该复合磁粉芯进行性能测试，结果如下：

复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线如图4中(a)所示，显示磁粉芯在100kHz频率下的磁导率为74且兼具优良的频率稳定性；

复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线如图5中(a)所示，显示磁粉芯保持较低的损耗，在100kHz，0.05T条件下，损耗为300mW/cm3；

复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线如图6中(a)所示，显示磁粉芯在100Oe外加磁场下，直流偏置性能为75％。

对比例1：

(1)选择铁基非晶磁粉，该铁基非晶磁粉与实施例1中步骤(1)所使用的铁基非晶磁粉完全相同。

(2)将铁基非晶磁粉加入到2％的环氧树脂丙酮溶液中不断搅拌，过筛并收集100目以下的粉末于60℃真空干燥6h。

(3)将步骤(2)得到的磁粉颗粒置于液压成型机中，使用1800MPa的压强压制成外径20.3mm，内径12.7mm，高度为5mm的环形磁粉芯，保压时间为60s，得到成型度完好的磁粉芯。

对480℃真空退火的1h后的该磁粉芯进行性能测试，结果如下：

复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线如图4中(b)所示，显示复合磁粉芯在100kHz频率下的磁导率为87且兼具良好的频率稳定性；

复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线如图5中(b)所示，显示磁粉芯保持较低的损耗，在100kHz，0.05T条件下，损耗为339mW/cm³；

复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线如图6中(b)所示，显示磁粉芯在100Oe外加磁场下，直流偏置性能为50％。

对比例2：

(2)将铁基非晶磁粉加入到含2％纳米Al₂O₃和2％的环氧树脂丙酮溶液中不断搅拌，过筛并收集100目以下的粉末于60℃真空干燥6h。

(3)将上述磁粉颗粒至于液压成型机中，使用1800MPa的压强压制成外径20.3mm，内径12.7mm，高度为5mm的环形磁粉芯，保压时间为60s，得到成型度完好的磁粉芯。

复合磁粉芯的磁导率随外加磁场的变化曲线如图4中(c)所示，显示复合磁粉芯在100kHz频率下的磁导率为69且兼具良好的频率稳定性；

复合磁粉芯的损耗随外加磁场的变化曲线如图5中(c)所示，显示磁粉芯保持相对较低的损耗，在100kHz，0.05T条件下，损耗为377mW/cm³所示；

复合磁粉芯的直流偏置性能随外加偏置场的变化曲线如图6中(c)所示，显示磁粉芯在100Oe外加磁场下，直流偏置性能为57％。

实施例2：

将0.1g聚乙烯吡咯烷酮分散于50ml分析纯无水乙醇溶液中得到分散液，超声处理15min后转移至恒温机械搅拌装置中。将纳米晶磁粉加入分散液中，在30℃下搅拌20min，随后加入1ml的钛酸丁酯，继续搅拌15min后，逐滴缓慢加入0.2ml去离子水，在30℃下恒温搅拌8h，所得产物进行磁分离并利用去离子水及无水乙醇洗涤数次，在60℃真空干燥6h后得到表面包覆TiO₂绝缘层的磁粉颗粒。

将上述绝缘包覆后的磁粉颗粒加入到2％的环氧树脂丙酮溶液中不断搅拌，过筛并收集100目以下的粉末于60℃真空干燥6h，然后置于液压成型机中，使用1800MPa的压强压制成外径20.3mm，内径12.7mm，高度为5mm的环形磁粉芯，保压时间为60s，得到成型度完好的复合磁粉芯。

对480℃真空退火的1h后的该复合磁粉芯进行性能测试，结果如下：

磁粉芯在100kHz频率下的磁导率为63且兼具良好的频率稳定性；

磁粉芯保持较低的损耗，在100kHz，0.05T条件下，损耗为207mW/cm³；

磁粉芯在100Oe外加磁场下，直流偏置性能达到53％。

实施例3：

(1)将0.1g聚乙烯吡咯烷酮分散于150ml分析纯无水乙醇溶液中得到分散液，超声处理15min后转移至恒温机械搅拌装置中。将纯铁粉加入分散液中，在30℃下搅拌20min，随后加入2ml的钛酸丁酯，继续搅拌15min后，逐滴缓慢加入20ml去离子水，在30℃下恒温搅拌8h，所得产物进行磁分离并利用去离子水及无水乙醇洗涤数次，在60℃真空干燥6h后得到表面包覆TiO2绝缘层的磁粉颗粒。

磁粉芯在100kHz频率下的磁导率为35且兼具优良的频率稳定性；

在100kHz，0.05T条件下，损耗为187mW/cm³。

磁粉芯在100Oe外加磁场下，直流偏置性能达到45％。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种软磁粉芯的制备方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)将磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮分散液中，搅拌均匀，得到表面改性的磁粉；然后加入钛酸丁酯或钛酸四丁酯，再逐滴加入去离子水搅拌反应，所得产物真空干燥后得到表面包覆TiO₂的绝缘磁粉。

(2)将步骤(1)得到的表面包覆TiO₂的绝缘磁粉与树脂溶液搅拌混合，过筛、干燥，得到树脂包覆的绝缘磁粉，即，在步骤(1)得到的表面包覆TiO₂的绝缘磁粉的表面包覆树脂绝缘层。

(3)将步骤(2)得到的树脂包覆的绝缘磁粉压制成型，得到软磁粉芯。

2.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，磁粉包括金属软磁粉末、非晶软磁粉末、纳米晶软磁粉末中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮分散液中溶剂包括无水乙醇、丁醇、乙二醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，聚乙烯吡咯酮质量占磁粉质量的0.005～0.2％。

5.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮分散液中，在30～50℃下搅拌10～30min。

6.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，搅拌反应在30～50℃下进行；

作为优选，反应时间为6h～12h。

7.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，所得产物在40～80℃真空干燥。

8.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，树脂包括环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、硅酮树脂中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，树脂质量占表面包覆TiO₂绝缘磁粉质量的0.5～5％。

10.如权利要求1所述的软磁粉芯的制备方法，其特征是：所述步骤(3)之后，对得到的磁粉芯进行热处理；

作为优选，热处理温度为400～500℃；

作为优选，保温时间为0.5～2h。