一种软磁复合材料及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于磁性材料技术领域，涉及一种软磁复合材料，尤其涉及一种软磁复合材料及其制备方法与应用。


背景技术：

2.为了适应新兴的无线充电、智能穿戴设备朝着小型化和集成化方向的发展趋势，软磁复合材料作为电子设备的重要基础材料，同时也是电磁转换材料，市场对软磁复合材料的性能提出越来越高的要求，例如需满足高饱和磁化强度、低损耗和较高的直流叠加特性等。
3.软磁复合材料是通过粉末冶金的方法，将磁粉与绝缘剂混合，并经过压制和退火工艺制备而成。软磁材料中的损耗由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗组成。当频率较低时，材料中的磁滞损耗占主导地位；随着频率的上升，材料中的涡流损耗的占比不断增大。通常情况下，磁滞损耗与频率成正比，而涡流损耗与频率的平方成正比。因此，当材料用于高频时，降低材料中的涡流损耗至关重要。软磁复合材料中的涡流损耗包括颗粒内部的涡流损耗和颗粒间的涡流损耗。将软磁粉体进行绝缘处理，可以有效降低材料颗粒间的涡流损耗，进而减小软磁材料的能量损耗，达到节能的目的。
4.wangjian等人发表了题为performance improvement of fe-6.5si soft magnetic composites with hybrid phosphate-silica insulation coatings的文章，所述文章中采用溶胶凝胶法在fe-6.5si表面包覆磷酸-二氧化硅绝缘层，作者强调高耐热的二氧化硅绝缘层是为了保护和避免内层磷酸绝缘层的分解和结晶，但是这种实验流程较为繁琐，不易实现工业化生产。
5.cn 112185640a公开了一种硅酸钠包覆磁粉芯的方法，所述方法以醇醚磷酸酯作为硅酸钠的分散剂，以木质素磺酸盐作为金属磁性粉末的分散剂，将分散后的硅酸钠溶液与分散后的金属磁性粉末混合包覆，干燥后添加粘接剂和润滑剂后模压成型，最后高温退火处理得到硅酸钠包覆磁粉芯。所述发明制备的材料磁芯损耗为242-267mw/cm3(50khz 100mt)，直流偏置性能为29.5％-36.4％，可见所述发明制备的材料磁芯损耗较大，直流偏置较低，导致其应用领域较窄，无法满足材料低损耗和较高直流叠加特性的要求。
6.由此可见，如何提供一种软磁复合材料及其制备方法，增大软磁复合材料的电阻率，降低颗粒间的涡流损耗，满足材料低损耗和较高直流叠加特性的要求，同时简化工艺流程，降低生产成本，从而拓宽其应用领域，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种软磁复合材料及其制备方法与应用，所述制备方法增大了软磁复合材料的电阻率，降低了颗粒间的涡流损耗，满足了材料低损耗和较高直流叠加特性的要求，同时简化了工艺流程，降低了生产成本，从而拓宽
了其应用领域。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种软磁复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
10.(1)混合软磁粉体和钝化液，搅拌均匀并干燥，得到钝化粉体；
11.(2)混合包覆液和步骤(1)所得钝化粉体，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；
12.(3)混合润滑剂和步骤(2)所得包覆粉体，搅拌均匀并研磨，压制成环后热处理，得到软磁复合材料。
13.本发明通过对软磁粉体的表面进行钝化处理，在磁粉表面生成一层钝化膜，降低了金属的化学活性，之后对其进行包覆处理，避免了后续高温退火过程中钝化膜的分解和结晶，同时起到了胶结和填充空隙的作用，提高了材料的强度。本发明对软磁粉体进行绝缘处理后再压制成型，有效降低了材料颗粒间的涡流损耗，进而减小了软磁材料的能量损耗，达到了节能的目的。
14.优选地，步骤(1)所述软磁粉体包括铁硅合金粉、铁镍合金粉、铁硅铝合金粉或铁硅铬合金粉中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括铁硅合金粉与铁镍合金粉的组合，铁镍合金粉与铁硅铝合金粉的组合，铁硅铝合金粉与铁硅铬合金粉的组合，铁硅合金粉、铁镍合金粉与铁硅铝合金粉的组合，或铁镍合金粉、铁硅铝合金粉与铁硅铬合金粉的组合。
15.优选地，步骤(1)所述软磁粉体的颗粒形状为球形。
16.优选地，步骤(1)所述钝化液中的溶质包括磷酸、硼酸、正铬酸盐、硝酸锰或钼酸钠中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括磷酸与硼酸的组合，硼酸与正铬酸盐的组合，正铬酸盐与硝酸锰的组合，硝酸锰与钼酸钠的组合，磷酸、硼酸与正铬酸盐的组合，硼酸、正铬酸盐与硝酸锰的组合，或正铬酸盐、硝酸锰与钼酸钠的组合。
17.优选地，步骤(1)所述钝化液中的溶质占软磁粉体质量的0.1％-2％，例如可以是0.1％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.2％、1.4％、1.6％、1.8％或2％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.优选地，步骤(1)所述干燥的温度为40-80℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.优选地，步骤(1)所述干燥的时间为20-40min，例如可以是20min、22min、24min、26min、28min、30min、32min、34min、36min、38min或40min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.优选地，步骤(2)所述包覆液中的溶质包括硅酸钠、硅酸钾、氧化铝或硅树脂中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括硅酸钠与硅酸钾的组合，硅酸钾与氧化铝的组合，氧化铝与硅树脂的组合，硅酸钠、硅酸钾与氧化铝的组合，硅酸钾、氧化铝与硅树脂的组合，或硅酸钠、硅酸钾、氧化铝与硅树脂的组合。
21.优选地，步骤(2)所述包覆液中的溶质占钝化粉体质量的0.1％-6％，例如可以是0.1％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％或6％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
22.优选地，步骤(3)所述润滑剂包括硬脂酸锌。
23.优选地，步骤(3)所述润滑剂占包覆粉体质量的0.3％-0.5％，例如可以是0.3％、0.32％、0.34％、0.36％、0.38％、0.4％、0.42％、0.44％、0.46％、0.48％或0.5％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
24.优选地，步骤(3)所述压制的温度为20-30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
25.优选地，步骤(3)所述压制的施加压力为1500-2500mpa，例如可以是1500mpa、1600mpa、1700mpa、1800mpa、1900mpa、2000mpa、2100mpa、2200mpa、2300mpa、2400mpa或2500mpa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.优选地，步骤(3)所述热处理在氮气气氛、氦气气氛或氩气气氛中进行。
27.优选地，步骤(3)所述热处理的温度为500-850℃，例如可以是500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃或850℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
28.优选地，步骤(3)所述热处理的时间为30-400min，例如可以是30min、50min、100min、150min、200min、250min、300min、350min或400min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
29.作为本发明第一方面优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
30.(1)混合软磁粉体和钝化液，搅拌均匀并在40-80℃下干燥20-40min，得到钝化粉体；所述软磁粉体包括铁硅合金粉、铁镍合金粉、铁硅铝合金粉或铁硅铬合金粉中的任意一种或至少两种的组合，且颗粒形状为球形；所述钝化液中的溶质包括磷酸、硼酸、正铬酸盐、硝酸锰或钼酸钠中的任意一种或至少两种的组合，且溶质占软磁粉体质量的0.1％-2％；
31.(2)混合包覆液和步骤(1)所得钝化粉体，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；所述包覆液中的溶质包括硅酸钠、硅酸钾、氧化铝或硅树脂中的任意一种或至少两种的组合，且溶质占钝化粉体质量的0.1％-6％；
32.(3)混合硬脂酸锌和步骤(2)所得包覆粉体，且硬脂酸锌占包覆粉体质量的0.3％-0.5％，搅拌均匀并研磨，在20-30℃，1500-2500mpa下压制成环后于500-850℃下热处理30-400min，得到软磁复合材料；所述热处理在氮气气氛、氦气气氛或氩气气氛中进行。
33.第二方面，本发明提供一种采用如第一方面所述制备方法制备得到的软磁复合材料。
34.第三方面，本发明提供一种如第二方面所述软磁复合材料在开关电源、电动机磁芯、充电器磁芯或变压器磁芯中的应用。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
36.(1)本发明通过对软磁粉体的表面进行钝化处理，在磁粉表面生成一层钝化膜，降低了金属的化学活性，之后对其进行包覆处理，避免了后续高温退火过程中钝化膜的分解和结晶，同时起到了胶结和填充空隙的作用，提高了材料的强度；
37.(2)本发明对软磁粉体进行绝缘处理后再压制成型，有效降低了材料颗粒间的涡流损耗，进而减小了软磁材料的能量损耗，达到了节能的目的，且在50mt、100khz条件下的总损耗降至106kw/m3以下，当叠加电流为10a时，直流叠加特性高达90.3％以上，品质因数
高达288以上，满足了材料低损耗、较高直流叠加特性和高品质因数的要求；
38.(3)本发明提供的制备方法工艺流程简单，操作方便，成本低廉，生产效率高，且绿色环保，适用于工业上大规模生产应用。
具体实施方式
39.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
40.实施例1
41.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
42.(1)将100g颗粒形状为球形的铁硅合金粉加入磷酸钝化液中，且钝化液中的磷酸占铁硅合金粉质量的0.1％，搅拌均匀后置于干燥箱中，在60℃下干燥30min，得到钝化粉体；
43.(2)将步骤(1)所得钝化粉体加入硅酸钾和硅树脂的混合包覆液中，且包覆液中的溶质占钝化粉体质量的6％，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；
44.(3)混合硬脂酸锌和步骤(2)所得包覆粉体，且硬脂酸锌占包覆粉体质量的0.5％，搅拌均匀并研磨，在25℃，1500mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氮气气氛中500℃下热处理400min，得到软磁复合材料。
45.实施例2
46.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
47.(1)将100g颗粒形状为球形的铁镍合金粉加入磷酸和铬酸钠的混合钝化液中，且钝化液中的溶质占铁镍合金粉质量的1％，搅拌均匀后置于干燥箱中，在40℃下干燥40min，得到钝化粉体；
48.(2)将步骤(1)所得钝化粉体加入硅酸钾包覆液中，且包覆液中的硅酸钾占钝化粉体质量的3％，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；
49.(3)混合硬脂酸锌和步骤(2)所得包覆粉体，且硬脂酸锌占包覆粉体质量的0.4％，搅拌均匀并研磨，在20℃，2500mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氦气气氛中700℃下热处理200min，得到软磁复合材料。
50.实施例3
51.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
52.(1)将100g颗粒形状为球形的铁硅铝合金粉加入磷酸和硼酸的混合钝化液中，且钝化液中的溶质占铁硅铝合金粉质量的2％，搅拌均匀后置于干燥箱中，在80℃下干燥20min，得到钝化粉体；
53.(2)将步骤(1)所得钝化粉体加入硅酸钠包覆液中，且包覆液中的硅酸钠占钝化粉体质量的0.1％，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；
54.(3)混合硬脂酸锌和步骤(2)所得包覆粉体，且硬脂酸锌占包覆粉体质量的0.3％，搅拌均匀并研磨，在30℃，2000mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氩气气氛中850℃下热处理30min，得到软磁复合材料。
55.实施例4
56.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法中除了将步骤(1)钝化液中的磷酸质量改为铁硅合金粉质量的3％，其余条件均与实施例1相同，故在此不做赘述。
57.实施例5
58.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法中除了将步骤(2)包覆液中的硅酸钾质量改为铁镍合金粉质量的7％，其余条件均与实施例2相同，故在此不做赘述。
59.实施例6
60.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法中除了将步骤(3)中硬脂酸锌的质量改为铁硅铝合金粉质量的0.2％，其余条件均与实施例3相同，故在此不做赘述。
61.实施例7
62.本实施例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法中除了将步骤(3)中硬脂酸锌的质量改为铁硅铝合金粉质量的0.6％，其余条件均与实施例3相同，故在此不做赘述。
63.对比例1
64.本对比例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
65.(1)将100g颗粒形状为球形的铁硅合金粉加入磷酸钝化液中，且钝化液中的磷酸占铁硅合金粉质量的0.1％，搅拌均匀后置于干燥箱中，在60℃下干燥30min，得到钝化粉体；
66.(2)混合硬脂酸锌和步骤(1)所得钝化粉体，且硬脂酸锌占钝化粉体质量的0.5％，搅拌均匀并研磨，在25℃，1500mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氮气气氛中500℃下热处理400min，得到软磁复合材料。
67.对比例2
68.本对比例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
69.(1)将100g颗粒形状为球形的铁硅合金粉加入硅酸钾和硅树脂的混合包覆液中，且包覆液中的溶质占铁硅合金粉质量的6％，搅拌均匀并干燥，得到包覆粉体；
70.(2)混合硬脂酸锌和步骤(1)所得包覆粉体，且硬脂酸锌占包覆粉体质量的0.5％，搅拌均匀并研磨，在25℃，1500mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氮气气氛中500℃下热处理400min，得到软磁复合材料。
71.对比例3
72.本对比例提供一种软磁复合材料及其制备方法，所述制备方法具体为：混合硬脂酸锌和100g颗粒形状为球形的铁硅合金粉，且硬脂酸锌占铁硅合金粉质量的0.5％，搅拌均匀并研磨，在25℃，1500mpa下压制成环(26.9mm od
×
14.7mm id
×
11.2mm tall)，为消除压制过程中产生的内应力，将所得压环在氮气气氛中500℃下热处理400min，得到软磁复合材料。
73.将实施例1-7与对比例1-3所得软磁复合材料进行一系列性能测试，初级线圈和次级线圈各40匝，利用lcr测试仪测量产品的品质因数，并在叠加电流为10a条件下，利用lcr测试仪进行电感测试及电感叠加测试，测量产品的直流叠加特性，利用交流b-h仪在50mt、100khz条件下测量产品的总损耗，所得测量结果见表1。
74.表1
75.软磁复合材料品质因数总损耗(kw/m3)直流叠加特性实施例128810490.5实施例229010690.6实施例328910590.3实施例428810390.7实施例528810290.8实施例629010690.3实施例728810490.3对比例122032080.0对比例221250075.1对比例320680060.9
76.由表1可知：实施例1-7所得软磁复合材料满足了低损耗、较高直流叠加特性和高品质因数的要求，且在50mt、100khz条件下的总损耗降至106kw/m3以下，当叠加电流为10a时，直流叠加特性高达90.3％以上，品质因数高达288以上；相较于实施例1，由于对比例1并未对粉体进行包覆处理，导致后续高温退火过程中钝化膜发生分解和结晶，品质因数和直流叠加特性明显降低，总损耗升高；对比例2并未对粉体进行钝化处理，导致金属的化学活性较高，也会降低材料的品质因数和直流叠加特性；对比例3直接对粉体进行压制成环，并无钝化处理和包覆处理，品质因数和直流叠加特性显著降低，且总损耗明显升高。
77.由此可见，本发明通过对软磁粉体的表面进行钝化处理，在磁粉表面生成一层钝化膜，降低了金属的化学活性，之后对其进行包覆处理，避免了后续高温退火过程中钝化膜的分解和结晶，同时起到了胶结和填充空隙的作用，提高了材料的强度；本发明对软磁粉体进行绝缘处理后再压制成型，有效降低了材料颗粒间的涡流损耗，进而减小了软磁材料的能量损耗，达到了节能的目的，且在50mt、100khz条件下的总损耗降至106kw/m3以下，当叠加电流为10a时，直流叠加特性高达90.3％以上，品质因数高达288以上，满足了材料低损耗、较高直流叠加特性和高品质因数的要求；此外，本发明提供的制备方法工艺流程简单，操作方便，成本低廉，生产效率高，且绿色环保，适用于工业上大规模生产应用。
78.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。