CN111128537A - 一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，具体为：将清洗后的铁基软磁粉体加入含氟锆酸的溶液中，控制pH＝3‑6之间，反应5～120min，冲洗干燥后获得预处理软磁粉体；将预处理后的软磁粉体加入润滑剂，在800～2000MPa条件下压制成型，置于惰性氛围中，200‑1000℃热处理30～240min，获得软磁复合材料。本发明是采用水解沉淀法在铁粉表面或铁基合金表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层，再经压制成型制得软磁复合材料，制得的材料可应用于开关电源、电动机磁芯、充电器磁芯、变压器磁芯等。

Description

一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种软磁复合材料及其制备方法,具体涉及一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，是采用水解沉淀法在铁粉表面或铁基合金表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层后压制成型制得软磁复合材料的方法，制得的材料可应用于开关电源、电动机磁芯、充电器磁芯、变压器磁芯等。
背景技术
磁性材料广泛的应用于电子，计算机和通信领域，现如今已经彻底的改变了我们的生活。目前磁粉芯因具有相对较高的磁通密度、较好的温度稳定性和机械冲击适应性，而广泛应用于航空、汽车、家用电器等领域中的微电机、电感器件、快速驱动及脉冲变压器。但传统的磁性材料在使用过程中也出现了一些弊端，当一些常用的电器设备如电动机在工作时，用于制造电动机机芯的硅钢片之间就会产生很大的涡流现象，这种涡流现象不但会造成能量的巨大损耗，还会使电动机温度升高。基于考虑到降低这种涡流现象带来的能量损耗，可以研究开发出一种新型绿色节能材料作为电动设备的机芯。同时，随着电子元器件和电子设备的发展，电器越来越往集成化和小型化的方向发展，这要求磁性材料有更高的磁导率和更小的损耗。随着电气设备小型化趋势以及为解决上述能源问题，对各式微型磁粉芯的需求日益显著。为了研制出能效更高、体积更小、质量更轻的粉芯，开发新型软磁复合材料(SMCs)成为当前热点，是近年来逐渐发展起来的一种新型铁基粉末软磁材料。这种材料的设计思路就是将铁芯的高饱和磁感应强度以及绝缘物质大的电阻率这两种特性结合起来，发挥二者的优势。
SMCs材料的绝缘包覆层的种类比较多，但以有机聚合物和无机氧化物为主，有机的如有机硅树脂、酚醛树脂、磷酸盐类等，无机绝缘包覆层有MgO、SiO2、Al2O3等。但这些材料都有各自的优缺点，如有机绝缘层的复合材料无法高温度的退火。而无机绝缘层的软磁复合材料难以成型。目前对此类材料有很多的研究，也有大量相关的科研论文及专利，但总的来说，此类材料还有很多未解决的问题，其综合性能也还有进一步提升的空间，有着广阔的开发研究前景。
发明内容
本发明目的是提供一种具备低损耗、高磁导率和高磁感应强度的软磁复合材料及其制备方法，该材料以金属氧化物作为绝缘包覆层，其制备是采用水解沉淀法在铁粉表面或铁基合金表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，所述软磁复合材料以铁基软磁粉体为原料，通过氟锆酸水解沉淀工艺在其表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层，具体制备方法如下：将清洗后的铁基软磁粉体加入含氟锆酸的溶液中，控制pH＝3～6之间，反应5～120min(通常为30～90℃，200～400r/min转速下搅拌反应5～120min，)。之后冲洗，干燥后获得预处理磁粉。将预处理后的磁粉加入润滑剂，在800～2000MPa条件下压制成型，置于惰性氛围中，200～1000℃热处理30～240min，获得软磁复合材料；
上述技术方案中，进一步的，所述的含氟锆酸的溶液为硝酸锆、硝酸铝的一种或几种与氟锆酸和螯合剂的混合水溶液。
进一步的，所述的润滑剂为硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸镍、硬脂酸锌、二甲基聚硅氧烷、二硫化钼、锂基脂、铝钙复合皂基润滑脂、SPANJAARD铬脂、SPANJAARD镍脂、SPANJAARD铜脂中的一种或几种。
进一步的，所述的铁基软磁粉体为：纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍合金粉、铁镍钼合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅合金粉中的一种或多种混合，更优选纯铁粉。
进一步的，所述的铁基软磁粉体的粒径为3～500μm。
进一步的，所述的含氟锆酸的溶液是氟锆酸、金属螯合剂及硝酸铝以质量比25～125：1：0～10制成混合水溶液。
更进一步的，所述的金属螯合剂为柠檬酸、柠檬酸钠、植酸、植酸钠、EDTA中的一种或几种。
进一步的，所述的氟锆酸的溶液中含有酸性pH缓冲剂，其可以是稀盐酸、稀硝酸、醋酸、磷酸的一种或几种。
进一步的，所述的润滑剂添加量为0.01wt％-1wt％，且通过机械研磨将润滑剂与预处理磁粉混合均匀。
进一步的，所述压制成型是在600～800MPa条件下预压20～40s，800～2000MPa压制30～60s。
进一步的，优选惰性氛围为氮气或氩气氛围，热处理过程中，升温速率为2-10℃/min，升温至200-400℃/min保温30min，接着继续升温至300-1000℃保温1h，然后随炉冷却至室温。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
(1)本发明采用水解沉淀法在铁粉表面或铁基合金表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层，产物具有低损耗、高磁导率和高磁感应强度，制备工艺简单、操作方便、成本低廉、生产效率高，而且该方法绿色环保，适于工业上的大规模的生产。(2)SMCs材料主要是通过模具的压制成型，形状可以复杂多样化，而传统硅钢片主要是通过叠压形成，所以对于加工成复杂的零部件要相对容易很多。(3)本发明有望取代传统高污染的磷化钝化及有毒铬酸盐钝化技术，是一种新型的环保包覆工艺。
附图说明
图1为经过氟锆酸混合液水解沉淀共包覆后的电镜图。
图2为500℃、550℃下氟锆酸混合液水解沉淀共包覆磁环的磁损耗。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
取25g氟锆酸、1g植酸钠、10g九水合硝酸铝溶于214g水中，配成氟锆酸混合溶液，之后取30g纯铁粉加入到60ml溶液中，加碳酸钠调pH＝3-4，于60℃下反应60min，在反应过程中通过稀硝酸调节pH，使其保持pH＝3-4，冲洗干净，放入鼓风干燥箱中干燥1h，得预处理后的铁粉30g。将预处理后的铁粉30g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为95左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为399.5W/kg。
实施例2
取25g氟锆酸、0.2g植酸钠、2g九水合硝酸铝溶于223.8g水中，配成氟锆酸混合溶液，之后取30g纯铁粉加入到60ml溶液中，加碳酸钠调PH＝3-4，于60℃下反应40min，在反应过程中通过稀硝酸调节pH，使其保持pH＝3-4，，冲洗干净，放入鼓风干燥箱中干燥放入鼓风干燥箱中干燥1h，得预处理后的铁粉30g。将预处理后的铁粉30g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为115左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为100.45W/kg。
实施例3
取50g氟锆酸、0.5g植酸钠、450g水中，配成氟锆酸混合溶液，之后取30g粉加入到60ml溶液中，反应12min，通过亚硝酸钠保持pH＝3-4，后冲洗干净，放入鼓风干燥箱中干燥放入鼓风干燥箱中干燥1h，得预处理后的铁粉30g。将预处理后的铁粉30g和0.05g硬脂酸锌研磨混合均匀，然后在25℃、1200MPa压制成环(12.7mm OD×7.6mm ID×3mm tall)；将压环在氮气氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用LCR表测得磁导率为110左右，利用交流B-H仪在50mT和45kHz条件下测得总损耗为288.25W/kg。

Claims (6)

1.一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的软磁复合材料是以铁基软磁粉体为原料，通过氟锆酸水解沉淀工艺在其表面包覆ZrO2和Al2O3共包覆绝缘层；
具体制备方法如下：将清洗后的铁基软磁粉体加入含氟锆酸的溶液中，控制pH＝3-6之间，反应5～120min，冲洗干燥后获得预处理软磁粉体；将预处理后的软磁粉体加入润滑剂，在800～2000MPa条件下压制成型，置于惰性氛围中，200-1000℃热处理30～240min，获得软磁复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，反应条件优选为：30～90℃下，200～400r/min转速下搅拌。
3.根据权利要求1所述的一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的含氟锆酸的溶液为硝酸锆、硝酸铝的一种或几种与氟锆酸和螯合剂的混合水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的含氟锆酸的溶液为氟锆酸、金属螯合剂及硝酸铝以质量比25～125：1：0～10制成的混合水溶液。
5.根据权利要求4所述的一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的金属螯合剂为柠檬酸、柠檬酸钠、植酸、植酸钠、EDTA中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种基于氟锆酸水解的软磁复合材料制备方法，其特征在于，所述的铁基软磁粉体为：纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍合金粉、铁镍钼合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅合金粉中的一种或几种，粉体粒径为3～500μm。
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