CN115798856A - 软磁热电复合材料、无线充电构件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种软磁热电复合材料、无线充电构件及制备方法，该软磁热电复合材料包括：第一铁氧体层、第二铁氧体层和热电层；其中，所述第一铁氧体层为致密的铁氧体结构，所述第二铁氧体层复合在所述第一铁氧体层上，第二铁氧体层为具有多个孔隙的铁氧体结构，所述热电层复合在所述第二铁氧体层的上表面和各个所述孔隙的内表面。本申请达到了在交变磁场作用下可以极大的增强充电线圈的感应电流，提高器件的转化效率和电磁兼容性，同时在电流流过时，在热电层作用下形成吸热端和发热端，能够在充电过程中进行温度控制的目的。
Description
技术领域
本申请涉及热电材料技术领域，具体而言，涉及一种软磁热电复合材料、无线充电构件及制备方法。
背景技术
现有无线充电技术通过磁耦合进行电力传输的电磁感应或磁共振式方式，在磁场的高磁通作用下，会产生涡流效应引起局部发热异常，造成功率损耗加大，降低充电的效率以及引起安全隐患。因此相关技术在无线充电模组中加入热电材料来对温度进行控制。
热电材料作为一种通过内部载流子反复循环运动来实现热能和电能相互转换的新型材料，一方面可以利用太阳能、工业废热以及CPU散热等热能转换为电能，也可以通过电能利用珀耳帖效应进行制冷，制冷器件体积小、无机械运动部分、无液态、气态介质，控温精准、响应速度快、使用寿命长等优点。
材料的热电效率一般用热电优值ZT来评估，
，S为塞贝克系数(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率，k为导热系数，为了获得较高的热电优值，热电材料需要具备高的塞贝克系数，高的电导率和低的导热系数。
目前成熟的热电材料基本为合金半导体，如Bi-Te体系，Pb-Te体系，Si-Ge体系等，这些材料热电优值ZT都大于1，有较高的热电转化效率，但是在高温下状态不稳定，容易氧化不耐用，且对人体和环境不友好。
碳纳米材料性能稳定，具有独特的物理结构和电学特性，基于碳纳米复合材料的研究一直是前沿热点，但是由于碳具有优异的电导率也同时具有优异的导热性能，因此，热电优值较低，一直无法用于热电材料领域。
因此如何使应用在无线充电模组中的热电材料能够具备更高的热电值以及更适配于无线充电的环境中的本领域亟待解决的问题。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种软磁热电复合材料，以解决相关技术中热电材料不能很好的适配在无线充电环境中的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种软磁热电复合材料，该软磁热电复合材料包括：第一铁氧体层、第二铁氧体层和热电层；其中，
所述第一铁氧体层为致密的铁氧体结构，所述第二铁氧体层复合在所述第一铁氧体层上，第二铁氧体层为具有多个孔隙的铁氧体结构，所述热电层复合在所述第二铁氧体层的上表面和各个所述孔隙的内表面。
进一步的，第二铁氧体层的孔隙为通孔，所述孔隙的内表面完全覆盖有所述热电层。
根据本申请的另一方面，提供一种无线充电构件，包括上述的软磁热电复合材料，以及线圈；其中，
所述线圈设于所述第一铁氧体层背离所述第二铁氧体层的一端。
进一步的，线圈由在第一铁氧体层表面丝网印刷形成，或由利兹线形成。
根据本申请的另一方面，提供一种软磁热电复合材料的制备方法，用于制备上述的软磁热电复合材料，包括如下步骤：
将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，混合后的粉末经过预烧、破碎后，添加粘结剂和增塑剂，喷雾制粒后进行粉末压制形成具有一定形状的压坯；
对压坯采用二步烧结法，先低温烧结得到多孔隙铁氧体材料，再对至少两个压坯进行重叠组合并高温共烧，形成具有第一铁氧体层和第二铁氧体层的铁氧体材料；
在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层。
进一步的，在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层，具体为：
采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层表面及孔隙内，最终形成半导体材料的热电层。
进一步的，将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，具体为：
将纳米Mn3O4、ZnO和Fe2O3粉末按照（3-5）：（2-4）：（1-3）的比例进行配比混合；或，
将纳米MnO、ZnO和Fe2O3粉末按照（6-10）：（1-5）：（7-11）的比例进行配比混合。
进一步的，金属催化剂包括但不限于Fe、Co、Ni。
进一步的，热电材料包括但不限于Te、Sb。
根据本申请的另一方面，提供一种无线充电构件的制备方法，用于制备上述的无线充电构件，包括如下步骤：
将纳米Mn3O4、ZnO和Fe2O3粉末混合，混合后的粉末经过预烧、破碎后，添加粘结剂和增塑剂，喷雾制粒后进行粉末压制形成具有一定形状的压坯；
对压坯采用二步烧结法，先低温烧结得到多孔隙铁氧体材料，再对至少两个压坯进行重叠组合并高温共烧，形成具有第一铁氧体层和第二铁氧体层的铁氧体材料；
采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层；
在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端布置线圈。
进一步的，在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端布置线圈，具体为：
在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端通过丝网印刷或与利兹线组合成电感线圈。
在本申请实施例中，通过设置第一铁氧体层、第二铁氧体层和热电层；其中，第一铁氧体层为致密的铁氧体结构，第二铁氧体层复合在第一铁氧体层上，第二铁氧体层为具有多个孔隙的铁氧体结构，热电层复合在第二铁氧体层的上表面和各个孔隙的内表面，达到了利用第一铁氧体层和第二铁氧体层的磁性，在应用于无线充电模组中时，在交变磁场作用下可以极大的增强充电线圈的感应电流，提高器件的转化效率和电磁兼容性，同时在电流流过时，在热电层作用下形成吸热端和发热端，在吸热端布置充电线圈后能够在充电过程中进行温度控制，并且由于奈尔弛豫和布朗弛豫效应，外部的电磁能量一部分直接转化成热能，可以进一步提升热电材料的温度差值的目的，从而解决了相关技术中热电材料不能很好的适配在无线充电环境中的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的结构示意图；
其中，1第一铁氧体层，2第二铁氧体层，3孔隙，4热电层。
实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
现有无线充电技术通过磁耦合进行电力传输的电磁感应或磁共振式方式，在磁场的高磁通作用下，会产生涡流效应引起局部发热异常，造成功率损耗加大，降低充电的效率以及引起安全隐患。因此相关技术在无线充电模组中加入热电材料来对温度进行控制。目前成熟的热电材料为基本为合金半导体，如Bi-Te体系，Pb-Te体系，Si-Ge体系等，这些材料热电优值ZT都大于1，有较高的热电转化效率，但是在高温下状态不稳定，容易氧化不耐用。并且在无线充电环境中，该类型的热电材料只能起到温度控制的效果，对于充电的能量转化上没有提升。
为此，本申请提供一种热电材料，能够应用于无线充电环境中对无线充电模组进行温度控制，同时能够在无线充电环境中提高能量的转化率，以及更加适配于无线充电环境。具体的，本申请的主要构思为对磁性材料进行改性，合成热电材料，使得最终形成的复合材料具备磁性的同时能够以热电材料的特性进行温度控制。复合材料中的磁性部分，在外加磁场的电磁感应作用下，产生感应电流，电流经过热电材料，通过珀耳帖效应(Peltiereffect)在导体材料相对两侧产生温差，通过调整外加磁场强度可以对两侧的温度进行控制。由于热电材料较薄，附着在柔性基板上，形成具有薄片结构的热电材料模块进行应用。
具体的，如图1所示，本申请实施例提供了一种软磁热电复合材料，该软磁热电复合材料包括：第一铁氧体层1、第二铁氧体层2和热电层4；其中，
第一铁氧体层1为致密的铁氧体结构，第二铁氧体层2复合在第一铁氧体层1上，第二铁氧体层2为具有多个孔隙3的铁氧体结构，热电层4复合在第二铁氧体层2的上表面和各个孔隙3的内表面。
第二铁氧体层2的孔隙3为通孔，孔隙3的内表面完全覆盖有热电层4。
在本实施例中，该软磁热电复合材料主要由第一铁氧体层1、第二铁氧体层2和热电层4组成，第一铁氧体层1和第二铁氧体层2的构成材料相同，二者的区别在于第一铁氧体层1为致密的结构，而第二铁氧体层2为具有多个孔隙3的结构。第二铁氧体层2复合在第一铁氧体层1的上端面。热电层4由具有热电特性的材料形成，可采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层2表面及孔隙3内，最终形成半导体材料的热电层4；或，采用沉积法在第二铁氧体层2表面及孔隙3内形生长出二氧化碳纤维、纳米管或棒状材料，最终获得有碳元素掺杂修饰的热电层4。
本申请中的软磁热电复合材料为具有磁性和热电性能的复合材料，在电流经过热电层4时，在第一铁氧体层1的下端形成冷端，在热电层4的上端形成热端。在应用于无线充电模组中时，可将无线充电线圈布置在第一铁氧体层1的下端形成无线充电构件。无线充电模组采用磁耦合方式进行无线充电，在外加磁场作用下，该复合材料既可以作为磁芯增强感应电流，又可以通过电流在第一铁氧体层1的下端和热电层4的上端形成温差，冷端温度用于对无线充电过程中的涡流损耗异常发热进行控温，降低产品充电过程中的风险。
进一步的，当无线充电模组中采用该复合材料时，在交变磁场的作用下可以大大增强线圈中的感应电流，一方面提高器件的转化效率和电磁兼容性，另一方面可以大大缩小线圈的体积，满足器件的小型化需求，同时磁性材料由于奈尔弛豫和布朗弛豫效应，外部的电磁能量一部分直接转化成热能，可以进一步提升热电材料的温度差值。
在形成无线充电构件时，为了对整个模组的厚度进行控制，线圈由在第一铁氧体层1表面丝网印刷形成，或由利兹线形成。
根据本申请的另一方面，提供一种软磁热电复合材料的制备方法，用于制备上述的软磁热电复合材料，包括如下步骤：
将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，混合后的粉末经过预烧、破碎后，添加粘结剂和增塑剂，喷雾制粒后进行粉末压制形成具有一定形状的压坯；
对压坯采用二步烧结法，先低温烧结得到多孔隙铁氧体材料，再对至少两个压坯进行重叠组合并高温共烧，形成具有第一铁氧体层1和第二铁氧体层2的铁氧体材料；最终形成的铁氧体材料为双相材料，具体为顶部致密、底部多孔的铁氧体材料；
在第二铁氧体层2表面及孔隙3内形成热电层4，具体为：
采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层2表面及孔隙3内，最终形成半导体材料的热电层4。
在本实施例中，由于MnZn铁氧体具有高饱和磁感应强度（Bs）、高磁导率（μ）、高电阻率（ρ）、低损耗等特点，主要用于功率传输和转换，应用在各种高频小型化开关电源（AC-DC、DC-AC变换器）为代表的功率型电感器件中，用途十分广泛。但是一般MnZn铁氧体材料对温度有较强的依赖性，温度不同损耗也不同，因此在采用该类型的铁氧体作为复合材料中的磁性材料时需要对温度进行控制，保证器件具有较低的功率损耗，满足现在高速的无线充电需求。
为此，本申请中在MnZn铁氧体材料的基础上复合热电材料，利用热电材料的特性对铁氧体进行温度控制，同时还能够对充电线圈进行温度控制。
具体的，本申请中将多孔MnZn铁氧体附着在另一个MnZn铁氧体上，通过磁控溅射在多孔材料表面和沉积，或利用沉积生长纳米碳纤维管以及纳米碳纤维，使复合锰锌铁氧体材料在具有高的导电性能，也具有高的Seebeck系数和低的导热系数，最终获得高的热电优值的热电材料。
热电材料上进行丝网印刷或使用利兹线圈组装成具有高磁通感应的封装器件，在外加交变磁场作用下产生感应电流，电流经过热电材料后，对冷端温度进行控制，改善无线充电过程中涡流损耗导致的发热、温升的现象。
可在该软磁热电复合材料上进行丝网印刷或使用利兹线圈组装成具有高磁通感应的封装器件，在外加交变磁场作用下产生感应电流，电流经过热电材料后，对冷端温度进行控制，改善无线充电过程中涡流损耗导致的发热、温升的现象。并且，在无线充电外加磁场的耦合作用下，可以形成感应电流，进行电能传输，同时当感应电流经过热电材料，冷端吸收热量对无线充电过程中的涡流损耗发热达到制冷效果，降低无线充电过程中的功率损耗，尤其是热电材料在磁场的作用下，磁场可以对电子的轨迹进行影响，可以明显提高材料的热电效应。
进一步的，将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，具体为：
将纳米Mn3O4、ZnO和Fe2O3粉末按照5：4：3的比例进行配比混合；或，
将纳米MnO、ZnO和Fe2O3粉末按照10：5：11的比例进行配比混合。
金属催化剂包括但不限于Fe、Co、Ni，热电材料包括但不限于Te、Sb。
在上述实施例的基础上，本申请提供一种软磁热电复合材料的制备方法的具体实施例：
实施例1：纳米级Mn3O4、ZnO、Fe2O3粉末按照3:2:1比例配比混合；
湿混球磨：固液比1：1.5，在混合粉末中加入去离子水，经过2h球磨破损后，得到80-100目的物料并进行烘干；
预烧：将烘干后的混合粉末在870-900℃进行预烧，保温2.5h后，得到预烧物料料；
二次球磨：二次球磨过程中，除预烧物料外，需加入添加剂（按照预烧的混合粉末质量的0.01-0.04wt%的CuO、Nb2O5、TiO2等混合物）。添加剂的加入有利于降低产品的烧结温度、细化晶粒尺寸，并提高产品烧结后的强度等。
对于添加剂的混合物，采用预混工艺，先放入部分预烧物料、添加剂和部分溶剂，球磨0.5-1h后，再把剩余预烧物料和溶剂全部加入，这样有利于添加剂在物料中的分散均匀性，最后按照预烧物料的10wt%和11.5wt%加入成型剂混合物以及0.01-0.03%的油酸和硬脂酸锌等润滑剂，得到两种收缩比的混合粉料；
球磨后的混合粉料经喷雾制粒后，得到待成型的软磁粉；
采用模压机，通过压制模具，压制成不同形状的压坯，其中一种类型的压坯压制密度3.0±0.05g/cm3，另一种类型的压坯压制密度3.4±0.05g/cm3。两种类型压坯的外径尺寸相同。
烧结：烧结采用可控气氛钟罩炉，控制烧结过程中的气氛，采用二步法烧结。第一步，两种类型的压坯采用低温1195℃，氧分压2±0.3%，保温时间2h，再以1.5-2.5℃的速率降温，氧分压控制在0.05-0.1%，得到具有一定强度的压坯，收缩后还未达到致密化；
第二步，采用1340℃，氧分压4.5±0.3%，保温时间6h，再以1.5-2.5℃的速率降温，氧分压控制在0.02-0.04%，得到具有一定强度的压坯，收缩后还未达到致密化，烧结后的产品由于粉料配比和烧结温度较低呈多孔状；
第三步，将两种类型的压坯通过重叠摆放，在高温1340℃，氧含量3±0.3%条件下，保温6h，由于两种类型的压坯最后同步收缩、低熔点金属和晶粒在接触面熔渗，结合成一体，形成一端孔隙5-6μm，厚度0.1±0.05mm的厚度，另外一端具有高致密性的铁氧体产品（即形成具有第一铁氧体层和第二铁氧体层的复合磁性铁氧体产品）。
通过磁控溅射，在多孔隙铁氧体一端（第二铁氧体层2的上端），以纯度不低于99.999%的Sb和Bi作为靶材，磁控溅射功率5-8w,真空度3*10-4-6*10-4Torr，保护气氛为氮气，在第二铁氧体层2表面形成热点层薄膜，薄膜厚度控制在150-200μm，在第二铁氧体层2的孔隙3内形成热电层4，最终得到具有软磁性能的热电材料。
在另一种实施例中：
实施例2：在上述实施例的工艺基础上，调整了混合粉末的材料和配比、孔隙的尺寸、厚度以及磁控溅射制得的薄膜厚度。
具体的，在本实施例中，采用纳米级MnO、ZnO、Fe2O3粉末按照6:1:7比例配比；
制得的第二铁氧体层中，孔隙尺寸3-4μm，孔隙层厚度0.15±0.05mm；
磁控溅射制得的热电层薄膜厚度100-150μm。
在又一种实施例中：
实施例3：
本实施例中的制作工艺与实施例2基本相同，区别在于：
一步烧结后，在两种类型的压坯之间添加0.1wt%的CuO，进行二步烧结，接触位置形成CuO结合层；
磁控溅射制得的薄膜厚度150-200μm。
在还一种实施例中：
实施例4：
本实施例中的制作工艺与实施例3基本相同，区别在于：
一步烧结后，在两种类型的压坯之间添加0.3wt%的CuO，进行二步烧结，接触位置形成CuO结合层。
针对上述4个实施例中形成的软磁热电复合材料进行性能测试，测试结果如下：
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种软磁热电复合材料，其特征在于，包括：第一铁氧体层、第二铁氧体层和热电层；其中，
所述第一铁氧体层为致密的铁氧体结构，所述第二铁氧体层复合在所述第一铁氧体层上，第二铁氧体层为具有多个孔隙的铁氧体结构，所述热电层复合在所述第二铁氧体层的上表面和各个所述孔隙的内表面。
2.根据权利要求1所述的软磁热电复合材料，其特征在于：所述第二铁氧体层的孔隙为通孔，所述孔隙的内表面完全覆盖有所述热电层。
3.一种软磁热电复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至2任一项所述的软磁热电复合材料，包括如下步骤：
将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，混合后的粉末经过预烧、破碎后，添加粘结剂和增塑剂，喷雾制粒后进行粉末压制形成具有一定形状的压坯；
对压坯采用二步烧结法，先低温烧结得到多孔隙铁氧体材料，再对至少两个压坯进行重叠组合并高温共烧，形成具有第一铁氧体层和第二铁氧体层的铁氧体材料；
在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层。
4.根据权利要求3所述的软磁热电复合材料的制备方法，其特征在于，所述在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层，具体为：
采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层表面及孔隙内，最终形成半导体材料的热电层。
5.根据权利要求4所述的软磁热电复合材料的制备方法，其特征在于，所述将锰的氧化物、ZnO和Fe2O3粉末混合，具体为：
将纳米Mn3O4、ZnO和Fe2O3粉末按照（3-5）：（2-4）：（1-3）的比例进行配比混合；或，
将纳米MnO、ZnO和Fe2O3粉末按照（6-10）：（1-5）：（7-11）的比例进行配比混合。
6.根据权利要求4所述的软磁热电复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属催化剂包括但不限于Fe、Co、Ni；
所述热电材料包括但不限于Te、Sb。
7.一种无线充电构件，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的软磁热电复合材料，以及线圈；其中，
所述线圈设于所述第一铁氧体层背离所述第二铁氧体层的一端。
8.根据权利要求7所述的无线充电构件，其特征在于，所述线圈由在第一铁氧体层表面丝网印刷形成，或由利兹线形成。
9.一种无线充电构件的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求7所述的无线充电构件，包括如下步骤：
将纳米Mn3O4、ZnO和Fe2O3粉末混合，混合后的粉末经过预烧、破碎后，添加粘结剂和增塑剂，喷雾制粒后进行粉末压制形成具有一定形状的压坯；
对压坯采用二步烧结法，先低温烧结得到多孔隙铁氧体材料，再对至少两个压坯进行重叠组合并高温共烧，形成具有第一铁氧体层和第二铁氧体层的铁氧体材料；
采用磁控溅射，利用金属催化剂将热电材料沉积在第二铁氧体层表面及孔隙内形成热电层；
在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端布置线圈。
10.根据权利要求9所述的无线充电构件的制备方法，其特征在于，所述在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端布置线圈，具体为：
在第一铁氧体背离第二铁氧体的一端通过丝网印刷或与利兹线组合成电感线圈。
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