CN114360883B - 一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯及其制备方法与应用。本发明将两种以上不同过冷液相区和不同晶化温度的FeSi‑基非晶合金粉末混合，添加包覆剂包覆后与润滑剂混合并进行压制，最后通过烧结使FeSi‑基非晶合金粉末发生分步非晶晶化，获得纳米晶双功能基元，进而获得基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。本发明通过设计合适的烧结工艺获得双功能基元磁粉芯，工艺简单，环保，成本低廉，同时可显著提升磁粉芯的综合性能指标，与常规的复合Fe‑基纳米晶磁粉芯相比，其磁导率、饱和磁感均大幅提升，提升幅度8～15％，同时磁损耗可降低6～10％，可广泛应用于多种领域的中高频电子器件。
Description
技术领域
本发明属于软磁材料成形技术领域，具体涉及一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯及其制备方法与应用。具体为将两种以上不同过冷液相区和不同晶化温度的FeSi-基非晶合金粉末进行混合，添加包覆剂包覆后进行压制，再通过烧结使两种非晶合金粉末晶化获得双功能基元，最后得到高磁感低损耗磁粉芯。
背景技术
自19世纪发现铁是可用软磁材料以来，科学家们一直在不断探索新的成分来改进和优化以Fe为基底的软磁材料。1900年硅钢的发明是软磁材料的一个重要里程碑，至今硅钢仍然是主流的软磁材料，是大型变压器和各种电机的首选软磁材料。然而，由于硅钢的低电阻率特性使得其在中高频(大于30MHz)工作时，涡流损耗大幅增加，进而导致磁损耗增加。另一方面，在大多数常规电子器件应用中，铁氧体磁芯由于其高频损耗低，且成本低也常用作于磁芯材料。然而，铁氧体磁芯的缺陷是它们的低磁感强度和难以制备大尺寸。随着科技设备的不断发展和更新换代，3C产品、医疗器械、新能源汽车、航空航天等领域的电子器件逐渐小型化，高频设备的使用越来越多，如新能源汽车的快速发展，各种电机和功率变换器正朝着小型化、高效率的方向发展，这就要求软磁材料在高频下具有高磁感强度和低磁损耗，以保证其在中高频率的运转下保持低损耗。因此，需要寻求更高性能、更高效的电感元件在中高频环境代替硅钢和铁氧体，来满足电子器件小型化的发展需求。
软磁磁粉芯也称为软磁复合材料，通过在金属软磁粉表面包覆一层绝缘层，能够有效的起到绝缘作用。软磁复合材料绝缘包覆层的独特之处在于：每个被绝缘层包覆的粉末颗粒，在其内部具有非常小的涡流路径，可以使整体的软磁复合材料在工作期间产生的涡流损耗大副降低，并且可以具有相对较高的电阻率。把每个绝缘包覆的粉末颗粒定义为一个独立的“功能基元”。对于软磁复合材料磁粉芯来讲，功能基元作为主要个体直接决定了其综合磁性能。饱和磁感强度、矫顽力、电阻率和磁损耗都与功能基元的晶粒尺寸和相结构密切相关。因此，功能基元的成分设计和晶粒尺寸调控对于实现软磁复合材料的优异软磁性能至关重要。
一般来讲，在晶态合金和铁氧体中，随着晶粒尺寸增加，初始磁导率增加，矫顽力减小，所以通常会尽可能地增大合金的晶粒尺寸，来获得优异的软磁特性。相反的是，纳米晶与上述规律不一样，当非晶相晶化后，晶粒尺寸为纳米级别时，反而也可以具有优异的软磁性能，这是因为对于纳米晶合金，α-Fe(Si)固溶体晶粒极为细小，其结构长度远低于铁磁交换长度，使得磁各向异性常数K降低，进而使得纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能，因而纳米晶软磁复合材料磁粉芯可以应用在多种场合。根据定义，纳米晶功能基元包括内部纳米晶粉末颗粒及其外部的绝缘包覆层。其内部的结构通常通过两阶段工艺路线获得：通过快速凝固获得非晶结构，然后经过烧结处理形成纳米晶。
目前纳米晶磁粉芯的开发，一般在于对其材料成分的开发，通过添加Cu、Nb、P、Zr等元素使得纳米晶磁粉芯性能提升，如Yoshizawa等人在常规Fe-Si-B中添加少量Cu和Nb得到Fe-Si-B-Nb-Cu合金(也称为Finemet合金)，然后在500至600℃下烧结1小时，可以具有优异的软磁性能。此外，还有Suzuki等研究学者开发出Fe-Zr-B基合金，称为Nanoperm合金。Makino等研究学者开发出含非金属的Fe-Si-B-P-Cu Nanomet合金，这两种合金虽然都提高了饱和磁感强度Bs值，但是其在中高频环境工作时，磁损耗Wm仍然偏高。还值得注意的是，这些方法往往局限于一种功能基元的探索。鉴于此，有必要探索出一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯，以拓展软磁复合材料磁粉芯的应用领域。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，具体为将两种不同过冷液相区和不同晶化温度的FeSi-基非晶合金粉末进行混合，添加包覆剂后进行压制，最后通过烧结使得两种非晶合金粉末分步晶化，生成两种不同的纳米晶粒尺寸，为两种纳米晶功能基元，进而获得非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
本发明方法制造工艺流程与现用的磁粉芯制造流程一样，不用添加额外的工序以增加成本，可个性化制造，也可批量生产，尤其适用于中高频领域电子器件的应用。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
本发明的再一目的在于提供上述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯在中高频领域电子器件的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将两种晶化温度TX差为20～60℃的FeSi-基非晶合金粉末与包覆剂进行混合包覆和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到包覆复合非晶合金粉末；
(2)将步骤(1)包覆复合非晶合金粉末进行烧结处理，烧结温度为(TX1+TX2)/2±20℃，时间为20min～2h，其中TX1为复合非晶合金粉末的最低晶化温度，TX2为复合非晶合金粉末的最高晶化温度，烧结过程中两种FeSi-基非晶合金粉末发生分步非晶晶化形成两种尺寸的纳米晶，生成非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
优选地，步骤(1)中两种晶化温度TX差为20～60℃的非晶合金粉末的质量比为1：4～4：1；更优选为3：7～7：3。
优选地，步骤(1)中FeSi-基非晶合金粉末元素含量Fe87～70at.％，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Co、B、C、P、Cu、Ni和Mo元素。
更优选地，步骤(1)中FeSi-基非晶合金粉末为Fe85.5B10Si1.5P2C1、Fe78Si9B10P3、Fe85.5B10Si2.5P2、Fe83Si5B8Cu4和Fe83Si5B5Cu7中的两种且不同非晶合金粉末的晶化温度TX差为20～60℃。
优选地，步骤(1)中FeSi-基非晶合金粉末由原料配料，制棒，旋转电极气雾化法制取合金粉末所得。
优选地，步骤(1)所述包覆剂为有机硅树脂，所述有机硅树脂先与有机溶剂按照体积比75～85：25～15混合得到包覆剂溶液，再与非晶合金粉末进行混合包覆，其中非晶合金粉末与包覆剂溶液的质量比为10:1；所述有机溶剂为酮类有机溶剂，更优选为丁酮和丙酮中的至少一种。
优选地，步骤(1)所述混合包覆的时间为35～70分钟。
优选地，步骤(1)所述干燥的温度为50～80℃，时间为20～40min。
优选地，步骤(1)所述润滑剂为环氧树脂，所述润滑剂占非晶合金粉末与包覆剂总质量的0.1～0.5％。
优选地，步骤(1)所述润滑剂混合均匀的时间为20～40min。
优选地，步骤(1)所述压制成型的压力为3～5GPa，时间为10～30s。
优选地，步骤(2)烧结处理后所得的功能基元内部纳米晶粒区间尺寸为10～100nm。
优选地，步骤(2)所述基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯还可以进行喷漆处理，喷漆材料为环氧树脂或聚酯混合物，喷涂厚度为80～300μm；更优选为80～150μm。
喷漆处理是为了防止磁粉芯受到氧气、水等氧化侵蚀导致其软磁性能恶化。
上述方法制得的一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
上述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用。
优选地，所述中高频领域为3C产品、医疗器械、新能源汽车和航空航天等领域；其具体应用的目标器件包括5G通信手机、5G通信基站、执行元器件、车联网设备、智慧制造、自展开通讯卫星、互感器、滤波器、智能控温器件和阻尼器等。
本发明烧结过程中，晶化温度为TX1的非晶合金粉末优先晶化并发生晶粒长大。随着烧结时间延长，晶化温度TX2的非晶合金粉末开始晶化生成纳米晶。最后，由于TX1的非晶合金粉末晶粒优先长大，其晶粒比晶化温度为TX2的粉末要大，TX1的粉末为功能基元A，TX2粉末的晶粒较小，为功能基元B。本发明可根据实际需要，适当调节烧结温度，从而得到不同晶粒尺寸差异的双功能基元或多功能基元，以满足不同领域中高频电子器件的性能要求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)采用本发明方法制备的基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯，其独特的双功能基元使得Fe-基复合磁粉芯的综合磁性能大幅提升。与常规的Fe-基非晶纳米晶磁粉芯相比，其磁导率、饱和磁感均有提升，提升幅度8～15％，同时磁损耗可降低6～10％。
(2)本发明通过设计合适的烧结工艺获得双功能基元，工艺简单，环保，成本低廉，同时可明显改善复合磁粉芯的综合性能指标，可满足不同领域中高频电子器件的应用需求。
附图说明
图1为本发明压制成型后双功能基元非晶合金粉末的空间堆积示意图。
图2为本发明烧结初期双功能基元非晶合金粉末结构示意图。
图3为本发明烧结结束后双功能基元合金粉末结构示意图。
图4为实施例1所得基于非晶晶化双功能基元的高磁感Fe85.5B10Si1.5P2C1磁粉芯与Fe78Si9B10P3磁粉芯的磁导率。
图5为实施例1所得基于非晶晶化双功能基元的高磁感Fe85.5B10Si1.5P2C1磁粉芯与Fe78Si9B10P3磁粉芯的磁感强度。
图6为实施例1所得基于非晶晶化双功能基元的高磁感Fe85.5B10Si1.5P2C1磁粉芯与Fe78Si9B10P3磁粉芯的磁损耗。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)合金材料制备：将纯单质元素按照设计的原子百分比配料、熔炼，1号合金成分为Fe85.5B10Si1.5P2C1，该合金成分晶化温度为470℃；2号合金成分Fe78Si9B10P3，该合金成分晶化温度为538℃。通过旋转电极气雾化法分别制造两种非晶合金的粉末。按照原先的设计，该两种非晶合金的粉末的晶化温度不同，但是相差不大(20-60℃)。
(2)粉末包覆：将步骤(1)所得两种粉末按照1：1的质量比放入搅拌机，并加入有机硅树脂(MQ硅树脂)和丁酮进行搅拌，非晶粉末与有机硅树脂丁酮混合液的质量比为10:1(有机硅树脂和丁酮体积比为80：20)，搅拌时间为45分钟。搅拌完毕后，将粉末放入干燥箱进行烘干处理，干燥温度60℃，干燥时间为30分钟。最后，往烘干后的粉末加入硬脂酸锌(占包覆处理后的复合粉末质量的0.5％)，并进行搅拌混合，搅拌混合时间为20分钟。
(3)压制成型：将包覆好的粉末放入设计好的模具中，置入冷压机中进行压制，施加压力为3GPa，冷压过程为15s，冷压后将成型样品从模具取出。
(4)基于非晶晶化获得双功能基元：将压制成型样品放入烧结炉中进行烧结。烧结温度选择两种粉末的晶化温度之间的中间温度。两种粉末的晶化温度分别为TX1＝470℃和Tx2＝538℃(TX2＞TX1)，则烧结温度选择为(TX1+TX2)/2＝504℃。烧结时间为40min。烧结过程中，Fe85.5B10Si1.5P2C1会优先晶化生成纳米晶，并随着烧结的持续开始逐渐长大。随后Fe78Si9B10P3晶粒也开始晶化并生成纳米晶。此时，由于TX1的非晶粉末晶粒优先长大，因此TX1晶粒大于TX2的晶粒。通过精心设计的烧结温度和时间，可调控两种粉末之间的晶粒大小关系，Fe85.5B10Si1.5P2C1的平均晶粒大小为81nm，Fe78Si9B10P3的平均晶粒大小为18nm。因此可生成基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到水、空气等侵蚀导致氧化和掉粉现象，致使性能恶化，需要将步骤(5)所得的磁粉芯进行表面喷漆保护，喷漆材料环氧树脂E-44，喷涂厚度约130μm。
采用上述方案制备的非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯(喷漆处理后)，独特的双功能基元组合使得Fe85.5B10Si1.5P2C1和Fe78Si9B10P3的复合磁粉芯的纳米磁性能得到提升，其有效磁导率为240H/m，饱和磁感强度为190emu/g。相比于Fe85.5B10Si1.5P2C1磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)，其有效磁导率提升11％(如图4)，饱和磁感强度提升8.2％(如图5)，另外，其磁损耗降低7.4％(如图6)。另外，与Fe78Si9B10P3磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)相比，其有效磁导率提升11.5％(如图4)，饱和磁感强度提升7.8％(如图5)，另外，其磁损耗降低8.3％(如图6)。
实施例2
(1)合金材料制备：将纯单质元素按照设计的原子百分比配料、熔炼，1号合金成分为Fe85.5B10Si2.5P2，该合金成分晶化温度为460℃；2号合金成分为Fe83Si5B8Cu4，该合金成分晶化温度为490℃。通过旋转电极气雾化法分别制造两种非晶合金的粉末。按照原先的设计，两种非晶合金的粉末的晶化温度不同，但是相差不大(20-60℃)。
(2)粉末包覆：将步骤(1)所得两种粉末按照7:3的质量比放入搅拌机，并加入有机硅树脂(MQ硅树脂)和丁酮进行搅拌，非晶粉末与有机硅树脂丁酮混合液的质量比为10:1(有机硅树脂和丁酮体积比为85：15)，搅拌时间为50分钟。搅拌完毕后，将粉末放入干燥箱进行烘干处理，干燥时间为30分钟。最后，往烘干后的粉末加入硬脂酸锌(占包覆处理后的复合粉末质量的0.4％)，并进行搅拌混合，搅拌混合时间为25分钟。
(3)压制成型：将包覆好的粉末放入设计好的模具中，置入冷压机中进行压制，施加压力为2.9GPa，冷压过程为16s，冷压后将成型样品从模具取出。
(4)基于非晶晶化获得双功能基元：将压制成型样品放入烧结炉中进行烧结。烧结温度选择两种粉末的晶化温度之间的中间温度。两种粉末的晶化温度分别为TX1＝460℃、TX2＝490℃(TX2＞TX1)，则烧结温度选择(TX1+TX2)/2＝475℃，烧结时间为40min。烧结过程中，Fe85.5B10Si2.5P2会优先晶化生成纳米晶，并随着烧结的持续开始逐渐长大，然后是Fe83Si5B8Cu4开始晶化并生成纳米晶。通过精心设计的烧结温度和时间，可以获得双功能基元，Fe85.5B10Si2.5P2的平均晶粒大小为75nm，Fe83Si5B8Cu4的平均晶粒大小为15nm，由此可生成基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到水、空气等侵蚀导致氧化和掉粉现象，致使性能恶化，需要将步骤(5)所得的磁粉芯进行表面喷漆保护，喷漆材料喷漆材料环氧树脂E-44，喷涂厚度约105μm。
采用上述方案制备的非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯(喷漆处理后)，独特的双功能基元组合使得Fe85.5B10Si2.5P2、Fe83Si5B8Cu4的复合磁粉芯的纳米磁性能得到提升，其有效磁导率为256H/m，饱和磁感强度为192emu/g。与Fe85.5B10Si2.5P2磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)相比，其有效磁导率提升12.1％，饱和磁感强度提升9.2％，磁损耗降低8.2％。另外，与Fe83Si5B8Cu4磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)相比，其有效磁导率提升11.4％，饱和磁感强度提升8.6％，磁损耗降低7.5％。
实施例3
(1)合金材料制备：将纯单质元素按照设计的原子百分比配料、熔炼。1号合金成分为Fe83Si5B8Cu4，该合金成分晶化温度为490℃；2号合金成分Fe83Si5B5Cu7，该合金成分晶化温度为550℃。通过旋转电极气雾化法分别制造两种非晶合金的粉末。按照原先的设计，该两种非晶合金的粉末的晶化温度不同，但是相差不大(20-60℃)。
(2)粉末包覆：将步骤(1)所得两种粉末按照6：4的质量比放入搅拌机，并加入有机硅树脂(MQ硅树脂)和丁酮进行搅拌，非晶粉末与有机硅树脂丁酮混合液的质量比为10:1(有机硅树脂和丁酮体积比为82：18)。搅拌时间为45分钟。搅拌完毕后，将粉末放入干燥箱进行烘干处理，干燥时间为30分钟。最后，往烘干后的粉末加入硬脂酸锌(占包覆处理后的复合粉末质量的0.5％)，并进行搅拌混合，搅拌混合时间为20分钟。
(3)压制成型：将包覆好的粉末放入设计好的模具中，置入冷压机中进行压制，施加压力为3GPa，冷压过程为15s，冷压后将成型样品从模具取出。
(4)基于非晶晶化获得双功能基元：将压制成型样品放入烧结炉中进行烧结。烧结温度选择两种粉末的晶化温度之间的中间温度。两种粉末的晶化温度分别为TX1＝490℃和TX2＝550℃(TX2＞TX1)，则烧结温度选择为(TX1+TX2)/2＝520℃。烧结时间为35min。烧结过程中，Fe83Si5B8Cu4会优先晶化生成纳米晶，并随着烧结的持续开始逐渐长大。随后Fe83Si5B5Cu7晶粒也开始晶化并生成纳米晶。此时，由于TX1的非晶粉末晶粒优先长大，因此TX1晶粒大于TX2的晶粒。通过精心设计的烧结温度和时间，可调控两种粉末之间的晶粒大小关系。Fe83Si5B8Cu4和的平均晶粒大小为85nm，Fe83Si5B5Cu7的平均晶粒大小为9nm。因此该方法可获得双功能基元的高磁感磁粉芯。
(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到水、空气等侵蚀导致氧化和掉粉现象，致使性能恶化，需要将步骤(5)所得的磁粉芯进行表面喷漆保护，喷漆材料喷漆材料环氧树脂E-44，喷涂厚度约150μm。
采用上述方案制备的非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯，独特的双功能基元组合使得Fe83Si5B8Cu4和Fe83Si5B5Cu7的复合磁粉芯的纳米磁性能得到提升，其有效磁导率为237H/m，饱和磁感强度为184emu/g。与Fe85.5B10Si2.5P2磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)相比，其有效磁导率提升8％，饱和磁感强度提升9.5％，其磁损耗降低7.8％。另外，与Fe85.5B10Si2.5P2磁粉芯(采用相同方法制备，烧结温度为晶化温度，且喷漆处理后)相比，其有效磁导率提升7.5％，饱和磁感强度提升9.1％，其磁损耗降低8.3％。
对比例1
为方便对比，该对比例的制备工艺和粉末比例与实施例3一致。
(1)合金材料制备：将纯单质元素按照设计的原子百分比配料、熔炼。1号合金成分为Fe85.5B10Si2.5P2，该合金成分晶化温度为460℃；2号合金成分Fe83Si5B5Cu7，该合金成分晶化温度为550℃。通过旋转电极气雾化法分别制造两种非晶合金的粉末。该两种非晶合金的粉末的晶化温度相差90℃。
(2)粉末包覆：将步骤(1)所得两种粉末按照6：4的质量比放入搅拌机，并加入有机硅树脂(MQ硅树脂)和丁酮进行搅拌，非晶粉末与有机硅树脂丁酮混合液的质量比为10:1(有机硅树脂和丁酮体积比为82：18)，搅拌时间为45分钟。搅拌完毕后，将粉末放入干燥箱进行烘干处理，干燥时间为30分钟。最后，往烘干后的粉末加入润滑剂硬脂酸锌(占包覆处理后的复合粉末质量的0.5％)，并进行搅拌混合，搅拌混合时间为20分钟。
(3)压制成型：将包覆好的粉末放入设计好的模具中，置入冷压机中进行压制，施加压力为3GPa，冷压过程为15s，冷压后将成型样品从模具取出。
(4)基于非晶晶化获得双功能基元：将压制成型样品放入烧结炉中进行烧结。烧结温度选择两种粉末的晶化温度之间的中间温度。两种粉末的晶化温度分别为TX1＝460℃和TX2＝550℃(TX2＞TX1)，则烧结温度选择为(TX1+TX2)/2＝505℃，烧结时间为35min。烧结过程中，Fe85.5B10Si2.5P2会优先晶化生成纳米晶，并随着烧结的持续开始逐渐长大。随后Fe83Si5B5Cu7晶粒也开始晶化并生成纳米晶。此时，由于TX1的非晶粉末晶粒优先长大，因此TX1晶粒大于TX2的晶粒。经过烧结后时间，可调控两种粉末之间的晶粒大小关系。Fe85.5B10Si2.5P2的平均晶粒大小为130nm，Fe83Si5B5Cu7的平均晶粒大小为9nm，并有部分非晶相存在。
(5)喷漆处理：为了防止磁粉芯受到水、空气等侵蚀导致氧化和掉粉现象，致使性能恶化，需要将步骤(5)所得的磁粉芯进行表面喷漆保护，喷漆材料喷漆材料环氧树脂E-44，喷涂厚度约150μm。
采用上述方案制备的Fe85.5B10Si2.5P2与Fe83Si5B5Cu7的复合磁粉芯，Fe85.5B10Si2.5P2生成的晶粒过大，Fe83Si5B5Cu7粉末附带部分非晶，导致磁性能恶化。其有效磁导率仅为56H/m，饱和磁感强度仅为46emu/g。相比实例3的双功能基元磁粉芯磁导率，其磁导率下降77％。饱和磁感下降75％。
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)
1.一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将两种晶化温度TX差为20～60℃的FeSi-基非晶合金粉末与包覆剂混合均匀，进行包覆复合和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到具有两种晶化温度的复合非晶合金粉末；
（2）将步骤（1）的复合非晶合金粉末烧结成形，烧结温度为（TX1+TX2）/2℃，时间为20 min～2h，其中TX1为复合非晶合金粉末的较低晶化温度，TX2为复合非晶合金粉末的较高晶化温度，烧结过程中两种FeSi-基非晶合金粉末发生分步非晶晶化形成两种尺寸的纳米晶，生成具有双功能基元的高磁感磁粉芯。
2.根据权利要求1所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤（1）中两种晶化温度TX差为20～60℃的非晶合金粉末的质量比为1：4～4：1。
3.根据权利要求1所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤（1）中FeSi-基非晶合金粉末元素含量Fe87～70at.%，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Co、B、C、P、Cu、Ni和Mo元素。
4.根据权利要求1所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤（1）中FeSi-基非晶合金粉末为Fe85.5B10Si1.5P2C1、Fe78Si9B10P3、Fe85.5B10Si2.5P2、Fe83Si5B8Cu4和Fe83Si5B5Cu7中的两种且不同非晶合金粉末的晶化温度TX差为20～60℃。
5.根据权利要求1所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤（2）烧结处理后所得的功能基元内部纳米晶尺寸为10～100nm。
6.根据权利要求1所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述包覆剂为有机硅树脂，所述有机硅树脂先与有机溶剂按照体积比75～85：25～15混合得到包覆剂溶液，再与非晶合金粉末进行混合包覆，其中非晶合金粉末与包覆剂溶液的质量比为10：1；
步骤（1）所述混合包覆的时间为35～70min；
步骤（1）所述润滑剂为环氧树脂，所述润滑剂占非晶合金粉末与包覆剂总质量的0.1～0.5%；
步骤（1）所述润滑剂混合均匀的时间为20～40min；
步骤（1）所述压制成型的压力为2～4GPa，时间为10～30s；
步骤（2）所述基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯进行喷漆处理，喷漆材料为环氧树脂或聚酯混合物，喷涂厚度为80～300μm。
7.权利要求1～6任一项所述方法制得的一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯。
8.权利要求7所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用。
9.根据权利要求8所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用，其特征在于，所述中高频领域为3C产品领域、医疗器械领域、新能源汽车领域和航空航天领域。
10.根据权利要求9所述一种基于非晶晶化双功能基元的高磁感磁粉芯在中高频领域电子器件中的应用，其特征在于，所述中高频领域电子器件为5G通信手机、5G通信基站、执行元器件、车联网设备、智慧制造、自展开通讯卫星、互感器、滤波器、智能控温器件和阻尼器。
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Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62192560A (ja) * | 1986-02-19 | 1987-08-24 | Kawasaki Steel Corp | 占積率の優れた磁心用非晶質合金薄帯およびその製造方法 |
| US5772797A (en) * | 1989-01-26 | 1998-06-30 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Soft magnetic thin film, method for preparing same and magnetic head |
| JPH11260616A (ja) * | 1998-01-12 | 1999-09-24 | Daido Steel Co Ltd | 軟質磁性材料箔の製造方法 |
| JPH11269509A (ja) * | 1998-03-19 | 1999-10-05 | Hitachi Metals Ltd | ノイズ抑制効果に優れた扁平状ナノ結晶軟磁性粉末およびその製造方法 |
| CN1253364A (zh) * | 1998-11-10 | 2000-05-17 | 阿尔卑斯电气株式会社 | 高饱和磁通密度低铁损Fe基软磁性合金和使用它的磁芯及制法 |
| CN1588580A (zh) * | 2004-07-29 | 2005-03-02 | 同济大学 | 一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金 |
| JP2005068451A (ja) * | 2003-08-27 | 2005-03-17 | Japan Science & Technology Agency | Ｆｅ基軟磁性バルク非晶質・ナノ結晶二相合金及びその製造方法 |
| CN101145420A (zh) * | 2007-07-26 | 2008-03-19 | 同济大学 | Fe基大块非晶纳米晶磁元件的制备方法 |
| CN101894665A (zh) * | 2009-05-19 | 2010-11-24 | 南通海源机电设备有限公司 | 超微晶软磁磁芯的分段式晶化处理 |
| CN103258623A (zh) * | 2013-05-22 | 2013-08-21 | 安泰科技股份有限公司 | 一种恒导磁磁芯及其制造方法和用途 |
| WO2016121951A1 (ja) * | 2015-01-30 | 2016-08-04 | 株式会社村田製作所 | 磁性体粉末とその製造方法、及び磁心コアとその製造方法、並びにコイル部品、及びモータ |
| EP3330985A1 (en) * | 2015-07-31 | 2018-06-06 | JFE Steel Corporation | Method for producing soft magnetic dust core, and soft magnetic dust core |
| CN108603272A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-09-28 | 阿尔卑斯电气株式会社 | Fe基合金组合物、软磁性材料、磁性部件、电气电子相关部件和设备 |
| CN110670000A (zh) * | 2019-09-24 | 2020-01-10 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种纳米晶软磁合金、非晶软磁合金及其制备方法 |
| TWI716301B (zh) * | 2020-03-23 | 2021-01-11 | 國立臺灣大學 | 一種高熵/中熵合金之晶粒細化方法 |
-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111675372.0A patent/CN114360883B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62192560A (ja) * | 1986-02-19 | 1987-08-24 | Kawasaki Steel Corp | 占積率の優れた磁心用非晶質合金薄帯およびその製造方法 |
| US5772797A (en) * | 1989-01-26 | 1998-06-30 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Soft magnetic thin film, method for preparing same and magnetic head |
| JPH11260616A (ja) * | 1998-01-12 | 1999-09-24 | Daido Steel Co Ltd | 軟質磁性材料箔の製造方法 |
| JPH11269509A (ja) * | 1998-03-19 | 1999-10-05 | Hitachi Metals Ltd | ノイズ抑制効果に優れた扁平状ナノ結晶軟磁性粉末およびその製造方法 |
| CN1253364A (zh) * | 1998-11-10 | 2000-05-17 | 阿尔卑斯电气株式会社 | 高饱和磁通密度低铁损Fe基软磁性合金和使用它的磁芯及制法 |
| JP2005068451A (ja) * | 2003-08-27 | 2005-03-17 | Japan Science & Technology Agency | Ｆｅ基軟磁性バルク非晶質・ナノ結晶二相合金及びその製造方法 |
| CN1588580A (zh) * | 2004-07-29 | 2005-03-02 | 同济大学 | 一种块体非晶纳米晶双相复合软磁合金 |
| CN101145420A (zh) * | 2007-07-26 | 2008-03-19 | 同济大学 | Fe基大块非晶纳米晶磁元件的制备方法 |
| CN101894665A (zh) * | 2009-05-19 | 2010-11-24 | 南通海源机电设备有限公司 | 超微晶软磁磁芯的分段式晶化处理 |
| CN103258623A (zh) * | 2013-05-22 | 2013-08-21 | 安泰科技股份有限公司 | 一种恒导磁磁芯及其制造方法和用途 |
| WO2016121951A1 (ja) * | 2015-01-30 | 2016-08-04 | 株式会社村田製作所 | 磁性体粉末とその製造方法、及び磁心コアとその製造方法、並びにコイル部品、及びモータ |
| EP3330985A1 (en) * | 2015-07-31 | 2018-06-06 | JFE Steel Corporation | Method for producing soft magnetic dust core, and soft magnetic dust core |
| CN108603272A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-09-28 | 阿尔卑斯电气株式会社 | Fe基合金组合物、软磁性材料、磁性部件、电气电子相关部件和设备 |
| CN110670000A (zh) * | 2019-09-24 | 2020-01-10 | 全球能源互联网研究院有限公司 | 一种纳米晶软磁合金、非晶软磁合金及其制备方法 |
| TWI716301B (zh) * | 2020-03-23 | 2021-01-11 | 國立臺灣大學 | 一種高熵/中熵合金之晶粒細化方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| "Interface design enabled manufacture of giant";Hongzhen Li;《SCIENCE CHINA Materials》;20210106;全文 * |
| 杨超." 超音速电弧喷涂制备Fe基非晶涂层的成分结构及磨损性能研究".《中国新技术新产品》.2020, * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202329169A (zh) | 2023-07-16 |
| CN114360883A (zh) | 2022-04-15 |
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