CN115985673A - 一种金属软磁粉末的高效绝缘包覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属软磁粉末的高效绝缘包覆方法，属于软磁材料制备技术领域。将金属软磁粉末和聚合物加入到有机溶剂中，再进行造粒，获得表面包覆的金属软磁复合粉末；聚合物为硅烷聚合物、氮烷聚合物、硅氧烷聚合物或硅氮烷聚合物；然后压合成型，再加热固化，得到金属软磁复合材料，即实现金属软磁粉末的绝缘包覆。该方法将包覆、造粒、成型的工艺简化为造粒与包覆同步进行，并在退火过程中生成陶瓷包覆层；在性能方面，包裹于颗粒表面的陶瓷包覆层降低了金属软磁颗粒间的涡流损耗，得到低损耗的软磁复合材料；致密的陶瓷包覆层与填充于磁粉空隙处的包覆材料增加了软磁复合材料的防腐蚀效果；树脂与陶瓷包覆层的共同作用增强了磁心的机械强度。

Description

一种金属软磁粉末的高效绝缘包覆方法

技术领域

本发明涉及软磁材料制备技术领域，更具体地，涉及一种金属软磁粉末的高效绝缘包覆方法，尤其涉及一种金属磁粉心及其制备方法与应用。

背景技术

金属软磁复合材料(SMC)主要是由金属软磁颗粒、绝缘包覆层与粘结剂混合，以模压的形式制备而成；目前常规的软磁复合材料制备流程包括金属软磁粉末绝缘包覆、树脂混合造粒、压合成型、固化退火等过程。具体而言，金属软磁颗粒表面的绝缘包覆层可实现颗粒间的绝缘，从而降低金属磁粉心的颗粒间涡流损耗；因此绝缘包覆工艺是SMC高频应用的前提，绝缘包覆层性能的优劣决定了其高频磁性能。

目前常用的绝缘包覆层主要分为有机包覆层、无机包覆层等。有机包覆层主要以环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等热固性材料为主。有机包覆方式具有较好的包裹性能，同时有机树脂能填充颗粒间空隙实现较好的粘接性能，但其在高温时容易裂解失效，因此有机包覆方式极大的限制了退火工艺的参数范围。

无机绝缘包覆是目前研究较为广泛的包覆技术，无机包覆主要以磷酸盐改性、金属氧化物包覆、以及非金属氧化物包覆等方式为主。无机包覆层具有高电阻率、高耐温性等优点；但其存在与金属磁粉结合力不强、力学性能匹配性差等不足，在压制成型的过程中，无机包覆层容易破裂脱落，从而导致包覆层失效。

发明内容

本申请提供一种软磁复合材料高效绝缘包覆方法，本方法将聚合物前驱体与黏合剂通过混合造粒工艺包裹于金属软磁粉末表面，在去应力退火过程中，前驱体在软磁复合材料中实现交联与陶瓷化，生成陶瓷包覆层。本发明制备的陶瓷包覆层可以有效解决包覆膜层破裂脱落的问题，另一方面也可解决有机树脂包覆无法耐高温的问题。

根据本发明第一方面，提供了一种金属软磁粉末的绝缘包覆方法，包括以下步骤：

(1)将金属软磁粉末和聚合物加入到有机溶剂中，然后进行造粒，获得表面包覆的金属软磁复合粉末；

所述聚合物为硅氮烷聚合物、硅烷聚合物、硅氧烷聚合物或硅碳烷聚合物；

(2)将步骤(1)得到的金属软磁复合粉末压合成型，获得金属软磁复合材料生坯；将所述生坯加热固化后，得到金属软磁复合材料，即实现金属软磁粉末的绝缘包覆。

优选地，所述硅氮烷聚合物为聚硅氮烷、聚氮硅烷或聚硼硅氮烷；所述硅烷聚合物为聚硅烷；所述硅氧烷聚合物为聚硅氧烷或聚硼硅氧烷；所述硅碳烷聚合物为聚碳硅烷。

优选地，所述金属软磁粉末为羰基铁粉、Fe-Ni-Mo合金粉、Fe-Ni合金粉、Fe-Co合金粉、Fe-Si合金粉、Fe-Si-Al合金粉、Fe-Si-Cr合金粉、Fe基非晶合金粉末、Ni基非晶合金粉末、Co基非晶合金粉末和Fe基纳米晶粉末中的至少一种。

优选地，所述加热固化的温度为150℃～1400℃。

优选地，所述加热固化的气氛为氮气、氦气、氩气、氨气或空气。

优选地，造粒之前，还包括向有机溶剂中加入黏合剂。

优选地，所述黏合剂为有机树脂；

优选地，所述有机树脂为环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂中的至少一种。

优选地，步骤(2)中，将步骤(1)得到的金属软磁复合粉末压合成环状。

根据本发明另一方面，提供了任意一项绝缘包覆方法得到的金属软磁复合材料。

根据本发明另一方面，提供了所述的金属软磁复合材料用于一体成型电感或软磁复合磁心的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明提供了一种高效的软磁复合材料制备方法，发明人首次利用聚合物前驱体包裹金属软磁粉末，并在高温下交联-陶瓷化产生复合包覆层；该方法结合无机包覆与有机树脂包覆的优势，采用压制成型后生成绝缘包覆层的方式，简化了传统软磁复合材料的制备工艺，将传统的绝缘包覆与树脂混合造粒两步工艺简化为一步；避免因无机绝缘包覆后压制成型可能导致的包覆膜层破裂问题，另一方面也避免了有机树脂包覆无法耐高温的问题。简化工艺流程有益于企业降低成本并降低排放污染。

(2)本发明提供了一种兼顾包覆与孔隙填充的软磁复合材料微观结构，且该结构对软磁复合材料的应用性能提供了有益支撑；聚合物前驱体作为包覆材料均匀分散于树脂粘合剂中，并在造粒过程中包裹于金属软磁粉末表面，在压合成型后均匀填充于磁粉空隙中；在固化退火过程中，树脂与聚合物交联使生坯固化成型；随着退火温度升高，聚合物先交联后陶瓷化，在磁粉表面与空隙处生成陶瓷包覆层。该方法将包覆、造粒、成型的工艺进一步简化为造粒与包覆同步进行，并在退火过程中进一步生成陶瓷包覆层；在性能方面，包裹于颗粒表面的陶瓷包覆层降低了金属软磁颗粒间的涡流损耗，得到了低损耗的软磁复合材料；致密的陶瓷包覆层与填充于磁粉空隙处的包覆材料增加了软磁复合材料的防腐蚀效果；树脂与陶瓷包覆层的共同作用增强了磁心的机械强度。

(3)本发明制备得到的软磁复合材料在多种功能方面产生了综合优化的结果；由于包覆层采用先包裹后高温陶瓷化的方式制备，本方法获得的包覆层完整致密，因此具备较低损耗特性，在100kHz/100mT的条件下，其损耗为674.2mW/cm³；由于制备得到的软磁复合材料包覆层主要为非晶陶瓷相，且能较好的填充于粉末空隙，因此本方法制备得到的软磁复合材料具备较好的耐腐蚀特性，其在饱和氯化钠溶液中达到稳态之后，腐蚀电流为1.4412×10^-6A/cm²，包覆层对金属软磁颗粒的保护效率达到83.17％；由于陶瓷相与树脂都具备包覆层与粘结剂的功能，在外力作用时二者协同作用，因此具备更好的机械强度，以磁环为样品，其径向压溃强度为28.69MPa。本发明制备的绝缘包覆较其他方案存在不同，无机包覆物不仅包覆金属磁粉，同时可以较好的填充于金属磁粉颗粒的间隙，以获得更好的防腐蚀效果和机械强度。

(4)本发明优选地，加热固化的气氛为氮气、氦气、氩气、氨气或空气。在氮气、氩气与氦气条件下的产物主要为SiC和Si₃N₄，在氨气条件下主要的产物为Si₃N₄、在空气条件下的产物主要为Si-O-N-C。

附图说明

图1是本发明包覆处理后金属磁粉的SEM图。

图2是本发明的原粉、包覆后的复合粉以及包覆层的XRD图谱。

图3是本发明制备的磁心与其他方法制备的磁心防腐蚀性能对比图。

图4是本发明制备的磁心与其他方法制备的磁心应力应变曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明一种金属软磁粉末的绝缘包覆方法，包括以下步骤：

(1)将金属软磁粉末和聚合物加入到有机溶剂中(丙酮、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯或二氯甲苯)，然后进行造粒，待有机溶剂挥发后，获得表面包覆的金属软磁复合粉末；

所述聚合物为硅氮烷聚合物、氮烷聚合物、硅氧烷聚合物或硅碳烷聚合物，所述有机溶剂在25℃时的饱和蒸汽压小于35kPa；

(2)将步骤(1)得到的金属软磁复合粉末压合成型，获得金属软磁复合材料生坯；将上述生坯加热固化与退火，实现聚合物前驱体的交联与陶瓷化，得到绝缘包覆的软磁复合材料，即实现金属软磁粉末的绝缘包覆。

一些实施例中，造粒之前，还可以向有机溶剂中加入黏合剂；黏合剂占金属软磁粉末质量的0.3％～10％。

一些实施例中，聚合物占有机溶剂质量的2％～30％。

一些实施例中，聚合物占金属软磁粉末质量的0.2％～10％。

一些实施例中，压制压力为300MPa～2500MPa。

以下为具体实施例

实施例1

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe-Ni-Mo(MPP)合金软磁粉末，将4g聚氮硅烷、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在Ar气氛、550℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例2

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe-Co合金软磁粉末，将1g聚碳硅烷、0.5g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在Ar气氛、550℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例3

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g MPP合金软磁粉末，将0.5g聚氮硅烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在Ar气氛、550℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例4

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe-Si-Al合金软磁粉末，将0.5g聚氮硅烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在NH₃气氛、600℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例5

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe-Si-Cr合金软磁粉末，将0.5g聚氮硅烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在N₂气氛、1000℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例6

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g羰基铁合金软磁粉末，将0.5g聚氮硅烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在600MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在空气气氛，200℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例7

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g铁基非晶合金软磁粉末，将0.5g聚硅氮烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在600MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在空气气氛，400℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例8

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe基纳米晶合金软磁粉末，将0.5g聚硅烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在空气气氛，450℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例9

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Fe-Si软磁粉末，将0.5g聚硼硅氮烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在空气气氛，800℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

实施例10

该实施例提供了一种上述金属磁粉心的制作方法，其包括以下步骤：

(1)称取100g Co基非晶合金软磁粉末，将0.5g聚硼硅氧烷、1g有机硅树脂、20ml丙酮溶剂混合溶液加入粉末中，充分搅拌，待溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到MPP合金粉末造粒料，粒径区间为40目～200目。

(2)将上述造粒粉置于模具中，在1800MPa下压制得到软磁复合磁粉心。

(3)将模压成型的磁心在空气气氛，400℃下退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

对比例1

(1)称取金属软磁粉末100g，向上述金属软磁粉末中加入磷酸0.6g，乙醇13ml，将上述混合体系65℃反应至乙醇完全挥发。

(2)取有机硅树脂1.5g，丙酮20ml混合，加入上述粉末100g造粒，待有机溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到软磁复合粉末，粒径区间为40目～200目。

(3)将上述造粒粉置于模具中，调节设备压力为1800MPa，压制得到软磁复合磁粉心。

(4)将模压成型的电感置于550℃氩气退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

对比例2

(1)称取金属软磁粉末100g，采用粉末原子层沉积法制备氧化铝包覆层10nm。

(2)取有机硅树脂1.5g，丙酮20ml混合，加入上述粉末100g造粒，待有机溶剂挥发完全后过40目与200目筛，得到软磁复合粉末，粒径区间为40目～200目。

(3)将上述造粒粉置于模具中，调节设备压力为1800MPa，压制得到软磁复合磁粉心。

(4)将模压成型的电感置于550℃氩气退火1小时，即可得到上述需求的高导热软磁复合材料。

本发明制备的金属软磁复合材料包覆效果如图1所示，金属磁粉表面存在一层致密包覆物，该包覆物的成分主要为Si与N。本发明实施例3所制备的包覆层的XRD图谱如图2所示，从包覆层XRD结果可以看出，其为明显的非晶相，因此从上述结果可知，包覆层材料为非晶无机相。本方法获得的磁心动态磁性能如表1所示，本发明制备得到的磁心相较于其他包覆方法制备的对比例而言，具有更低的损耗，由对比例1、对比例2、实施例3可知，通过本发明制备的软磁复合材料在保持有效磁导率与偏置性能的前提下，损耗降低约11.45％(400kHz@100mT)，这表明本发明制备得到软磁复合材料具有较好的绝缘包覆效果；另外从实施例1、5、7的动态磁性能结果可以看出其基本都具有较好的软磁性能。本发明制备得到磁心的防腐蚀效果如图3所示，相较于对比例而言，本发明制备得到的磁心在饱和氯化钠溶液中具有更低的腐蚀电流，其在饱和氯化钠溶液中达到稳态之后，腐蚀电流为1.4412×10^{- 6}A/cm²，包覆层对金属软磁颗粒的保护效率达到83.17％，表明其具有较好的耐腐蚀特性。本发明制备得到的磁心的径向压溃强度如图4所示，相较于对比例而言，本发明制备得到的磁心的径向压溃强度为28.69MPa，且较对比例更高，可满足实际应用需求。

表1不同方法制备磁心的动态磁性能

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将金属软磁粉末和聚合物加入到有机溶剂中，然后进行造粒，获得表面包覆的金属软磁复合粉末；

所述聚合物为硅氮烷聚合物、硅烷聚合物、硅氧烷聚合物或硅碳烷聚合物；

(2)将步骤(1)得到的金属软磁复合粉末压合成型，获得金属软磁复合材料生坯；将所述生坯加热固化后，得到金属软磁复合材料，即实现金属软磁粉末的绝缘包覆。

2.如权利要求1所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，所述硅氮烷聚合物为聚硅氮烷、聚氮硅烷或聚硼硅氮烷；所述硅烷聚合物为聚硅烷；所述硅氧烷聚合物为聚硅氧烷或聚硼硅氧烷；所述硅碳烷聚合物为聚碳硅烷。

3.如权利要求1或2所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，所述金属软磁粉末为羰基铁粉、Fe-Ni-Mo合金粉、Fe-Ni合金粉、Fe-Co合金粉、Fe-Si合金粉、Fe-Si-Al合金粉、Fe-Si-Cr合金粉、Fe基非晶合金粉末、Ni基非晶合金粉末、Co基非晶合金粉末和Fe基纳米晶粉末中的至少一种。

4.如权利要求1或2所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，所述加热固化的温度为150℃～1400℃。

5.如权利要求1或2所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，所述加热固化的气氛为氮气、氦气、氩气、氨气或空气。

6.如权利要求1或2所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，造粒之前，还包括向有机溶剂中加入黏合剂。

7.如权利要求6所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，所述黏合剂为有机树脂；

优选地，所述有机树脂为环氧树脂、有机硅树脂和酚醛树脂中的至少一种。

8.如权利要求1或2所述的金属软磁粉末的绝缘包覆方法，其特征在于，步骤(2)中，将步骤(1)得到的金属软磁复合粉末压合成环状。

9.如权利要求1-8任意一项绝缘包覆方法得到的金属软磁复合材料。

10.如权利要求9所述的金属软磁复合材料用于一体成型电感或软磁复合磁心的应用。

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