CN113414383A - 一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感。本发明方法获得的高频高饱和复合材料及其制成的共模电感，高频高饱和复合材料包含Nb、B、Cr、C形成多元合金体系，降低熔炼喷雾冷却需要的非晶化的温度，从而更容易达到非晶化的效果，并通过表面化学沉积氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层包覆层，降低颗粒间的导热系数使非晶在热处理过程中能形成更稳定和均一的纳米晶和非晶的混合组织，并防止颗粒间因模压成型造成较大的颗粒间涡流，并形成均匀的非磁性间隙提高使用频率和饱和性能，而纳米晶和非晶的混合组织的均一化进一步提升的材料的使用频率和饱和性能，充分满足应用需求。

Description

一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感
技术领域
本发明涉及电感技术领域，尤其涉及一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感。
背景技术
随着电子技术的发展，开关电源由于体积小、效率高等特点得到了广泛应用。然而由于其高频性，功率开关器件在开通和关断的过程中产生较大变化率的电压和电流，导致严重的EMI噪声。严重的电磁干扰不仅影响开关电源的工作还会导致周边器件无法正常工作。为了降低EMI噪声，必须使用共模电感进行抑制。虽然共模噪声的电流很小，几乎不能造成磁芯饱和，但随着电子器件的功耗增加，使用的温度环境持续上升，导致共模电感的工作环境温度高，而器件的饱和特性非常容易受到温度的影响而劣化，导致在实际工作过程中噪声抑制效果降低。而磁芯材料的饱和性能是导致其产生的主要原因。而铁氧体材料由于其Bs较低导致直流叠加性能较差，而合金材料由于电阻率低导致高频性能高频差。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感，满足高频的使用需求。
本发明的技术方案如下：提供一种高频高饱和复合材料的制备方法，包括以下步骤。
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：84-94.8wt％Fe、3.5-7.5wt％Si、0.5-3.0wt％Cr、1.0-4.0wt％B、0.1-1.0wt％Nb、0.1-0.5wt％C。优选的，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。具体的，可以采用高速的冷却水冲击雾化后的金属液来快速冷却。
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在160℃-400℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积1-3um的氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层中的一种或至少两种的组合，获得沉积粉末。
S3：将沉积粉末在400-1100℃的保护气氛下处理0.5-8小时，获得高频高饱和复合材料。优选的，保护气氛为氮气或氩气。
通过加入Nb、B、Cr、C形成多元合金体系，降低熔炼喷雾冷却需要的非晶化的温度，从而更容易达到非晶化的效果，并通过表面化学沉积氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层包覆层，降低颗粒间的导热系数使非晶在热处理过程中能形成更稳定和均一的纳米晶和非晶的混合组织，并防止颗粒间因模压成型造成较大的颗粒间涡流，并形成均匀的非磁性间隙提高使用频率和饱和性能，而纳米晶和非晶的混合组织的均一化进一步提升的材料的使用频率和饱和性能。
本发明还提供一种高频高饱和复合材料，采用前述的高频高饱和复合材料的制备方法制成。
本发明还提供一种共模电感，采用前述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.01％-0.5％的粘结树脂，混合均匀，然后在40-90℃的真空下干燥0.5-6小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；将烧结材料在温度80℃-270℃的模具内使用200MPa-500MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在700-1600℃下烧结1-12小时得到共模电感。
高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合10-60min。
所述粘结树脂为环氧树脂或丙烯酸树脂或纤维素醚或聚乙烯醇缩丁醛。粘结树脂需要与溶剂配成液体状。
采用上述方案，本发明提供一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感，通过加入Nb、B、Cr、C形成多元合金体系，降低熔炼喷雾冷却需要的非晶化的温度，从而更容易达到非晶化的效果，并通过表面化学沉积氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层包覆层，降低颗粒间的导热系数使非晶在热处理过程中能形成更稳定和均一的纳米晶和非晶的混合组织，并防止颗粒间因模压成型造成较大的颗粒间涡流，并形成均匀的非磁性间隙提高使用频率和饱和性能，而纳米晶和非晶的混合组织的均一化进一步提升的材料的使用频率和饱和性能，充分满足应用需求。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种高频高饱和复合材料的制备方法，包括以下步骤。
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：84wt％Fe、7.5wt％Si、3.0wt％Cr、4.0wt％B、1.0wt％Nb、0.5wt％C。在本实施例中，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。在本实施例中，采用高速的冷却水冲击雾化后的金属液来快速冷却。
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在200℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积1um的氧化铝层，获得沉积粉末。
S3：将沉积粉末在700℃的保护气氛下处理1小时，获得高频高饱和复合材料。在本实施例中，保护气氛为氮气。
本实施例还提供一种共模电感，采用前述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.01％的粘结树脂，混合均匀，然后在50℃的真空下干燥3小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂为环氧树脂；所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合60min。将烧结材料在温度130℃的模具内使用500MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在1000℃下烧结4小时得到共模电感。所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
实施例2
本实施例提供一种高频高饱和复合材料的制备方法，包括以下步骤。
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：94.8wt％Fe、3.5wt％Si、0.5wt％Cr、1.0wt％B、0.1wt％Nb、0.1wt％C。在本实施例中，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。在本实施例中，采用高速的冷却水冲击雾化后的金属液来快速冷却。
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在300℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积3um的氧化铝层，获得沉积粉末。
S3：将沉积粉末在900℃的保护气氛下处理1小时，获得高频高饱和复合材料。在本实施例中，保护气氛为氮气。
本实施例还提供一种共模电感，采用前述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.1％的粘结树脂，混合均匀，然后在80℃的真空下干燥1小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂为环氧树脂；所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合40min。将烧结材料在温度200℃的模具内使用200MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在1400℃下烧结2小时得到共模电感。所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
实施例3
本实施例提供一种高频高饱和复合材料的制备方法，包括以下步骤。
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：90.0wt％Fe、5.0wt％Si、1.5wt％Cr、3.0wt％B、0.25wt％Nb、0.25wt％C。在本实施例中，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。在本实施例中，采用高速的冷却水冲击雾化后的金属液来快速冷却。
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在250℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积2um的氧化硅层，获得沉积粉末。
S3：将沉积粉末在800℃的保护气氛下处理1小时，获得高频高饱和复合材料。在本实施例中，保护气氛为氩气。
本实施例还提供一种共模电感，采用前述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.05％的粘结树脂，混合均匀，然后在65℃的真空下干燥2.5小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂为丙烯酸树脂；所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合50min。将烧结材料在温度160℃的模具内使用240MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在1200℃下烧结3小时得到共模电感。所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
实施例4
本实施例提供一种高频高饱和复合材料的制备方法，包括以下步骤。
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：92.0wt％Fe、4.5wt％Si、1.6wt％Cr、3.1wt％B、0.55wt％Nb、0.25wt％C。在本实施例中，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。在本实施例中，采用高速的冷却水冲击雾化后的金属液来快速冷却。
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在250℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积1um的氧化铝层和1um氧化铋层和0.5um的氧化硅层，获得沉积粉末。
S3：将沉积粉末在850℃的保护气氛下处理1.5小时，获得高频高饱和复合材料。在本实施例中，保护气氛为氩气。
本实施例还提供一种共模电感，采用前述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.07％的粘结树脂，混合均匀，然后在70℃的真空下干燥2.5小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂为聚乙烯醇缩丁醛；所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合45min。将烧结材料在温度180℃的模具内使用310MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在1250℃下烧结2.5小时得到共模电感。所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
对比例1
材料成分为市售铁氧体材料(其中氧化铁含量为55-67wt％，氧化锌为6-10wt％，氧化镍为21-25wt％，氧化铜为6-10wt％)。将市售铁氧体材料添加粉末重量的0.07wt％的环氧树脂，在混合机中混合45min，然后在70℃的真空下干燥2.5小时，得到电感材料粉末，其中环氧树脂在600℃温度灼烧后的C残留量小于830ppm。将得到的电感材料粉末在温度180℃的模具内使用310MPa压制制得电感胚体，并将电感胚体在1100℃下烧结2.5小时得到共模电感。其中所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
对比例2
材料成分为市售非晶材料(其中Fe为81-92.7wt％，Si为4-10wt％，B为3-8wt％，C为0.3-1.0wt％)。将非晶材料粉末添加粉末重量0.07wt％的环氧树脂溶液，在混合机中混合45min，然后在70℃的真空下干燥2.5小时，得到电感材料粉末，其中环氧树脂在600℃温度灼烧后的C残留量小于830ppm。将得到的电感材料粉末在温度180℃的模具内使用310MPa压制制得电感胚体，并将电感胚体在1100℃下烧结2.5小时得到共模电感。其中所述共模电感中包含的点焊线圈参数具体为：双线并绕，线经0.05mm，绕线中柱为方形中柱，其中中柱的截面为长1.2mm宽0.6mm的方柱截面，匝数9.5，电感尺寸为2mm×1.2mm×1.2mm。共模阻抗使用阻抗分析仪E4991测试，测试频率为100MHz，截止频率使用阻抗分析仪E4991测试。额定电流使用精密电磁分析仪3260B测试，测试频率10MHz。测试结果如表1。
表1
Figure BDA0003137024670000081
请参阅表1，实施例1-4得到的材料制作的共模电感在额定电流(饱和电流)性能要优于对比例1、对比例2得到的材料制作的共模电感，因此，本发明在实际的大电流应用中更具有优势，且实施例1-4随着温度的变化共模电感的额定电流变化率更小，说明在高频高温下在信号电流通过时的阻抗更加稳定，说明本发明在恶劣环境下的稳定性更优。
综上所述，本发明提供一种高频高饱和复合材料、制备方法及共模电感，通过加入Nb、B、Cr、C形成多元合金体系，降低熔炼喷雾冷却需要的非晶化的温度，从而更容易达到非晶化的效果，并通过表面化学沉积氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层包覆层，降低颗粒间的导热系数使非晶在热处理过程中能形成更稳定和均一的纳米晶和非晶的混合组织，并防止颗粒间因模压成型造成较大的颗粒间涡流，并形成均匀的非磁性间隙提高使用频率和饱和性能，而纳米晶和非晶的混合组织的均一化进一步提升的材料的使用频率和饱和性能，充分满足应用需求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高频高饱和复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将原材料合金在高温下熔炼成金属液，对金属液进行雾化，然后对雾化后的金属液快速冷却，形成不定形粉末；其中原材料合金的材料组成为：84-94.8wt％Fe、3.5-7.5wt％Si、0.5-3.0wt％Cr、1.0-4.0wt％B、0.1-1.0wt％Nb、0.1-0.5wt％C；
S2：取粒径为0.1-40um的不定形粉末，在160℃-400℃的真空下，在粒径为0.1-40um的不定形粉末表面化学气相沉积1-3um的氧化铝层、氧化硅层、氧化铋层中的一种或至少两种的组合，获得沉积粉末；
S3：将沉积粉末在400-1100℃的保护气氛下处理0.5-8小时，获得高频高饱和复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高频高饱和复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，原材料合金在高频炉中熔炼形成金属液。
3.根据权利要求1所述的一种高频高饱和复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，保护气氛为氮气或氩气。
4.一种高频高饱和复合材料，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的高频高饱和复合材料的制备方法制成。
5.一种共模电感，其特征在于，采用权利要求4所述的高频高饱和复合材料，向高频高饱和复合材料中添加其重量的0.01％-0.5％的粘结树脂，混合均匀，然后在40-90℃的真空下干燥0.5-6小时，得到烧结材料；其中，所述粘结树脂在600℃以上温度灼烧后的C残留量小于1000ppm；将烧结材料在温度80℃-270℃的模具内使用200MPa-500MPa压制制得电感胚体，然后将电感胚体在700-1600℃下烧结1-12小时得到共模电感。
6.根据权利要求5所述的一种共模电感，其特征在于，高频高饱和复合材料与粘结树脂的混合采用混合机混合10-60min。
7.根据权利要求5所述的一种共模电感，其特征在于，所述粘结树脂为环氧树脂或丙烯酸树脂或纤维素醚或聚乙烯醇缩丁醛。
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