CN112735721A - 一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途，所述高频低损耗复合软磁材料包括金属磁粉和粘结剂，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16‑26，y的范围为2.5‑3，所述金属磁粉的粒径D50为100‑300nm且形状为近球形。本发明经过优化复合软磁材料中金属磁粉的成分组成和微观组织，并将其与绝缘性的粘结剂复合得到高频低损耗复合软磁材料，可以极大地降低涡流损耗，使其更适合在GHz条件下工作，截止频率为8.5‑10.2GHz，在6GHz的频率下，磁导率μ’为1.2‑2.2，磁损耗tanδμ为0.05‑0.15。

Description

一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及磁性材料技术领域，具体涉及一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途。
背景技术
软磁材料及其器件(电感、变压器、电机等)作为能量输送机转换的核心部件，在工业社会中扮演着非常重要的角色。近年来，随着技术的发展，宽禁带半导体(WBG)的出现，使得各种电子元器件可以在更高频率下工作，从而减小器件的尺寸并提高系统的能效。但是，随着工作频率的提高，器件的涡流损耗急剧增加，不仅降低了器件的能效，同时也导致器件发热严重。对于电子元器件来说，其软磁材料的技术发展远远落后于宽禁带半导体(WBG)，成为制约电子器件在高频下使用的瓶颈。尤其是随着5G时代的到来，6G技术研究的兴起，电子器件越来越向高频化、小型化发展，市场迫切要求可以在GHz条件下工作的软磁材料。
现有的软磁材料种类很多，如纯铁、硅钢片、铁镍、铁氧体(锰锌、镍锌等)、铁粉芯(Fe)、合金磁粉芯(Fe-Si、Fe-Si-Al、Fe-Si-Cr、Fe-Ni等)以及非晶纳米晶材料等。其中，金属或合金类的软磁材料，如纯铁、硅钢片、铁镍等，虽然具有很高的饱和磁化强度，而且矫顽力较低致使磁滞损耗较小，但是，这类材料的电阻率较低，高频下的涡流损耗很大，一般只能在几十到几百Hz的频率下工作。如果将金属磁粉(Fe粉等)或合金粉末(Fe-Si、Fe-Si-Al、Fe-Si-Cr、Fe-Ni等)采用绝缘剂包覆，然后压制成型，可以制成电阻率较大的SMC(SoftMagnetic Composites)器件，从而在kHz的频率下工作，但是，该频段距离GHz仍然有很远的距离。铁氧体(锰锌、镍锌等)材料由于是氧化物，电阻率高，在高频工作状态下的涡流损耗较低，因此能够在MHz的频率下工作，但是，这种材料由于饱和磁化强度较低，不利于器件的小型化发展，而且其工作频段仍然无法满足电子器件的发展需求。此外，非晶/纳米晶材料也是近年来广受关注的软磁材料，这种材料不仅具有很高的饱和磁化强度，同时还可以在100kHz左右工作，因此逐渐在电网变压器、无线充电等领域得到应用，但是，这种材料的工作频率也无法达到1MHz。
为了开发可以在GHz条件下工作的软磁材料，国内一些高校或科研院所进行了深入的研究，发现稀土-铁-氮系化合物(如Ce-Fe-N、Nd-Fe-N等)的截止频率非常高，可以达到6-10GHz，然后提出了将其应用于高频器件的想法。但是，由于该材料在GHz条件下的磁滞损耗、涡流损耗及介电损耗仍然很大，所以，利用其高频损耗特性滤掉GHz的杂波，可能应用在吸波领域，在其他领域如电感、射频等，仍然存在限制。
例如CN110047637A提出了一种稀土类-铁-氮系复合磁性材料制备方法，制备出了Nd-Fe-N复合稀土材料，并测试了材料的电磁吸收及屏蔽特性。但是公开的Nd-Fe-N复合稀土材料在材料成分、制备工艺及性能上仍存在缺陷，尤其是未制造出纳米尺度的粉末颗粒。
CN109982791A公开了一种耐热性以及磁特性、特别是矫顽力和磁化强度优异的稀土类铁氮系磁性粉末及其制造方法。该方案的稀土类铁氮系磁性粉末，其是以稀土类元素R、铁Fe、氮N为主要构成成分，具有Th2Zn17型、Th2Ni17型、TbCu7型中的任一种晶体结构的平均粒径为1μm以上10μm以下的磁性粉末，在粉末的颗粒表面形成有壳层，该壳层具有相同的晶体结构，1原子％以上20原子％以下的Fe被Cr取代，N为10原子％以上20原子％以下，厚度为10nm以上且不足200nm，且厚度小于粉末平均粒径的2％。但是上述材料由于合金成分及微观组织的差异，永磁特性很好，软磁特性不足。
Peter Kollár等公开了制备Ce2Fe17N3-δ化合物的方法，并测试了材料的高频(GHz)吸收特性(Kollár,Peter,et al."Steinmetz law for ac magnetizedironphenolformaldehyde resin soft magnetic composites."Journal of Magnetism&Magnetic Materials 424(2017):245-250.)。但是，该方法制备的材料的高频涡流损耗与介电损耗仍然较高。
综上所述，目前亟需开发一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途，以满足各种高频电子器件，尤其是在GHz条件下工作的电子器件的使用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法和用途，所述高频低损耗复合软磁材料包括金属磁粉和粘结剂，所述金属磁粉包括R2MxTy，所述金属磁粉的粒径D50为100-300nm且形状为近球形。本发明经过优化复合软磁材料中金属磁粉的成分组成和微观组织，并将其与绝缘性的粘结剂复合得到高频低损耗复合软磁材料，可以极大地降低涡流损耗，使其更适合在GHz条件下工作，截止频率为8.5-10.2GHz，在6GHz的频率下，磁导率μ’为1.2-2.2，磁损耗tanδμ为0.05-0.15。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种高频低损耗复合软磁材料，所述高频低损耗复合软磁材料包括金属磁粉和粘结剂，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3，所述金属磁粉的粒径D50为100-300nm且形状为近球形。
根据相关磁学理论，软磁材料的磁损耗主要由磁滞损耗Wh，涡流损耗Wcl及剩余损耗Wexc三部分组成。其中，在低频工作条件下，材料的损耗以磁滞损耗为主，而随着工作频率的提高，涡流损耗急剧上升。一般来讲，软磁材料的涡流损耗的最关键影响因素是导电率σ，颗粒尺寸d及工作频率f。其中，软磁材料在高频工作条件下的涡流损耗与材料的颗粒尺寸d的平方成正比。因此，为了降低软磁材料的高频涡流损耗，关键在于降低材料的导电率及减小材料的颗粒尺寸。
虽然本发明所述复合软磁材料中的金属磁粉的主要成分仍为导电性良好的金属元素，即稀土元素R和铁磁性元素M，但是经过优化复合软磁材料中金属磁粉的成分组成和微观组织，一方面，将稀土元素R和铁磁性元素M形成本发明所述的成分配比，并与含N的非金属元素相结合，可以提高截止频率并降低导电率，从而降低金属磁粉的高频涡流损耗；另一方面，将金属磁粉限定为粒径D50为100-300nm且形状为近球形的纳米颗粒，由于颗粒尺寸d为纳米级，不仅其涡流损耗会大幅度的下降，还会减小在高频条件下的磁畴移动距离，从而降低材料的剩余损耗，从而将金属磁粉总的高频损耗大幅度的减小。此外，将本发明所述金属磁粉和绝缘性的粘结剂复合，还会进一步地降低导电率，从而进一步降低复合材料的高频涡流损耗。因此，本发明所述复合软磁材料具有高频低损耗的性能，更适合在GHz条件下工作，截止频率为8.5-10.2GHz，在6GHz的频率下，磁导率μ’为1.2-2.2，磁损耗tanδμ为0.05-0.15。
本发明所述金属磁粉包括R2MxTy，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，例如16、17、20、23、25或26等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述金属磁粉包括R2MxTy，x和y分别为M和T的原子含量，y的范围为2.5-3，例如2.5、2.55、2.57、2.58、2.75、2.82、2.85或3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述金属磁粉的粒径D50为100-300nm，例如100nm、120nm、150nm、180nm、200nm、220nm、250nm、280nm或300nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述金属磁粉中，R还包括Sm、Nd、Pr或Ho中的任意一种或至少两种的组合，但并不仅限于上述元素，其他可以起到相同作用的稀土元素也可用于本发明。
优选地，所述金属磁粉中，M还包括Co和/或Ni，但并不仅限于上述元素，其他可以起到相同作用的铁磁性元素也可用于本发明。
优选地，所述金属磁粉中，T还包括H和/或O。
优选地，所述金属磁粉经过表面改性。
优选地，所述表面改性包括表面形成钝化层和/或在表面包覆偶联剂。
优选地，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合。
作为本发明优选的技术方案，所述粘结剂包括石蜡、环氧树脂、尼龙或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合，上述粘结剂的介电常数较低，可降低所述复合软磁材料的高频介电损耗。
优选地，所述高频低损耗复合软磁材料中，所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％，例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或40％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粘结剂包覆在所述金属磁粉的表面。
优选地，所述高频低损耗复合软磁材料为颗粒状。
本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述高频低损耗复合软磁材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备金属磁粉，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3；
(2)将步骤(1)所述金属磁粉与粘结剂按照配方量混合并进行加工处理，得到所述高频低损耗复合软磁材料。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述金属磁粉的制备方法包括如下步骤：
(i)按照R2Mx的成分配比，称量R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物，并加入有机溶剂中混合均匀，随后加入乙酰丙酮化钙充分搅拌；
(ii)将步骤(i)得到的液体混合物进行加热分解处理，得到固体混合物；
(iii)将步骤(ii)得到的固体混合物依次进行还原处理、氮化处理和清洗处理，得到所述金属磁粉。
有关所述金属磁粉的制备方法，步骤(i)中R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物的作用是提供形成R2Mx的前驱体，它们在步骤(ii)中分解后，会形成颗粒为纳米尺度的细小R2O3及M2O3。而乙酰丙酮化钙的作用是作为调整R2Mx的颗粒尺寸的控制剂，其在步骤(ii)中分解后，形成的细小CaO会弥散分布在R2O3与M2O3粉末颗粒之间，通过调整其含量，可以调整步骤(iii)形成的金属磁粉的颗粒尺寸。
相比于现有技术中采用还原金属氧化物制备金属磁粉的方法，本发明所述金属磁粉由于是通过有机混合物热分解制得，具备颗粒细小、活性很高的特点，不仅易于在较低的温度下通过还原得到晶粒细小的金属化合物，而且原子之间扩散速度快，不容易生成杂相，从而得到高性能的纳米晶磁粉。
作为本发明优选的技术方案，步骤(i)所述有机溶剂为油胺。
优选地，步骤(i)所述乙酰丙酮化钙的质量为R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物质量之和的10-80％，例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(ii)所述加热分解处理的温度为150-250℃，例如150℃、170℃、190℃、200℃、220℃、240℃或250℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(ii)所述加热分解处理的时间为4-6h，例如4h、4.5h、5h、5.5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(iii)所述还原处理中采用的还原剂为金属钙。
优选地，步骤(iii)所述还原处理在氩气的保护下进行。
优选地，步骤(iii)所述还原处理的温度为850-900℃，例如850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(iii)所述还原处理的保温时间为30-60min，例如30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(iii)所述氮化处理在氨气气氛下进行。
优选地，步骤(iii)所述氮化处理的温度为400-500℃，例如400℃、420℃、450℃、460℃、480℃或500℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(iii)所述氮化处理的保温时间为3-5h，例如3h、3.5h、4h、4.5h或5h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(iii)所述清洗处理包括依次进行的去离子水清洗和乙醇滤洗。
本发明所述清洗在室温下进行，先通过去离子水清洗去除氮化处理后的固体混合物中的含钙杂质，包括乙酰丙酮化钙以及金属钙的反应产物氧化钙，然后通过乙醇滤洗减少固体混合物中的水分，最终得到金属磁粉和乙醇的混合物，后续操作中乙醇可以经过挥发除去。
作为本发明优选的技术方案，在步骤(2)所述将所述金属磁粉与粘结剂混合之前，还包括对所述金属磁粉依次进行表面钝化处理和表面包覆处理，得到经过表面改性的金属磁粉。
优选地，所述表面钝化处理采用的钝化剂为磷酸溶液。
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，例如0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述表面包覆处理采用的偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述偶联剂的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，例如0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，骤(2)中所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％，例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或40％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)中所述加工处理包括：将所述金属磁粉与粘结剂的混合物置入双螺杆造粒机中，在氮气的保护下进行混炼，得到胶磁混合物，然后采用切粒机切成颗粒。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下步骤制备金属磁粉，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3；
(i)按照R2Mx的成分配比，称量R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物，并加入油胺中混合均匀，随后加入乙酰丙酮化钙充分搅拌；所述乙酰丙酮化钙的质量为R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物质量之和的10-80％；
(ii)将步骤(i)得到的液体混合物在150-250℃下进行4-6h的加热分解处理，得到固体混合物；
(iii)将步骤(ii)得到的固体混合物中加入金属钙，在氩气的保护下，加热至850-900℃并保温30-60min进行还原处理，然后降温至400-500℃，将氩气抽出，充入氨气并保温3-5h，在氨气气氛下进行氮化处理，随后冷却至室温，先反复用去离子水清洗，再用乙醇滤洗，得到所述金属磁粉；
(2)将步骤(1)所述金属磁粉加入磷酸溶液中，所述磷酸溶液中磷酸的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，在氮气的保护下反复搅拌进行表面钝化处理，然后加入偶联剂进行表面包覆处理，所述偶联剂的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，随后再与粘结剂混合，所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％，将所述金属磁粉与粘结剂的混合物置入双螺杆造粒机中，在氮气的保护下进行混炼，得到胶磁混合物，然后采用切粒机切成颗粒，得到所述高频低损耗复合软磁材料。
本发明的目的之三在于提供一种目的之一所述高频低损耗复合软磁材料的用途，所述高频低损耗复合软磁材料用于制备吸波、电感及射频器件。
本发明所述高频低损耗复合软磁材料可以采用模压、注射或压延的方法制成磁体器件，从降低损耗及获得更高磁导率的角度，优选采用注射工艺制造磁体器件。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明经过优化复合软磁材料中金属磁粉的成分组成和微观组织，并将其与绝缘性的粘结剂复合得到高频低损耗复合软磁材料，可以极大地降低涡流损耗，使其更适合在GHz条件下工作，截止频率为8.5-10.2GHz，在6GHz的频率下，磁导率μ’为1.2-2.2，磁损耗tanδμ为0.05-0.15。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，所述高频低损耗复合软磁材料包括金属磁粉和粘结剂，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R为Ce，M为Fe，T为N、H和O的组合，x和y分别为M和T的原子含量，x＝16，即Ce和Fe的原子比为1:8，y＝2.85，以T总质量为100％计，N含量占95％，H含量占3.2％，O含量占1.8％，所述金属磁粉的粒径D50为210nm且形状为近球形；
所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下步骤制备金属磁粉：
(i)按照R2Mx的成分配比为1:8，R为Ce，M为Fe，称量乙酰丙酮化铈(C15H21CeO6)以及乙酰丙酮化铁(C15H21FeO6)，并加入油胺中混合均匀，随后加入乙酰丙酮化钙(C1OH14CaO4)充分搅拌；其中，C1OH14CaO4的质量为C15H21CeO6与C15H21FeO6质量之和的10％；
(ii)将步骤(i)得到的液体混合物在200℃下进行5h的加热分解处理，得到固体混合物；
(iii)将步骤(ii)得到的固体混合物中加入金属钙，在氩气的保护下，加热至850℃并保温30min进行还原处理，然后降温至400℃，将氩气抽出，充入氨气并保温4h，在氨气气氛下进行氮化处理，随后冷却至室温，先反复用去离子水清洗，再用乙醇滤洗，得到所述金属磁粉；
(2)将步骤(1)所述金属磁粉加入磷酸溶液中，所述磷酸溶液中磷酸的质量为所述金属磁粉质量的0.5％，在氮气的保护下反复搅拌进行表面钝化处理，然后加入硅烷偶联剂进行表面包覆处理，硅烷偶联剂的质量为所述金属磁粉质量的1％，随后再与尼龙混合，尼龙的质量为所述金属磁粉的质量的40％，将所述金属磁粉与粘结剂的混合物置入双螺杆造粒机中，在氮气的保护下进行混炼，得到胶磁混合物，然后采用切粒机切成颗粒，得到所述高频低损耗复合软磁材料。
实施例2
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(1)中“R2Mx的成分配比为1:8(Ce和Fe的原子比为1:8)，即x＝16”替换为“R2Mx的成分配比为1:8.5(Ce和Fe的原子比为1:8.5)，即x＝17”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.75，以T总质量为100％计，N含量占95.5％，H含量占2.8％，O含量占1.7％，所述金属磁粉的粒径D50为220nm且形状为近球形。
实施例3
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(1)中“R2Mx的成分配比为1:8(Ce和Fe的原子比为1:8)，即x＝16”替换为“R2Mx的成分配比为1:13(Ce和Fe的原子比为1:13)，即x＝26”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.57，以T总质量为100％计，N含量占95.3％，H含量占3.5％，O含量占1.2％，所述金属磁粉的粒径D50为230nm且形状为近球形。
实施例4
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(1)中“C1OH14CaO4的质量为C15H21CeO6与C15H21FeO6质量之和的10％”替换为“C1OH14CaO4的质量为C15H21CeO6与C15H21FeO6质量之和的80％”其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.82，以T总质量为100％计，N含量占94.5％，H含量占3.5％，O含量占2.0％，所述金属磁粉的粒径D50为130nm且形状为近球形。
实施例5
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(iii)中还原处理的温度由“850℃”替换为“900℃”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.55，以T总质量为100％计，N含量占95.3％，H含量占2.7％，O含量占2.0％，所述金属磁粉的粒径D50为270nm且形状为近球形。
实施例6
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(iii)中还原处理的时间由“30min”替换为“60min”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.58，以T总质量为100％计，N含量占95.1％，H含量占2.8％，O含量占2.1％，所述金属磁粉的粒径D50为250nm且形状为近球形。
实施例7
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(iii)中氮化处理的温度由“400℃”替换为“500℃”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝3.0，以T总质量为100％计，N含量占98.2％，H含量占1.1％，O含量占0.7％，所述金属磁粉的粒径D50为240nm且形状为近球形。
实施例8
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(1)中“R为Ce，来源为乙酰丙酮化铈(C15H21CeO6)”替换为“R为摩尔比为9:1的Ce与Sm的组合，来源为乙酰丙酮化铈(C15H21CeO6)与乙酰丙酮化钐(C15H21SmO6)的混合物”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.85，以T总质量为100％计，N含量占95％，H含量占3.3％，O含量占1.7％，所述金属磁粉的粒径D50为215nm且形状为近球形。
实施例9
本实施例提供了一种高频低损耗复合软磁材料及其制备方法，除了将制备方法的步骤(1)中“M为Fe，来源为乙酰丙酮化铁(C15H21FeO6)”替换为“M为摩尔比为9:1的Fe和Co的组合，来源为乙酰丙酮化铁(C15H21FeO6)与乙酰丙酮化钴(C15H21CoO6)的混合物”，其他条件和实施例1完全相同，制备得到的高频低损耗复合软磁材料，y＝2.82，以T总质量为100％计，N含量占95.8％，H含量占3.1％，O含量占1.1％，所述金属磁粉的粒径D50为220nm且形状为近球形。
对比例1
本对比例提供了一种复合软磁材料，除了将“所述金属磁粉的粒径D50为210nm且形状为近球形”替换为“所述金属磁粉的粒径D50为500nm且形状为近球形”，其他条件和实施例1完全相同。
性能测试
(1)磁性能测试：将上述实施例和对比例所述复合软磁材料进行注射成型，制成外径为20mm，内径为10mm，高度为5mm的圆环样品，用矢量网络分析仪在6GHz的频率下进行磁性能测试，得到相应磁导率μ’和磁损耗tanδμ；
(2)截止频率测试：采用上述圆环样品，用矢量网络分析仪在1-30GHz的频段下进行磁性能测试，得到材料的截止频率。
将上述测试结果汇总在表1中。
表1
Figure BDA0002848813280000151
由表1可以看出：
(1)本发明经过优化复合软磁材料中金属磁粉的成分组成和微观组织，并将其与绝缘性的粘结剂复合得到高频低损耗复合软磁材料，可以极大地降低涡流损耗，使其更适合在GHz条件下工作，截止频率为8.5-10.2GHz，在6GHz的频率下，磁导率μ’为1.2-2.2，磁损耗tanδμ为0.05-0.15；
(2)将实施例1和对比例1进行对比，由于对比例1的金属磁粉的粒径D50为500nm，超出了本发明限制的“100-300nm”范围，导致复合软磁材料的涡流损耗增加，磁损耗tanδμ高达0.32，且磁导率μ’稍稍升高，截止频率稍稍降低，导致复合软磁材料的整体性能下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种高频低损耗复合软磁材料，其特征在于，所述高频低损耗复合软磁材料包括金属磁粉和粘结剂，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3，所述金属磁粉的粒径D50为100-300nm且形状为近球形。
2.根据权利要求1所述的高频低损耗复合软磁材料，其特征在于，所述金属磁粉中，R还包括Sm、Nd、Pr或Ho中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属磁粉中，M还包括Co和/或Ni；
优选地，所述金属磁粉中，T还包括H和/或O；
优选地，所述金属磁粉经过表面改性；
优选地，所述表面改性包括表面形成钝化层和/或在表面包覆偶联剂；
优选地，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的高频低损耗复合软磁材料，其特征在于，所述粘结剂包括石蜡、环氧树脂、尼龙或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述高频低损耗复合软磁材料中，所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％；
优选地，所述粘结剂包覆在所述金属磁粉的表面；
优选地，所述高频低损耗复合软磁材料为颗粒状。
4.一种权利要求1-3任一项所述高频低损耗复合软磁材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)制备金属磁粉，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3；
(2)将步骤(1)所述金属磁粉与粘结剂按照配方量混合并进行加工处理，得到所述高频低损耗复合软磁材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金属磁粉的制备方法包括如下步骤：
(i)按照R2Mx的成分配比，称量R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物，并加入有机溶剂中混合均匀，随后加入乙酰丙酮化钙充分搅拌；
(ii)将步骤(i)得到的液体混合物进行加热分解处理，得到固体混合物；
(iii)将步骤(ii)得到的固体混合物依次进行还原处理、氮化处理和清洗处理，得到所述金属磁粉。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(i)所述有机溶剂为油胺；
优选地，步骤(i)所述乙酰丙酮化钙的质量为R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物质量之和的10-80％；
优选地，步骤(ii)所述加热分解处理的温度为150-250℃；
优选地，步骤(ii)所述加热分解处理的时间为4-6h；
优选地，步骤(iii)所述还原处理中采用的还原剂为金属钙；
优选地，步骤(iii)所述还原处理在氩气的保护下进行；
优选地，步骤(iii)所述还原处理的温度为850-900℃；
优选地，步骤(iii)所述还原处理的保温时间为30-60min；
优选地，步骤(iii)所述氮化处理在氨气气氛下进行；
优选地，步骤(iii)所述氮化处理的温度为400-500℃；
优选地，步骤(iii)所述氮化处理的保温时间为3-5h；
优选地，步骤(iii)所述清洗处理包括依次进行的去离子水清洗和乙醇滤洗。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)所述将所述金属磁粉与粘结剂混合之前，还包括对所述金属磁粉依次进行表面钝化处理和表面包覆处理，得到经过表面改性的金属磁粉；
优选地，所述表面钝化处理采用的钝化剂为磷酸溶液；
优选地，所述磷酸溶液中磷酸的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％；
优选地，所述表面包覆处理采用的偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述偶联剂的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％；
优选地，步骤(2)中所述加工处理包括：将所述金属磁粉与粘结剂的混合物置入双螺杆造粒机中，在氮气的保护下进行混炼，得到胶磁混合物，然后采用切粒机切成颗粒。
9.根据权利要求4-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按照如下步骤制备金属磁粉，所述金属磁粉包括R2MxTy；其中，R包括Ce，M包括Fe，T包括N，x和y分别为M和T的原子含量，x的范围为16-26，y的范围为2.5-3；
(i)按照R2Mx的成分配比，称量R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物，并加入油胺中混合均匀，随后加入乙酰丙酮化钙充分搅拌；所述乙酰丙酮化钙的质量为R的乙酰丙酮化物以及M的乙酰丙酮化物质量之和的10-80％；
(ii)将步骤(i)得到的液体混合物在150-250℃下进行4-6h的加热分解处理，得到固体混合物；
(iii)将步骤(ii)得到的固体混合物中加入金属钙，在氩气的保护下，加热至850-900℃并保温30-60min进行还原处理，然后降温至400-500℃，将氩气抽出，充入氨气并保温3-5h，在氨气气氛下进行氮化处理，随后冷却至室温，先反复用去离子水清洗，再用乙醇滤洗，得到所述金属磁粉；
(2)将步骤(1)所述金属磁粉加入磷酸溶液中，所述磷酸溶液中磷酸的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，在氮气的保护下反复搅拌进行表面钝化处理，然后加入偶联剂进行表面包覆处理，所述偶联剂的质量为所述金属磁粉质量的0.5-1％，随后再与粘结剂混合，所述粘结剂的质量为所述金属磁粉的质量的5-40％，将所述金属磁粉与粘结剂的混合物置入双螺杆造粒机中，在氮气的保护下进行混炼，得到胶磁混合物，然后采用切粒机切成颗粒，得到所述高频低损耗复合软磁材料。
10.一种权利要求1-3任一项所述高频低损耗复合软磁材料的用途，其特征在于，所述高频低损耗复合软磁材料用于制备吸波、电感及射频器件。
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