CN112509792B - 一种低功耗、高直流偏置磁芯及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种超低功耗、高直流偏置磁芯，包括非磁性绝缘基体和分散于非磁性绝缘基体中的磁性纳米颗粒。本发明的超低功耗、高直流偏置磁芯，由磁性纳米颗粒分散在非磁性绝缘基体中形成；非磁性绝缘基体能有效阻止电子传导，显著降低涡流损耗；同时超顺磁性纳米粒颗具有线性磁化曲线，具有优异的抗直流偏置特性。

Description

一种低功耗、高直流偏置磁芯及其应用
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，具体涉及一种低功耗、高直流偏置磁芯及其制备方法、应用。
背景技术
磁芯是变压器、电感器、互感器、滤波器等电子元器件的核心材料，是电源等电子装备的关键材料，对电子产业极为重要。上述电子元器件工作时，在磁芯中产生交变磁场，从而产生不断变化的磁力线。传统的磁芯采用铁磁性材料，在交变磁场下产生磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，使得器件的效率降低，能耗增大。同时，传统器件在直流偏置状态工作时，铁磁性磁芯迅速被磁化饱和，性能快速恶化，导致元器件失效。电子设备正向着低能耗、高直流偏置化快速发展，伴随磁性器件的这种能耗和性能降低越来越严重，对低功耗、高直流偏置磁芯的需求越来越大。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明提供一种低功耗、高直流偏置磁芯及其制备方法、应用。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种低功耗、高直流偏置磁芯，包括非磁性绝缘基体和分散于非磁性绝缘基体中的磁性纳米颗粒。
作为优选方案，所述磁性纳米颗粒在磁芯中的体积分数不小于40％。
作为优选方案，所述磁性纳米颗粒的尺寸小于其超顺磁临界尺寸。
作为优选方案，所述磁性纳米颗粒为锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜锌铁氧体、锰铜锌铁氧体、锂锌铁氧体、镁锌铁氧体、铁、镍、铁镍合金、铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁钴合金、铁氮化合物、铁硼化合物中的一种。
作为优选方案，所述非磁性绝缘基体为非磁性无机物或热固性树脂。
作为优选方案，所述非磁性无机物为氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化锌、氧化钛、碳化硅、氮化镓中的一种；所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯中的一种。
作为优选方案，所述磁芯的参数包括：电阻率高于103μΩ·cm，磁导率高于10，在100mT条件下的直流偏置性能大于80％，工作频率高于100KHz，损耗在100KHz、200mT条件下低于500KW/m3、在500KHz、150mT条件下低于350KW/m3、在1MHz、10mT条件下低于450KW/m3、在3MHz、50mT条件下低于280KW/m3、在10MHz、5mT条件下低于50KW/m3。
作为优选方案，所述磁芯为棒形、长方体形、薄片形、罐形、环形、管形、PM形、PQ形、E形、T形、U形或异形结构。
本发明还提供如上任一方案所述磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)磁性纳米颗粒的制备：采用水热法、溶剂热法、高温热解法、直流电弧等离子体法、CVD法、PVD法、机械破碎法、热还原法、微乳液法、化学沉淀法、化学还原法、溶胶凝胶法、爆炸反应法、喷雾法、蒸发冷凝法中的一种；
(2)非磁性相包覆：在磁性纳米颗粒表面包覆非磁性绝缘体或将磁性纳米颗粒分散于液态热固性树脂中；
(3)固结：采用放电等离子体烧结、热压烧结、等静压烧结、无压固相烧结、气氛烧结、真空烧结、微波辅助烧结或加热热固性树脂，得到磁芯。
本发明还提供如上任一方案所述磁芯的应用，用于变压器、电感器、滤波器、电抗器或互感器。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的低功耗、高直流偏置磁芯，由磁性纳米颗粒分散在非磁性绝缘基体中形成；非磁性绝缘基体能有效阻止电子传导，显著降低涡流损耗；同时超顺磁性纳米粒颗具有线性磁化曲线，具有优异的抗直流偏置特性；磁性纳米颗粒尺寸小于超顺磁性临界尺寸，不存在磁滞效应，能够消除磁滞损耗和剩余损耗。本发明的磁芯能够实现低功耗和高直流偏置特性，在电力电子器件中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的低功耗、高直流偏置磁芯的显微照片。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
实施例1：
本实施例的低功耗、高直流偏置磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用高温热解法合成锰锌铁氧体纳米颗粒，颗粒直径为20纳米；
(2)采用正硅酸乙酯水解法在锰锌铁氧体纳米颗粒表面均匀包覆一层氧化硅，厚度5纳米；
(3)采用放电等离子体烧结法，将上述包覆了氧化硅的锰锌铁氧体纳米颗粒在600℃快速烧结，保证颗粒尺寸不长大，固结后得到磁芯。如图1所示，图中的亮色部分是非磁性绝缘基体(即氧化硅)，暗色部分是锰锌铁氧体纳米颗粒。
其中，锰锌铁氧体纳米颗粒在磁芯中的体积分数为75％。
经测试，固结后的磁芯材料电阻率为2×106μΩ·cm，磁导率为50，直流偏置性能为92％(100mT)，在500KHz、150mT条件下损耗为320KW/m3，在1MHz、10mT条件下低于410KW/m3，在3MHz、50mT条件下低于260KW/m3，在10MHz、5mT条件下低于45KW/m3。
本实施例的磁芯能够实现低功耗和高直流偏置特性，能够应用于变压器、电感器、滤波器、电抗器或互感器等电子元器件中。
实施例2：
本实施例的低功耗、高直流偏置磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用直流电弧等离子体法合成铁镍纳米颗粒，颗粒直径为8纳米；
(2)采用钛酸丁酯水解法在铁镍纳米颗粒表面均匀包覆一层氧化钛，厚度2纳米；
(3)采用热压烧结法，将上述包覆了氧化钛的铁镍纳米颗粒在800℃下热压烧结，保证颗粒尺寸不长大，固结后得到磁芯。
其中，锰锌铁氧体纳米颗粒在磁芯中的体积分数为65％。
经测试，固结后的磁芯材料电阻率为0.8×104μΩ·cm，磁导率为200，直流偏置性能为80％(100mT)，在500KHz、150mT条件下损耗为220KW/m3，在1MHz、10mT条件下低于300KW/m3，在3MHz、50mT条件下低于210KW/m3，在10MHz、5mT条件下低于38KW/m3。
本实施例的磁芯能够实现低功耗和高直流偏置特性，能够应用于变压器、电感器、滤波器、电抗器或互感器等电子元器件中。
实施例3：
本实施例的低功耗、高直流偏置磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用热还原法合成铁纳米颗粒，颗粒直径为6纳米；
(2)将铁纳米颗粒分散在液态酚醛树脂中；
(3)升温到300℃，酚醛树脂发生固化，铁纳米颗粒被酚醛树脂均匀包覆，并且纳米颗粒尺寸不长大，固结后得到磁芯。
其中，铁纳米颗粒在磁芯中的体积分数为50％。
经测试，固结后的磁芯材料电阻率为3×105μΩ·cm，磁导率为70，直流偏置性能为63％(100mT)，在500KHz、150mT条件下损耗为340KW/m3，在1MHz、10mT条件下低于430KW/m3，在3MHz、50mT条件下低于255KW/m3，在10MHz、5mT条件下低于43KW/m3。
本实施例的磁芯能够实现低功耗和高直流偏置特性，能够应用于变压器、电感器、滤波器、电抗器或互感器等电子元器件中。
在上述实施例及其替换方案中，非磁性绝缘基体还可以为非磁性无机物或热固性树脂，其中，非磁性无机物还可以为氧化铝、氧化锆、氧化锌、碳化硅、或氮化镓，热固性树脂还可以为环氧树脂、氨基树脂或不饱和聚酯。
在上述实施例及其替换方案中，磁性纳米颗粒还可以为镍锌铁氧体、镍铜锌铁氧体、锰铜锌铁氧体、锂锌铁氧体、镁锌铁氧体、镍、铁硅合金、铁硅铝合金、铁镍钼合金、铁铝合金、铁钴合金、铁氮化合物或铁硼化合物。
在上述实施例及其替换方案中，磁性纳米颗粒在磁芯中的体积分数还可以为40％、60％、80％等。
在上述实施例及其替换方案中，磁芯还可以根据组分的调整，满足磁芯的参数在以下范围内调整：电阻率高于103μΩ·cm，磁导率高于10，在100mT条件下的直流偏置性能大于80％，工作频率高于100KHz，损耗在100KHz、200mT条件下低于500KW/m3、在500KHz、150mT条件下低于350KW/m3、在1MHz、10mT条件下低于450KW/m3、在3MHz、50mT条件下低于280KW/m3、在10MHz、5mT条件下低于50KW/m3。
在上述实施例及其替换方案中，磁芯的结构为棒形、长方体形、薄片形、罐形、环形、管形、PM形、PQ形、E形、T形、U形或异形结构。
在上述实施例及其替换方案中，磁性纳米颗粒的制备还可以采用水热法、溶剂热法、CVD法、PVD法、机械破碎法、微乳液法、化学沉淀法、化学还原法、溶胶凝胶法、爆炸反应法、喷雾法或蒸发冷凝法。
在上述实施例及其替换方案中，固结的方法还可以采用等静压烧结、无压固相烧结、气氛烧结、真空烧结或微波辅助烧结。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种低功耗、高直流偏置磁芯，其特征在于，包括非磁性绝缘基体和分散于非磁性绝缘基体中的磁性纳米颗粒，所述磁性纳米颗粒的尺寸小于其超顺磁临界尺寸；所述磁性纳米颗粒为铁镍纳米颗粒，非磁性绝缘基体为氧化钛；
其中，低功耗、高直流偏置磁芯的制备过程包括：
(1)磁性纳米颗粒的制备：采用直流电弧等离子体法合成铁镍纳米颗粒，颗粒直径为8纳米；
(2)非磁性相包覆：采用钛酸丁酯水解法在铁镍纳米颗粒表面均匀包覆一层氧化钛，厚度2纳米；
(3)固结：将上述包覆了氧化钛的铁镍纳米颗粒在800℃下热压烧结，得到磁芯；
其中，铁镍纳米颗粒在磁芯中的体积分数为65％；
磁芯的电阻率为0.8×104μΩ·cm，磁导率为200，在100mT条件下的直流偏置性能为80％，在500KHz、150mT条件下损耗为220KW/m3，在1MHz、10mT条件下低于300KW/m3，在3MHz、50mT条件下低于210KW/m3，在10MHz、5mT条件下低于38KW/m3。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗、高直流偏置磁芯，其特征在于，所述磁芯为棒形、长方体形、罐形、环形、管形、PM形、PQ形、E形、T形、U形中的一种。
3.如权利要求1-2任一项所述的低功耗、高直流磁芯的应用，其特征在于，用于变压器、电感器、滤波器、电抗器、互感器中的一种。
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