CN113278309A - 带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品 - Google Patents

带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品 Download PDF

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Abstract

本发明属于绝缘材料技术领域，特别涉及带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品。使用本发明方法得到的产品的绝缘性能好，绝缘涂层厚度小，叠片系数高，在较低的涂层厚度下仍然能够达到工艺要求。本发明方法还具有工艺简单、成本低廉等优点。使用本发明方法得到的绝缘涂层可长期耐受600℃的非晶纳米晶热处理温度，采用多种添加剂体系和后处理工艺保证了绝缘涂层和非晶纳米晶带材的附着力、绝缘层完整性和低厚度，同时具备良好的电绝缘性能。

Description

带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品
技术领域
本发明属于绝缘材料技术领域，特别涉及带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品。
背景技术
非晶纳米晶带材广泛应用于制备高频交变磁场下工作的设备磁芯。磁芯材料在交变磁场下工作的损耗是决定磁芯性能的重要指标之一，主要来源于磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是低频工作时的主要损耗；在高频下的主要损耗是在交变磁场下感应电场而导致的涡流损耗，涡流损耗与交变磁场的频率的N次方(N＝1.3-2)成比例，比例系数与磁芯材料厚度的平方成正比，因此采用非晶纳米晶超薄带作为磁芯材料时，带有表面绝缘涂层的带材能够有效降低磁芯在高频交变磁场下的涡流损耗，是合适的选择。
当磁芯在低频下工作时，由于非晶纳米晶带材具有较大的电阻，卷绕或者层叠的非晶纳米晶带材层间电场较小，涡流损耗也小；当磁芯在高频下工作时，感应电场急剧增大，带材层间必须要有良好的电绝缘才能避免产生大的涡流，否则将造成卷绕层之间的击穿，导致磁芯的损坏和烧毁。因此，磁芯材料必须保证层叠之间的绝缘性。
为了提高非晶纳米晶软磁合金带材层叠间的绝缘性能，可通过层间夹带高介电常数的纸带、薄膜和涂层来实现。磁芯制备过程中夹带高介电常数的纸带、薄膜的工艺比较复杂，存在不易处理缺陷的工艺问题，而且会造成叠片系数的大幅度降低。
现有技术采用含有机基团的涂层耐高温性能差，不能长期承受400℃以上的高温；采用绝缘夹层工艺复杂，影响叠片系数。由非晶纳米晶软磁合金带材卷绕的磁芯需要经过600℃左右的热处理去除应力晶化才能充分表征磁芯的性能，因此不耐高温的材料不能作为涂层涂覆在非晶纳米晶带材的表面。
现有技术中需要解决的技术问题是在制备磁芯的非晶纳米晶带材表面的绝缘涂层不耐高温。为了使磁芯具备优异的性能，还必须保证绝缘涂层的完整性、附着力和较低的厚度。
因此，研发可以解决上述技术问题的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将成膜剂、成膜助剂、表面活性剂、分散剂混合，进行反应，制备涂覆液；所述成膜剂为含硅化合物；
将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，形成凝胶薄膜涂层，进行干燥处理，进行去应力热处理，得到带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材。
进一步地，所述成膜剂的加入形式可以选用以成膜剂溶胶的形式加入；所述成膜剂为烷氧基硅烷、水玻璃、硅溶胶的至少一种。
进一步地，所述烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷；所述水玻璃的模数为2.5或3。
进一步地，所述成膜助剂为硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸钠、羧甲基丙基纤维素、羧甲基纤维素、丙烯酸酯的至少一种；
所述成膜助剂与成膜剂的质量百分比为0.01％-5％；
所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、羧乙基纤维素、6503表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯的至少一种；
所述表面活性剂与成膜剂的质量百分比为0.0005％-3％；
所述分散剂为六偏磷酸钠；
所述分散剂与成膜剂的质量百分比为0.1％-45％。
进一步地，制备涂覆液的原料中可以任选地加入或不加入填料，所述填料为氢氧化镁、氧化铝、甲酸镁的至少一种；
所述填料与成膜剂的质量百分比为0.1％-30％。
进一步地，当所述成膜剂为硅溶胶时，制备涂覆液的原料中可以加入偶联剂，所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷的至少一种；
所述偶联剂与成膜剂的质量百分比为0.1％-45％。
进一步地，当所述成膜剂为硅溶胶时，制备涂覆液的原料中可以加入骨架材料，所述骨架材料为醋酸乙烯酯；
所述骨架材料与成膜剂的质量百分比为0.1％-10％。
进一步地，涂覆的方式为浸涂；涂覆的完全浸没行程为0.2-0.8米；
涂覆的速度为4-10米/分钟；
干燥处理的温度为180-280℃；
去应力热处理的温度为580℃，去应力热处理的时间为2小时。
进一步地，涂覆的完全浸没行程为0.2米、0.4米、0.6米或0.8米；
涂覆的速度为4米/分钟、6米/分钟、8米/分钟或10米/分钟；
干燥处理的温度为180℃、200℃、220℃或280℃。
进一步地，所述产品的绝缘涂层包含SiO2。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法及产品，使用本发明方法得到的产品的绝缘性能好，绝缘涂层厚度小，叠片系数高，在较低的涂层厚度下仍然能够达到工艺要求。本发明方法还具有工艺简单、成本低廉等优点。使用本发明方法得到的绝缘涂层可长期耐受600℃的非晶纳米晶热处理温度，采用多种添加剂体系和后处理工艺保证了绝缘涂层和非晶纳米晶带材的附着力、绝缘层完整性和低厚度，同时具备良好的电绝缘性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例5制备的绝缘涂层的扫描电镜图。
图2为实施例5制备得到的绝缘涂层剖面的扫描电镜图。
图3为对比例1制备的绝缘涂层的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明主要是应用溶胶凝胶法和分解反应，通过在非晶纳米晶带材表面涂敷SiO2绝缘涂层或者SiO2+MgO绝缘涂层或者SiO2+Al2O3绝缘涂层。具体地，分解反应是指：氧化镁是以可分解的氢氧化镁、甲酸镁等形式加入，然后通过热分解形成氧化物。
将制备的涂覆液涂敷在非晶纳米晶带材基体上，在一定温度下反应形成凝胶薄膜涂层，最后经干燥处理，再进行去应力热处理，制成带有优异电绝缘性能涂层的非晶纳米晶带材。
成膜剂溶胶中均匀定量地掺入表面活性剂和其他纳米量级的填料。溶液在失水时，单体硅酸逐渐聚合成高聚硅胶，随水分的蒸发，胶体分子增大，最后形成-SiO-O-SiO-涂膜。表面活性剂可以保证涂层的流平性和浸润性，实现溶胶的良好分散与渗透，杜绝气泡与孔洞等结构缺陷，在基体上预制完整、均匀的薄膜；所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、羧乙基纤维素、6503表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯的至少一种。各种添加剂可保证在干燥固化过程中增强涂膜的韧性，减少开裂。
制备涂覆液的原料中可以加入成膜助剂、分散剂。所述成膜助剂用于促进二氧化硅立体交联网络的形成，并减少脱水过程中的开裂，所述成膜助剂为硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸钠、羧甲基丙基纤维素、羧甲基纤维素、丙烯酸酯的至少一种。
所述分散剂用于促进成膜，所述分散剂为六偏磷酸钠。
制备涂覆液的原料中可以任选地加入或不加入填料，当需要较大的电阻时可以向制备涂覆液的原料中添加填料，但加入过多的填料会使绝缘涂层的厚度增大，影响叠片系数。所述填料为氢氧化镁、氧化铝、甲酸镁的至少一种。
当所述成膜剂为硅溶胶时，制备涂覆液的原料中可以加入骨架材料，所述骨架材料用于增加二氧化硅层的完整性，防止脱水过程中膜层开裂。所述骨架材料为醋酸乙烯酯。
通过添加剂体系的选用，针对涂层制备过程的分散性、浸润性和涂层的流平性、完整性取得了很大改善，大幅减少了涂层的孔洞等缺陷，制备了电绝缘良好的薄涂层。
实施例1
TEOS(四乙氧基硅烷)20毫升、无水乙醇100毫升混合，缓慢加入去离子水1ml，5％盐酸调节pH值为3-4，维持60℃电动搅拌4小时，然后用10％氨水调节pH值到8-10，电动搅拌2-4小时并超声分散30-60分钟，搅拌过程中补充无水乙醇维持浓度稳定，最终用去离子水稀释至1升，制备成膜剂溶胶。
硅酸丁酯1毫升加入400毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入十二烷基硫酸钠0.2毫升、5％羧乙基纤维素1毫升、六偏磷酸钠1.5克，30％纳米氢氧化镁悬浊液30毫升，用10％氨水调节至pH值8.5；加入成膜剂溶胶混合，充分搅拌2小时，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，完全浸没行程0.2米，浸涂速度10米/分钟，烘干温度180℃，580℃热处理2小时。所述完全浸没行程是指带材在处理设备中辊对辊传导时完全浸没在溶液中的行程。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2+MgO。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻测量值为3700欧姆。
实施例2
TEOS(四乙氧基硅烷)120毫升、无水乙醇780毫升混合，滴加去离子水2ml，5％盐酸调节pH值为3-4，水浴维持40℃电动搅拌2小时，然后用10％氨水调节pH值到8-10，电动搅拌2小时并超声分散60分钟，搅拌过程中补充无水乙醇维持浓度稳定，最终用去离子水稀释至1升，制备成膜剂溶胶。
醋酸丁酯1毫升加入100毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入6503表面活性剂0.5毫升、六偏磷酸钠6克，用10％氨水调节至pH值10；用滴液漏斗慢慢加入成膜剂溶胶，充分搅拌2小时，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，浸涂后过挤压辊，完全浸没行程0.4米，浸涂速度4米/分钟，烘干温度180℃，580℃热处理2小时。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻11000欧姆。
实施例3
模数3水玻璃7克加入到100毫升70℃水中，充分搅拌，加入30％纳米氧化铝乙醇悬浊液50毫升，超声分散30分钟，去离子水稀释至500毫升制备溶胶预制液。
甲基硅酸钠0.8克加入500毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入十二烷基苯磺酸钠0.2毫升、5％羧甲基丙基纤维素1毫升、六偏磷酸钠3克，用10％氨水调节至pH值10；慢慢倒入溶胶预制液，充分搅拌2小时，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，完全浸没行程0.6米，浸涂速度6米/分钟，烘干温度280℃，580℃热处理2小时。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2+Al2O3。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻测量值为2100欧姆。
实施例4
模数2.5水玻璃60克加入到200毫升70℃水中，充分搅拌，超声分散30-60分钟，去离子水稀释至500毫升制备溶胶预制液。
甲基硅酸钠0.8克加入500毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入十二烷基苯磺酸钠0.2毫升、5％羧甲基丙基纤维素1毫升、六偏磷酸钠6克，用10％氨水调节至pH值10左右；慢慢倒入溶胶预制液，充分搅拌2小时，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，浸涂后过挤压辊，完全浸没行程0.8米，浸涂速度6米/分钟，烘干温度280℃，580℃热处理2小时。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻测量值为4000欧姆。
实施例5
30％醋酸乙烯酯乳液10毫升加入600毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入2％的乙烯基三乙氧基硅烷溶液1毫升，十二烷基硫酸钠0.1毫升、5％羧甲基纤维素1毫升、六偏磷酸钠1.5克，用10％氨水调节至pH值10左右，充分搅拌。伴随机械搅拌，将20％硅溶胶25毫升缓慢加入到配制好的溶液中，充分搅拌2小时后加入预制的甲酸镁悬浊液100毫升(折算为氧化镁5克)，超声分散30-60分钟，去离子水稀释至1升，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，完全浸没行程0.8米，浸涂速度8米/分钟，烘干温度200℃，580℃热处理2小时。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2+MgO。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻测量值为27000欧姆。图1为实施例5制备的绝缘涂层的扫描电镜图，由图1可以看到带材表面的绝缘涂层覆盖完整，没有出现明显的裂纹及孔洞。图2为实施例5制备得到的绝缘涂层剖面的扫描电镜图，由图2可知，涂覆的绝缘涂层厚度在893～972nm。
实施例6
10％丙烯酸酯乳液10毫升加入600毫升去离子水机械搅拌0.5小时，并依次加入2％的乙烯基三甲氧基硅烷溶液1毫升，壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯0.6毫升、六偏磷酸钠8克，用10％氨水调节至pH值10左右，充分搅拌。伴随机械搅拌，将30％硅溶胶150毫升缓慢加入到配制好的溶液中，超声分散30-60分钟，去离子水稀释至1升，得到涂覆液。
使用涂覆设备将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，采用浸涂的涂覆方式，浸涂后过挤压辊，完全浸没行程0.4米，浸涂速度4米/分钟，烘干温度200℃，580℃热处理2小时。制备得到的绝缘涂层成分为SiO2。制备样品间隔20厘米进行导电测试，取50个点计算平均值记录，测得样品表面电阻测量值为17000欧姆。
由实施例1-6制备的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材可长期耐受600℃的热处理温度。
对比例1
参照实施例5进行实验，不同之处在于缺少特定浓度的醋酸乙烯酯乳液，其它实验条件与实施例5相同，制备得到涂覆液，并将涂覆液涂覆到非晶纳米晶带材上，得到带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材。图3为对比例1制备的绝缘涂层的扫描电镜图，由图3可知，涂层出现开裂。即在缺少醋酸乙烯酯时，不能得到完整的绝缘涂层。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将成膜剂、成膜助剂、表面活性剂、分散剂混合，进行反应，制备涂覆液；所述成膜剂为含硅化合物；
将涂覆液涂覆在非晶纳米晶带材上，形成凝胶薄膜涂层，进行干燥处理，进行去应力热处理，得到带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材。
2.根据权利要求1所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，所述成膜剂的加入形式可以选用以成膜剂溶胶的形式加入；所述成膜剂为烷氧基硅烷、水玻璃、硅溶胶的至少一种。
3.根据权利要求2所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，所述烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷；所述水玻璃的模数为2.5或3。
4.根据权利要求1所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，所述成膜助剂为硅酸丁酯、醋酸丁酯、甲基硅酸钠、羧甲基丙基纤维素、羧甲基纤维素、丙烯酸酯的至少一种；
所述成膜助剂与成膜剂的质量百分比为0.01％-5％；
所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、羧乙基纤维素、6503表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯的至少一种；
所述表面活性剂与成膜剂的质量百分比为0.0005％-3％；
所述分散剂为六偏磷酸钠；
所述分散剂与成膜剂的质量百分比为0.1％-45％。
5.根据权利要求1所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，制备涂覆液的原料中可以任选地加入或不加入填料，所述填料为氢氧化镁、氧化铝、甲酸镁的至少一种；
所述填料与成膜剂的质量百分比为0.1％-30％。
6.根据权利要求2所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，当所述成膜剂为硅溶胶时，制备涂覆液的原料中可以加入偶联剂，所述偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷的至少一种；
所述偶联剂与成膜剂的质量百分比为0.1％-45％。
7.根据权利要求2所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，当所述成膜剂为硅溶胶时，制备涂覆液的原料中可以加入骨架材料，所述骨架材料为醋酸乙烯酯；
所述骨架材料与成膜剂的质量百分比为0.1％-10％。
8.根据权利要求1所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，涂覆的方式为浸涂；涂覆的完全浸没行程为0.2-0.8米；
涂覆的速度为4-10米/分钟；
干燥处理的温度为180-280℃；
去应力热处理的温度为580℃，去应力热处理的时间为2小时。
9.根据权利要求6所述的带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法，其特征在于，涂覆的完全浸没行程为0.2米、0.4米、0.6米或0.8米；
涂覆的速度为4米/分钟、6米/分钟、8米/分钟或10米/分钟；
干燥处理的温度为180℃、200℃、220℃或280℃。
10.使用权利要求1-9任一项带有绝缘涂层的非晶纳米晶带材的制备方法得到的产品，其特征在于，所述产品的绝缘涂层包含SiO2。
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