一种注塑成型粘结铁氧体磁体及其制备方法、混合磁路结构与流程

本发明涉及磁性功能复合材料，尤其涉及一种注塑成型粘结铁氧体磁体及其制备方法、混合磁路结构。

背景技术：

1、粘结铁氧体永磁体因其成本低廉、形状自由度大、可一体注塑成型复杂磁路结构等优势，在微型步进电机、无刷直流电机转子、传感器磁环等领域得到了广泛应用。传统粘结铁氧体磁体通常以锶铁氧体（srfe12o19）或钡铁氧体（bafe12o19）粉末为磁性填料，以尼龙6（pa6）、尼龙12（pa12）或聚苯硫醚（pps）等热塑性聚合物为粘结基体，通过注射成型工艺制备。在此类体系中，磁性填料的填充比例通常需达到88~94wt%才能获得满足使用要求的磁性能。然而，如此高的无机填料含量带来了一系列技术难题：（1）熔体流动性差，成型困难。（2）磁体力学性能不足。（3）磁性能提升空间受限。（4）导热性能差。（5）铁氧体磁粉本征性能不足。

2、近年来，碳纳米管（cnt）作为一种一维纳米材料，如单壁碳纳米管（swcnt），以其超高的长径比、优异的力学性能（拉伸强度10~60gpa，弹性模量约1tpa）、良好的导电导热性能（单根swcnt热导率可达3500w/(m·k)）而备受关注。现有技术中在聚合物复合材料中添加少量cnt即可显著提升材料的力学强度、导电率和热导率。然而，将cnt直接引入高填充铁氧体/聚合物体系面临重大挑战：cnt在聚合物熔体中极易团聚，难以均匀分散，且cnt与铁氧体颗粒之间缺乏有效的界面相互作用，无法形成协同增强的复合结构。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种注塑成型粘结铁氧体磁体及其制备方法、混合磁路结构。本发明通过对α-fe2o3的粒径限定，在预烧阶段实现了对铁氧体晶粒形貌、尺寸分布和磁晶各向异性的精准调控，兼顾了高矫顽力和高剩磁，结合功能化金属型单壁碳纳米管，形成铁氧体/swcnt复合结构单元，制得的注塑成型粘结铁氧体磁体能够与稀土永磁体协同使用，在磁力线稀疏区域替代稀土磁体。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种注塑成型粘结铁氧体磁体的制备方法，包括以下步骤：

4、将α-fe2o3和无机化合物添加剂依次进行混合和预烧，得到铁氧体磁粉，所述α-fe2o3的粒径为10nm~200μm；

5、将所述铁氧体磁粉与硅烷偶联剂混合进行表面预处理，得到表面活化的铁氧体磁粉；

6、提供功能化金属型单壁碳纳米管分散液；所述功能化金属型单壁碳纳米管分散液中功能化金属型单壁碳纳米管为官能团活化处理和表面活性剂处理的金属型单壁碳纳米管；

7、将所述表面活化的铁氧体磁粉加入功能化金属型单壁碳纳米管分散液中进行液相复合反应，得到铁氧体@swcnt复合粉末；

8、将所述铁氧体@swcnt复合粉末与热塑性聚合物粘结基体依次进行共混造粒、注塑成型和充磁，得到所述注塑成型粘结铁氧体磁体。

9、优选地，所述α-fe2o3包括以下质量份数的组分：纳米级α-fe2o35~20质量份，亚微米级α-fe2o350~80质量份，微米级α-fe2o310~30质量份，所述纳米级α-fe2o3的粒径为10~500nm，所述亚微米级α-fe2o3的粒径为0.5~10μm，所述微米级α-fe2o3的粒径为10~200μm。

10、优选地，所述无机化合物添加剂包括srco3、baco3、la2o3、co2o3、co3o4和助熔剂中的一种或多种。

11、优选地，所述预烧的温度为1100~1320℃，时间为1~4h。

12、优选地，所述官能团活化处理使用的官能团包括氨基、羧基和酯基中的一种或多种。

13、优选地，以表面活化的铁氧体磁粉、功能化金属型单壁碳纳米管和热塑性聚合物粘结基体为原料计，所述原料包括以下质量百分数的组分：表面活化的铁氧体磁粉80~93%，功能化金属型单壁碳纳米管0.05~3%和热塑性聚合物粘结基体6.95~17%。

14、优选地，所述原料还包括加工助剂，所述原料中加工助剂的质量百分数为0~2%且不为0。

15、优选地，所述液相复合反应的温度为20~80℃，时间为0.5~4h。

16、本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制得的注塑成型粘结铁氧体磁体，包括功能化金属型单壁碳纳米管和铁氧体磁粉颗粒，所述功能化金属型单壁碳纳米管以包覆于铁氧体磁粉颗粒表面形成核壳包覆层和/或以贯穿于铁氧体磁粉颗粒之间的网络状分布形态存在；所述铁氧体磁粉颗粒的晶粒具有双峰粒径分布，所述铁氧体磁粉颗粒包括小晶粒和大晶粒，所述小晶粒的粒径为0.5~2μm，所述大晶粒的粒径为3~10μm。

17、本发明还提供了一种混合磁路结构，包括上述技术方案所述的注塑成型粘结铁氧体磁体和稀土永磁体。

18、本发明提供了一种注塑成型粘结铁氧体磁体的制备方法，包括以下步骤：将α-fe2o3和无机化合物添加剂依次进行混合和预烧，得到铁氧体磁粉，所述α-fe2o3的粒径为10nm~200μm；将所述铁氧体磁粉与硅烷偶联剂混合进行表面预处理，得到表面活化的铁氧体磁粉；提供功能化金属型单壁碳纳米管分散液；所述功能化金属型单壁碳纳米管分散液中功能化金属型单壁碳纳米管为官能团活化处理和表面活性剂处理的金属型单壁碳纳米管；将所述表面活化的铁氧体磁粉加入功能化金属型单壁碳纳米管分散液中进行液相复合反应，得到铁氧体@swcnt复合粉末；将所述铁氧体@swcnt复合粉末与热塑性聚合物粘结基体依次进行共混造粒、注塑成型和充磁，得到所述注塑成型粘结铁氧体磁体。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

20、本发明的核心创新包括三个递进层次：

21、（一）铁氧体磁粉的原料级性能调控。采用多形貌、多粒径分布的α-fe2o3为前驱体，配合无机化合物添加剂，在预烧阶段实现了对铁氧体晶粒形貌、尺寸分布和磁晶各向异性的精准调控。多粒径前驱体的混合设计在预烧后形成了晶粒尺寸双峰分布，兼顾了高矫顽力和高剩磁。

22、（二）功能化金属型swcnt的结构化界面构建。将功能化金属型swcnt与表面活化的铁氧体磁粉在液相复合反应中预先构建结构化的复合界面，形成铁氧体/swcnt复合结构单元，与传统直接机械混合法相比，该方法的优势在于：

23、功能化swcnt均匀分散：液相介质中功能化swcnt被充分解团聚，随后通过与表面活化的铁氧体磁粉的定向界面相互作用实现纳米级均匀锚定，避免了后续熔融共混中的重新团聚；

24、协同增强效应：功能化swcnt在铁氧体磁粉-聚合物界面处形成纳米级应力传递层，通过裂纹桥联和拔出机制耗散断裂能量，显著提升力学性能；功能化swcnt在颗粒间的连续导热网络为声子传输提供高效通道，提升热导率；

25、加工流动性改善：功能化swcnt包覆层起到固体润滑剂作用，降低高填充熔体在注塑成型过程中的颗粒间摩擦阻力和熔体黏度。

26、（三）混合磁路降本应用。本发明所得低成本注塑成型粘结铁氧体磁体能够与高成本稀土永磁体（如烧结ndfeb、smco）在电机磁路中协同使用。在磁力线密集的工作气隙区域使用高性能稀土永磁体，在磁力线稀疏的磁极边缘、漏磁区域及辅助磁路部位使用本发明注塑成型粘结铁氧体磁体。以一台典型100kw永磁同步驱动电机为例，采用该混合磁路方案后，稀土永磁体用量可减少20%~35%，磁体总材料成本降低25%~40%，而电机整体性能（转矩密度、效率）下降不超过3%。

27、实施例的数据表明：

28、注塑成型粘结铁氧体磁体的内禀矫顽力hcj相比传统单粒径前驱体制备的磁粉提高15%~80%（取决于掺杂体系）；

29、注塑成型粘结铁氧体磁体的抗弯强度相比未添加功能化swcnt的同等填充量铁氧体/聚合物磁体提高30~120%；

30、注塑成型粘结铁氧体磁体的冲击强度提高40~300%；

31、注射成型过程中熔体流动指数（mfi）提高15~80%；

32、注塑成型粘结铁氧体磁体的剩磁（br）保持率≥95%，磁能积（bhmax）保持率≥92%；

33、注塑成型粘结铁氧体磁体的热导率提高10~200%；

34、注塑成型粘结铁氧体磁体在150℃/1000h热老化后的力学性能保持率≥85%；

35、混合磁路方案中稀土永磁体用量减少20%~35%，总磁体材料成本降低25%~40%。

36、本发明还提供了上述技术方案所述的注塑成型粘结铁氧体磁体的制备方法，本发明的制备方法操作简单，适于实现工业化应用。