CN113096906A - 具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉及其制备方法、磁粉芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉及其制备方法、磁粉芯及其制备方法。本发明的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的组成包括由内至外依次设置的FeSiCr合金内核、二氧化硅包覆层和硅酸钠包覆层。本发明的磁粉芯由本发明的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉压制而成。本发明的FeSiCr合金磁粉具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层，二氧化硅和硅酸钠均具有优异的耐热性，且硅酸钠具有优异的粘合性能、热膨胀系数与二氧化硅接近，由其压制而成的磁粉芯具有高耐热性、高磁导率和低损耗。

Description

具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉及其制备方法、磁粉芯及其 制备方法

技术领域

本发明涉及软磁材料技术领域，具体涉及具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉及其制备方法、磁粉芯及其制备方法。

背景技术

磁粉芯是由铁磁性粉末颗粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料，其具有高饱和磁感应强度和高电阻率，广泛应用在高速电机、开关电源和电力工业等领域。近年来，新能源汽车发展迅速，而车规级电子元器件成为了研究热点。

羰基铁粉具有高饱和磁化强度和优异的直流偏置性能，同时价格低廉，因而广泛应用于中低频场合。FeSiAl磁粉芯具有高频低损耗的性能优势，可应用在高频场合，但是FeSiAl磁粉芯的直流叠加性能较差。FeSiCr合金磁粉芯直流叠加特性次于羰基铁粉芯，但优于FeSiAl磁粉芯，且Cr元素的添加使得FeSiCr合金磁粉的机械性能、耐蚀性和耐老化性能均要优于FeSiAl磁粉芯，更加适用于高温环境，同时具有较高的性价比。因此，FeSiCr合金磁粉芯在车规级电感等要求低压大电流、大功率密度的领域具有良好的发展前景。

众所周知，车规级电感应用于高温条件，因此要求其具有比普通商用电感更高的耐温等级。同时，由于电感在工作过程中会产生以热量形式散失的损耗，高损耗会使磁粉芯在工作过程中温度急剧上升，包覆层分解，最终导致电感失效，因此，降低磁损耗是车规级电感亟需解决的关键问题。

磁损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗，在低频下磁滞损耗为主要损耗，在高频下涡流损耗为主要损耗。绝缘包覆是降低磁粉芯损耗和提高耐温性的关键步骤。目前，最常使用的无机绝缘包覆剂包括磷酸盐和无机氧化物。磷酸盐包覆工艺较为成熟，应用广泛，但由于磷化层在温度超过550℃时会分解，最终会导致高频下涡流损耗急剧升高。无机氧化物包括SiO₂、Al₂O₃和TiO₂等，常采用无机氧化物复合有机树脂包覆工艺，无机氧化物具有优异的绝缘性和优于磷酸盐的热稳定性，但无机有机包覆层复合结构间的热膨胀系数差异较大，磁粉芯在热处理过程中有机树脂包覆层会承受更多的热应力，加速了树脂与无机包覆层的剥离。

综上可知，现有的磁粉芯均难以完全满足车规级电感的实际应用需求，亟需开发性能更加优异的磁粉和磁粉芯。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉及其制备方法。

本发明的目的之二在于提供一种磁粉芯及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其组成包括由内至外依次设置的FeSiCr合金内核、二氧化硅包覆层和硅酸钠包覆层。

优选的，所述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉中二氧化硅的质量百分含量为1.25％～5.00％。

优选的，所述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉中硅酸钠的质量百分含量为1.0％～3.0％。

上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的制备方法包括以下步骤：

1)将FeSiCr合金粉分散到表面活性剂分散液中，进行表面改性，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将氨水和正硅酸乙酯溶液依次加入FeSiCr合金粉分散液中，进行第一次包覆，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液中，进行第二次包覆，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

优选的，步骤1)所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、硅烷偶联剂中的一种。

优选的，步骤1)所述表面活性剂的用量为FeSiCr合金粉质量的0.5％～2.0％。

优选的，步骤1)所述表面改性在50℃～70℃下进行，改性时长为10min～30min。

优选的，步骤2)所述氨水通过倾倒的方式一次添加。

优选的，步骤2)所述正硅酸乙酯溶液通过倾倒的方式一次添加。

优选的，步骤2)所述第一次包覆在50℃～70℃下进行。

优选的，步骤3)所述第二次包覆在50℃～70℃下进行。

一种磁粉芯，其由上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉压制而成。

上述磁粉芯的制备方法包括以下步骤：将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和脱模剂混合，再进行压制、固化和退火，即得磁粉芯。

优选的，所述脱模剂为硬脂酸钡。

优选的，所述固化在150℃～200℃下进行，固化时长为30min～90min。

优选的，所述退火在500℃～800℃下进行，退火保温时间为1h～2h。

本发明的有益效果是：本发明的FeSiCr合金磁粉具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层，二氧化硅和硅酸钠均具有优异的耐热性，且硅酸钠具有优异的粘合性能、热膨胀系数与二氧化硅接近，由其压制而成的磁粉芯具有高耐热性、高磁导率和低损耗。

具体来说：

1)本发明采用溶胶凝胶倾倒法在经表面活化后的FeSiCr合金粉表面原位生成SiO₂包覆层，得到的SiO₂绝缘包覆层均匀且致密，解决了传统无机粒子掺杂包覆均匀性差且难以致密的问题，与常用的溶胶凝胶滴加法相比，避免了控制滴加速率不当导致的SiO₂粒子尺寸均一性差的问题，同时加快了反应速率，降低了时间成本；

2)本发明采用硅酸钠作为二次包覆剂，硅酸钠和SiO₂的热膨胀系数接近，且均为无机包覆层，与传统的树脂粘接剂相比，具有更加优异的耐热性，成本大幅降低；

3)本发明的FeSiCr合金磁粉在制备过程中不需要采用丙酮、二甲苯等有毒有害的溶剂，符合绿色环保理念；

4)本发明的磁粉芯在制备过程中即使进行高温退火(退火处理可以消除材料的内应力，从而减小矫顽力，降低磁滞损耗)后包覆层仍可以保持优异的绝缘性，最终得到的磁粉芯具有高的磁导率及低损耗。

附图说明

图1为实施例2中的FeSiCr合金粉的SEM图。

图2为实施例2中的具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉的SEM图和Mapping图。

图3为实施例2中的具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉的SEM图。

图4为实施例2中的磁粉芯的实物图。

图5为实施例1～6和对比例1～2中的磁粉芯的磁导率随频率变化曲线图。

图6为实施例1～6和对比例1～2中的磁粉芯的总损耗随频率变化曲线图。

图7为实施例2中的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的热失重曲线图。

图8为对比例1中的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的热失重曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将29mL的氨水(由4mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和80mL的正硅酸乙酯溶液(由10mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:20配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的3％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

实施例2：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉(SEM图如图1所示)加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将37mL的氨水(由12mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和80mL的正硅酸乙酯溶液(由10mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉(SEM图和Mapping图如图2所示，图中的a为SEM图，b为SEM的Mapping图)；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:10配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的1％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉(SEM图如图3所示)。

由图1～3可知：通过溶胶凝胶倾倒法可以在FeSiCr合金磁粉表面形成一层均匀致密的二氧化硅包覆层，且通过将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉用硅酸钠溶液浸泡，在二氧化硅包覆层外面又形成了均匀致密的硅酸钠包覆层。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯(实物图如图4所示)。

实施例3：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将45mL的氨水(由20mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和80mL的正硅酸乙酯溶液(由10mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:30配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的3％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

实施例4：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将37mL的氨水(由12mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和75mL的正硅酸乙酯溶液(由5mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:20配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的2％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

实施例5：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将37mL的氨水(由12mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和85mL的正硅酸乙酯溶液(由15mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:20配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的2％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

实施例6：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将100g的FeSiCr合金粉加入分散有2g表面活性剂PVP的无水乙醇分散液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌20min，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将37mL的氨水(由12mL质量浓度25％～28％的氨水和25mL的去离子水配制而成)和90mL的正硅酸乙酯溶液(由20mL的正硅酸乙酯和70mL的无水乙醇配制而成)依次倾倒进FeSiCr合金粉分散液中，调节搅拌速度至400r/min，50℃水浴条件下搅拌30min，抽滤，将滤得的固体120℃干燥30min，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:30配制而成)中，硅酸钠的用量为具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的1％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

对比例1：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.5g的磷酸超声分散在50mL的丙酮中，再加入100g的FeSiCr合金粉，调节搅拌速度至300r/min，50℃水浴条件下搅拌至浆状，120℃干燥30min，得到具有磷酸盐包覆层的FeSiCr合金磁粉；

2)将具有磷酸盐包覆层的FeSiCr合金磁粉加入质量分数3％的环氧有机硅混合树脂的丙酮溶液中，调节搅拌速度至300r/min，搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有磷酸盐和环氧有机硅混合树脂双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化2h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

对比例2：

一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其制备方法包括以下步骤：

1)将1.5g的磷酸超声分散在50mL的丙酮中，再加入100g的FeSiCr合金粉，调节搅拌速度至300r/min，50℃水浴条件下搅拌至浆状，120℃干燥30min，得到具有磷酸盐包覆层的FeSiCr合金磁粉；

2)将具有磷酸盐包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液(由硅酸钠和去离子水按照质量比1:20配制而成)中，硅酸钠的用量为具有磷酸盐包覆层的FeSiCr合金磁粉质量的4％，调节搅拌速度至300r/min，70℃恒温搅拌至浆状，再80℃干燥1h，过200目的筛网，得到具有磷酸盐和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

一种磁粉芯，其制备方法包括以下步骤：

将上述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和硬脂酸钡按照质量比1000:3混合，再加入模压模具中，用1200MPa的压强保压5.5s，压制成外径20mm、内径12mm、高度5mm的磁环，再200℃固化1h，再550℃退火处理1h，即得磁粉芯。

性能测试：

1)实施例1～6和对比例1～2的磁粉芯的磁导率随频率变化曲线图如图5所示，总损耗随频率变化曲线图如图6所示，磁性能对比表如下表所示：

表1实施例1～6和对比例1～2的磁粉芯的磁性能对比表

由图5、图6和表1可知：在0.05T@100kHz条件下，采用溶胶凝胶复合硅酸钠包覆替代磷化复合树脂包覆磁性能有明显的提升，磁粉芯的有效磁导率从36.07最高提升至65.39，且均具有良好的频率稳定性，磁损耗从638.50kw/m³最低降低至340.86kw/m³，充分说明了本发明所采用包覆工艺的优越性；采用磷化复合硅酸钠包覆相比于磷化复合树脂包覆，磁性能反而下降，可能是因为硅酸钠添加量过多导致磁导率下降，矫顽力上升，磁滞损耗增加。

2)实施例2和对比例1的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的热失重曲线图分别如图7和图8所示。

由图7和图8可知：对比例1的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉中的环氧有机硅混合树脂在300℃～400℃会发生明显分解，而实施例2的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉即使在800℃下也没有明显失重，包覆层的耐热性有明显提升，在800℃下仍可以保证稳定而不发生分解。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其特征在于，其组成包括由内至外依次设置的FeSiCr合金内核、二氧化硅包覆层和硅酸钠包覆层。

2.根据权利要求1所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其特征在于：所述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉中二氧化硅的质量百分含量为1.25％～5.00％。

3.根据权利要求1或2所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉，其特征在于：所述具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉中硅酸钠的质量百分含量为1.0％～3.0％。

4.权利要求1～3中任意一项所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将FeSiCr合金粉分散到表面活性剂分散液中，进行表面改性，得到FeSiCr合金粉分散液；

2)将氨水和正硅酸乙酯溶液依次加入FeSiCr合金粉分散液中，进行第一次包覆，得到具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉；

3)将具有二氧化硅包覆层的FeSiCr合金磁粉分散到硅酸钠溶液中，进行第二次包覆，得到具有二氧化硅和硅酸钠双包覆层的FeSiCr合金磁粉。

5.根据权利要求4所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的制备方法，其特征在于：步骤1)所述表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、硅烷偶联剂中的一种。

6.根据权利要求4或5所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉的制备方法，其特征在于：步骤1)所述表面活性剂的用量为FeSiCr合金粉质量的0.5％～2.0％。

7.一种磁粉芯，其特征在于，其由权利要求1～3中任意一项所述的具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉压制而成。

8.权利要求7所述的磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将具有双包覆层的FeSiCr合金磁粉和脱模剂混合，再进行压制、固化和退火，即得磁粉芯。

9.根据权利要求8所述的磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述固化在150℃～200℃下进行，固化时长为30min～90min。

10.根据权利要求8或9所述的磁粉芯的制备方法，其特征在于：所述退火在500℃～800℃下进行，退火保温时间为1h～2h。

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