CN115642031A - 一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法。通过称取配比在5‑40%的不同体积分数绝缘磁粉,压制成高度内径比为h/d=0.30‑0.03的磁环,可实现磁环截止频率的调制。本发明的机理是通过优化软磁复合磁环高度内径比h/d，控制磁环高度方向涡流均匀分布，实现了同磁导率下截止频率的调制。通过结合高度和体积分数控制，本发明制备了工作频率50 MHz，磁导率25的高性能羰基铁软磁复合材料。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料优化技术领域，具体涉及一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法。
背景技术
软磁复合材料（SMCs）因其具有高功率密度，被广泛应用于电力电子系统的能量变换、滤波、谐振和隔离等磁性元件中。随着当今电气化和信息化的持续发展，提高工作频率以提高电能转换效率、降低能量损耗已成为了行业共识。而只能工作在百kHz范围的现有软磁复合材料和非晶纳米晶严重制约了宽禁带化合物半导体SiC和GaN潜能的发挥。
以美企Micrometals为例，MHz频段应用产品主要为羰基铁粉芯。对于1-10 MHz频段，羰基铁磁芯Mix1/3/15磁导率范围在20-35；对于10-20MHz频段，则主要磁芯为Mix1/4/14，磁导率减小至14-20；而提高频率至20-55 MHz频段，磁芯Mix2/6/7磁导率减小至8.5-14。因此制备一种在MHz频段具有高截止频率的功率软磁复合材料已成为急待解决的问题。
一般认为，软磁复合材料的低截止频率主要来源于MHz频段的涡流损耗。而商业上提高绝缘介质浓度或腐蚀包覆等手段必然导致功率密度和磁导率的降低，需要寻找新的工作方案。事实上，高频涡流不仅导致损耗的增大，更存在涡流的不均匀分布，进而导致磁环磁化的不均匀。在实际样品中，磁环内径和外径由模具控制，而磁环高度决定了涡流的分布。工作表明对于毫米甚至厘米高度的磁环，MHz截止频率决定于涡流效应的调制。因此要使磁环在1MHz-100 MHz能够有效工作，必须对软磁复合磁环高度内径比h/d进行优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的问题而提供一种通过调制软磁Fe复合磁环高度方向涡流分布的优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，其工艺为：选取粒径范围1-10微米的羰基铁粉，加入环氧树脂溶液混合得绝缘磁粉，控制用量将绝缘磁粉压制成磁环高度内径比h/d为0.30-0.03的磁环，其中磁环成型压力为600-1273 Mpa。
所述环氧树脂的用量为羰基铁粉体积分数的5-40%。
所述环氧树脂加入丙酮溶液溶解得到环氧树脂溶液，其中环氧树脂的加入量为0.1 g/mL；在室温下，称取羰基铁粉加入环氧树脂溶液持续搅拌超声至溶液干燥，制得绝缘磁粉，超声波频率在20-40 kHz。
本发明的机理是通过优化软磁复合磁环高度内径比h/d为0.30-0.03，控制磁环高度方向涡流均匀分布，磁环高度内径比h/d=0.03时磁环达到最优性能，实现了同磁导率下截止频率的调制。通过结合高度和羰基铁浓度控制，本发明制备的羰基铁粉70%体积分数的磁环截止频率由90MHz提高至730MHz。制备了50 MHz，磁导率达到25的羰基铁软磁复合磁环。解决了目前商用软磁复合磁环难以提高工作频率至1MHz，甚至提高到100MHz的问题。
附图说明
图1为本发明使用的羰基铁粉原粉XRD图，原粉为多晶的bcc Fe粉；
图2为本发明使用的羰基铁粉原粉表面形貌图，原粉为粒径范围1-10μm的球形颗粒；
图3为本发明实施例1和2在1MHz-1GHz的磁导率图，其中羰基铁体积分数为30%，磁环成型压力为600Mpa；
图4为本发明实施例3在1MHz-1GHz的磁导率图，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600MPa；
图5为本发明实施例4在1MHz-1GHz的磁导率图，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600Mpa；
图6为本发明实施例5在1MHz-1GHz的磁导率图，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600 Mpa；
图7为本发明实施例6在1MHz-50MHz的磁导率图，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为1273Mpa。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。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，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉30%的环氧树脂0.231g，加入2mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在40 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入2.40和0.26 g绝缘磁粉，在600MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.714和0.086的磁环，磁环高度分别为5 mm和0.6mm。
实施例2
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5 g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉30%的环氧树脂0.231g，加入2 mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在20 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入3.30g、1.06g、0.49g和0.21g绝缘磁粉，在600MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.929、0.300、0.143和0.03的磁环，磁环高度分别为6.5 mm、2.1 mm、1.0 mm和0.2 mm。
图3为本发明实施例1和2在1MHz-1 GHz的磁谱（磁导率图），其中环氧树脂体积分数为羰基铁粉的30%的样品，磁环成型压力为600MPa。一般磁环的高度内径比为0.7，发现对1-3微米羰基铁粉复合磁环，优化磁环高度到0.6 mm（h/d=0.086），磁环截止频率由100 MHz提高至大于1GHz。其中1 MHz磁导率为9左右。对1-10微米羰基铁粉复合磁环，优化磁环高度到2.1、1.0和0.2 mm（h/d=0.300、0.143和0.03），磁环截止频率提高至200 MHz以上。其中1MHz磁导率为12左右。
实施例3
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5 g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉40%的环氧树脂0.308g，加入3 mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在40 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入2.46g和0.54 g绝缘磁粉，在600MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.786和0.057的磁环，磁环高度分别为5.5 mm和0.4 mm。
图4为本发明实施例3在1MHz-1 GHz的磁谱，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600MPa。一般磁环的高度内径比为0.7左右，发现对体积分数为羰基铁粉40%的环氧树脂的样品，优化磁环高度至0.4 mm（h/d=0.057），磁环截止频率由350 MHz提高至大于1GHz。其中1 MHz磁导率为8左右。
实施例4
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5 g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉20%的环氧树脂0.154g，加入1.5 mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在40 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入3.45g和0.16 g绝缘磁粉，在600MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.914和0.043的磁环，磁环高度分别为6.4mm和0.3 mm。
图5为本发明实施例4在1MHz-1 GHz的磁谱，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600 Mpa。一般磁环的高度内径比为0.7，发现对体积分数为羰基铁粉20%的环氧树脂的样品，优化磁环高度至0.3 mm，磁环截止频率从20 MHz提高至大于300 MHz。其中1 MHz磁导率为14左右。
实施例5
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5 g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉5%的环氧树脂0.04g，加入0.5 mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在40 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入0.64g和0.26g绝缘磁粉，在600MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.171和0.071的磁环，磁环高度分别为1.2mm和0.5mm。
图6为本发明实施例5在1MHz-1 GHz的磁谱，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为600 Mpa。一般磁环的高度内径比为0.7，发现对体积分数为羰基铁粉5%的环氧树脂的样品，优化磁环高度至0.5 mm，磁环截止频率从40 MHz提高至大于200 MHz。其中1 MHz磁导率为16左右。
实施例6
一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，具体步骤如下：
(1) 称取5 g粒径范围在1-10微米的羰基铁粉；
(2) 称取体积分数为羰基铁粉5%的环氧树脂0.04g，加入0.5 mL丙酮溶液溶解，得到树脂溶液；然后将羰基铁粉加入树脂溶液中，在室温下，持续搅拌超声至溶液干燥制得绝缘磁粉，超声机功率为240 W，声波频率在40 kHz；
(3) 在内径和外径分别为7 mm和13 mm的模具中，加入0.7g和0.28g绝缘磁粉，在1273MPa下压制得高度内径比h/d分别为0.143和0.043的磁环， 磁环高度分别为1.0mm和0.3 mm。
图7为实施例6在1MHz-50MHz的磁谱，其中羰基铁粉颗粒大小为1-10微米，磁环成型压力为1273 Mpa。一般磁环的高度内径比为0.7，发现添加体积分数为羰基铁粉5%的环氧树脂样品，通过优化磁环高度至0.3 mm，磁环工作频率可以达到50 MHz，1MHz磁导率为24左右。
Claims (3)
1.一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，其特征在于工艺为：选取粒径范围1-10微米的羰基铁粉，加入环氧树脂溶液混合得绝缘磁粉，控制用量将绝缘磁粉压制成磁环高度内径比h/d为0.30-0.03的磁环，其中磁环成型压力为600-1273 Mpa。
2.根据权利要求1所述的一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，其特征在于：所述环氧树脂的用量为羰基铁粉体积分数的5-40%。
3.根据权利要求1或2所述的一种优化软磁Fe复合材料高截止频率磁环高度的方法，其特征在于：所述环氧树脂加入丙酮溶液溶解得到环氧树脂溶液，其中环氧树脂的加入量为0.1 g/mL；在室温下，将羰基铁粉加入环氧树脂溶液搅拌并超声至溶液干燥，制得绝缘磁粉，超声波频率在20-40 kHz。
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| CN113113224A (zh) * | 2021-04-14 | 2021-07-13 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种模压电感用软磁粉末的新型绝缘包覆方法 |
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