一种非晶复合磁粉芯的制备方法与流程

1.本发明涉及磁性材料技术领域，具体涉及一种具有磁导率高、损耗低、直流偏置性能优异的非晶复合磁粉芯的制备方法。


背景技术：

2.随着5g时代的到来，半导体技术的迅速发展对电子器件的小型化、高频化、高功率密度提出了更高的要求。然而，几乎没有软磁材料能够满足第三代宽禁带半导体的外源环境要求，这就进一步制约了下一代电子器件的发展。
3.软磁粉芯是由磁性颗粒、绝缘介质和随机分布的分散气隙组成的一种复合材料，其基本组成单元是经绝缘包覆的微细磁性颗粒，可有效隔绝颗粒间的涡流。同时，微细尺寸的磁性颗粒基体表面几乎不发生趋肤效应，高频稳定性良好，可广泛应用于开关电源、pfc电源、高频逆变器等电子元器件中。随着电子工业的发展，电子产品趋向微型化，因而对磁粉芯性能的要求也随之提高。非晶磁粉芯作为软磁粉芯家族中的一员，具有高电阻率、高磁导率、高品质因数、低损耗等综合的优良磁学性能。
4.为了提高非晶软磁粉芯的性能，降低高频损耗，需要在磁粉表面包覆高电阻率且附着性良好的绝缘层。专利cn1224899a公布了采用环氧树脂、酚醛树脂等有机物作为磁粉间的绝缘介质，但是有机物绝缘包覆过程中易出现包覆层不均匀、易团聚、结合力差等问题，而且由于这些有机绝缘剂耐热性差，限制了磁粉芯的热处理温度，导致磁粉芯性能较差。目前常采用无机材料作为绝缘包覆层，可以形成致密，均匀的包覆膜。以硝酸钝化为例，能够有效抑制高频涡流损耗并且提高电感器件的品质因数。但是，由于反应速率难以控制，绝缘层易于膨胀开裂，最终导致绝缘性变差。


技术实现要素：

5.针对上述技术现状，本发明提供一种非晶复合磁粉芯的制备方法，能够提高绝缘层与磁性粉末基体的结合力，提高电阻率与热稳定性，有效抑制涡流损耗，制得磁导率高、损耗低、直流偏置性能优异的非晶复合磁粉芯。
6.本发明提供的技术方案为：一种非晶复合磁粉芯的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将fe(no3)3、mg(no3)2、zn(no3)2、和fe(so4)2分析纯按照摩尔比4：1：1：2加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液；
8.将非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，搅拌均匀，得到表面改性的非晶磁粉；
9.取一定量的mgznfe2o4前驱体母液，将表面改性的非晶磁粉加入mgznfe2o4前驱体母液中，在水浴锅中加热到一定温度后，再逐滴加入沉淀剂氨水并搅拌，使前驱体母液中的金属离子在非晶磁粉表面发生共沉淀反应；
10.然后，将共沉淀反应获得的氢氧化物和非晶磁粉混合物洗涤、过滤后移入高温高压反应釜中，水热反应一定时间，获得复合非晶磁粉；
11.最后，将复合非晶磁粉洗涤、过滤、真空干燥后获得表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉；
12.(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与树脂分散液搅拌均匀，造粒并真空干燥后获得二次包覆的非晶复合磁粉；
13.(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉冷压成型、热处理后获得非晶复合磁粉芯。
14.作为优选，所述步骤(1)中，fe(no3)3、mg(no3)2、zn(no3)2、和fe(so4)2加入到去离子水后，fe(no3)3的摩尔体积浓度为0.04mol/1000ml。
15.作为优选，所述步骤(1)中，非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.005～0.5％。
16.作为优选，所述步骤(1)中，非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，在30～50℃下超声并搅拌10～30min。
17.作为优选，所述步骤(1)中，表面改性的非晶磁粉加入mgznfe2o4前驱体母液时，表面改性的非晶磁粉的质量体积浓度为20～40g/100ml。
18.作为优选，所述步骤(1)中，表面改性的非晶磁粉加入mgznfe2o4前驱体母液，在水浴锅中加热到一定温度后，再逐滴加入氨水并搅拌，共沉淀反应的过程中，搅拌反应在50～80℃下进行，反应时间优选为20～60min。
19.作为优选，所述步骤(1)中，表面改性的非晶磁粉加入mgznfe2o4前驱体母液，在水浴锅中加热到一定温度后，再逐滴加入氨水并搅拌反应的过程中，氨水的加入体积与mgznfe2o4前驱体母液的体积之比为1:20～9:20，当氨水的加入量小于该下限，包覆层mgznfe2o4物质生成过少，当氨水的加入量超出该上限，包覆层mgznfe2o4物质发生团聚。
20.作为优选，所述步骤(1)中，在高温高压反应釜中水热反应温度为100～200℃。
21.作为优选，所述步骤(1)中，在高温高压反应釜中水热反应时间为2～10h。
22.作为优选，所述步骤(1)中，复合非晶磁粉洗涤、过滤次数为3～5次。
23.作为优选，所述步骤(1)中，表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉在40～80℃真空干燥。
24.作为优选，所述步骤(2)中，树脂不限，包括环氧树脂、有机硅树脂、酚醛树脂中的一种或几种。
25.作为优选，所述步骤(2)中，非晶复合磁粉与树脂分散液的质量比为200:1～50:1。
26.作为优选，所述步骤(2)中，真空干燥温度为40～80℃。
27.作为优选，所述步骤(2)中，真空干燥时间为1h～2h。
28.作为优选，所述步骤(3)中，冷压成型的压力为1000～2200mpa。
29.作为优选，所述步骤(3)中，热处理温度为340～440℃。
30.作为优选，所述步骤(3)中，热处理时间为30～60min。
31.本发明将非晶磁粉表面进行改性后原位生成致密均匀的mgznfe2o4绝缘包覆层，然后采用树脂对该表面包覆mgznfe2o4的磁粉进一步进行二次绝缘包覆，形成双层绝缘包覆层mgznfe2o4@树脂，具有如下效果：
32.(1)经mgznfe2o4绝缘包覆后的非晶磁粉颗粒分散性良好，解决了有机物包覆过程中易团聚、包覆效果差的难题，从而能够大幅提高复合非晶磁粉的电阻率，有效降低磁粉芯损耗，同时又提高其直流偏置特性；
33.(2)本发明采用树脂进行二次绝缘包覆，在热处理过程中，即使有机绝缘材料受热分解，由于mgznfe2o4绝缘包覆层的存在，仍然能够对磁粉颗粒进行绝缘保护，因此有效避免了由于有机绝缘材料热稳定性低而引起的磁粉芯性能降低、高频损耗增加的问题；
34.(3)与在磁粉表面直接包覆树脂材料，以及在磁粉表面直接包覆无机氧化物与树脂材料的混合材料相比，本发明的二次绝缘包覆方法能够降低磁粉芯的损耗，同时提高其直流偏置特性与有效磁导率；
35.(4)本发明可以通过改变mgznfe2o4前驱体母液、沉淀剂氨水、非晶磁粉中的一种或者几种的量控制绝缘层mgznfe2o4厚度，从而实现不同厚度的绝缘包覆效果，进一步调控非晶复合磁粉芯性能，工艺简单，容易控制。
附图说明
36.图1(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4中一次绝缘包覆mgznfe2o4的非晶复合磁性粉末的微观形貌图。
37.图1(e)是本发明对比例1中一次包覆后的非晶粉末。
38.图1(f)是本发明对比例1中包覆树脂的非晶复合磁性粉末的微观形貌图。
39.图1(g)是本发明实施例1中二次包覆的非晶复合磁性粉末的微观形貌图。
40.图1(h)是本发明对比例2中直接包覆无机氧化物与树脂混合材料的非晶复合磁性粉末的微观形貌图。
41.图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2包覆层物质的xrd图谱。
42.图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2非晶复合粉末的xrd图谱。
具体实施方式
43.下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
44.实施例1：
45.本发明的一种非晶复合磁粉芯及其制备方法，该方法包括以下具体步骤：
46.(1)将0.02mol fe(no3)3、0.005mol mg(no3)2、0.005mol zn(no3)2、和0.01mol fe(so4)2分析纯加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液500ml。
47.将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.05％，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉。
48.取100ml所配制的mgznfe2o4前驱体母液，将上述制得的表面改性的非晶磁粉全部加入母液中，在水浴锅中加热到60℃后，再逐滴加入5ml氨水并搅拌，共沉淀反应60min。
49.将共沉淀反应获得的氢氧化物和非晶磁粉混合物洗涤、过滤3次，移入200℃高温高压反应釜中反应5h，所得复合非晶磁粉在70℃真空干燥箱干燥1h后获得表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉。
50.该非晶粉末表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉的微观形貌图如图1(a)所示，显示形成致密、均匀的mgznfe2o4包覆膜，并且经mgznfe2o4绝缘包覆后的磁粉颗粒分散性良
好。其中一次包覆层微观结构由图2(a)可知为mgznfe2o4特征结构。
51.(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得二次包覆的非晶复合磁粉，整体形貌如图1(g)所示，双层包覆层mgznfe2o4@树脂的存在使得非晶复合粉末结合更加致密，非常有利于粉芯冷压成型；该非晶复合磁粉的xrd如图3(a)所示，虽有包覆层mgznfe2o4物质生成，但由于生成量较少，非晶复合粉末为完全非晶结构。
52.(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
53.非晶复合磁粉芯性能检测：
[0054][0055]
实施例2：
[0056]
(1)将0.02mol fe(no3)3、0.005mol mg(no3)2、0.005mol zn(no3)2、和0.01mol fe(so4)2分析纯加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液500ml。
[0057]
将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.05％，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉。
[0058]
取100ml所配制的mgznfe2o4前驱体母液，将上述制得的表面改性的非晶磁粉全部加入母液中，在水浴锅中加热到60℃后，再逐滴加入10ml氨水并搅拌，共沉淀反应60min。
[0059]
将共沉淀反应获得的氢氧化物和非晶磁粉混合物洗涤、过滤3次，移入200℃高温高压反应釜中反应5h，所得复合非晶磁粉在70℃真空干燥箱干燥1h后获得表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉。
[0060]
该非晶粉末表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉的微观形貌图如图1(b)所示，显示形成明显的、均匀的片层mgznfe2o4包覆膜，并且经mgznfe2o4绝缘包覆后的磁粉颗粒分散性良好。其中一次包覆层微观结构由图2(b)可知为mgznfe2o4特征结构。
[0061]
(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得二次包覆的非晶复合磁粉；该非晶复合磁粉的xrd如图3(b)所示，与实施例1相同，有包覆层mgznfe2o4物质生成，生成量相对于实施例1较大，非晶复合粉末基本为完全非晶结构。
[0062]
(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
[0063]
非晶复合磁粉芯性能检测：
[0064][0065]
实施例3：
[0066]
(1)将0.02mol fe(no3)3、0.005mol mg(no3)2、0.005mol zn(no3)2、和0.01mol fe
(so4)2分析纯加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液500ml。
[0067]
将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.05％，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉；
[0068]
取100ml所配制的mgznfe2o4前驱体母液，将上述制得的表面改性的非晶磁粉全部加入母液中，在水浴锅中加热到60℃后，再逐滴加入25ml氨水并搅拌，共沉淀反应60min。
[0069]
将共沉淀反应获得的氢氧化物和非晶磁粉混合物洗涤、过滤3次，移入200℃高温高压反应釜中反应5h，所得复合非晶磁粉在70℃真空干燥箱干燥1h后获得表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉。
[0070]
该非晶粉末表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉的微观形貌图如图1(c)所示，显示形成明显的、均匀的颗粒状mgznfe2o4包覆层，经mgznfe2o4绝缘包覆后的磁粉颗粒分散性良好。其中一次包覆层微观结构由图2(c)可知为mgznfe2o4特征结构。
[0071]
(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得二次包覆的非晶复合磁粉；该非晶复合磁粉的xrd如图3(c)所示，与实施例2相同，有包覆层mgznfe2o4物质生成，生成量相对于实施例2较大，非晶复合粉末基本为完全非晶结构，且在35
°
附近有小的mgznfe2o4特征峰。
[0072]
(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
[0073]
非晶复合磁粉芯性能检测：
[0074][0075]
实施例4：
[0076]
(1)将0.02mol fe(no3)3、0.005mol mg(no3)2、0.005mol zn(no3)2、和0.01mol fe(so4)2分析纯加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液500ml；
[0077]
将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.05％，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉；
[0078]
取100ml所配制的mgznfe2o4前驱体母液，将上述制得的表面改性的非晶磁粉全部加入母液中，在水浴锅中加热到60℃后，再逐滴加入50ml氨水并搅拌，共沉淀反应60min。
[0079]
将共沉淀反应获得的氢氧化物和非晶磁粉混合物洗涤、过滤3次，移入200℃高温高压反应釜中反应5h，所得复合非晶磁粉在70℃真空干燥箱干燥1h后获得表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉。
[0080]
该非晶粉末表面一次包覆mgznfe2o4的非晶复合磁粉的微观形貌图如图1(d)所示，显示形成mgznfe2o4包覆层，微观结构xrd图谱与图2中实施例1、实施例2、实施例3均相同，但是mgznfe2o4颗粒明显团聚。
[0081]
(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得二次包覆的非晶复合磁粉。非晶复合磁粉的微观结构即xrd图谱与图3(e)所示的对比例2中的非晶复合磁粉的微观结构相同，由于有包覆层mgznfe2o4物质生成，生成量相对于实施例3较大，非晶复合粉末不完全为非晶结构，
在35
°
附近有明显的mgznfe2o4特征峰。
[0082]
(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
[0083]
非晶复合磁粉芯性能检测：
[0084][0085]
对比例1：
[0086]
(1)将0.02mol fe(no3)3、0.005mol mg(no3)2、0.005mol zn(no3)2、和0.01mol fe(so4)2分析纯加入到去离子水中搅拌均匀，获得mgznfe2o4前驱体母液500ml。
[0087]
将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，聚乙烯吡咯烷酮质量为非晶磁粉的0.05％，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉；
[0088]
取100ml所配制的mgznfe2o4前驱体母液，将上述制得的表面改性的非晶磁粉全部加入母液中，在水浴锅中加热到60℃。然后，将获得的混合物洗涤、过滤3次，移入200℃高温高压反应釜中反应5h，所得复合非晶磁粉在70℃真空干燥箱干燥1h后获得非晶复合磁粉。
[0089]
该非晶复合磁粉的微观形貌图如图1(e)所示，粉末表面无明显包覆层结构，比较光洁圆滑。
[0090]
(2)将步骤(1)得到的非晶复合磁粉与占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得包覆的非晶复合磁粉。由于没有沉淀剂的加入，无法形成mgznfe2o4包覆层，最终获得树脂包覆的非晶复合磁粉，形貌如图1(f)所示，粉末表面整体较为光滑。该非晶复合磁粉的xrd如图3(d)所示，为完全非晶结构，其表面物质的xrd图谱如图2(d)，显示无明显特征峰。
[0091]
(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
[0092]
非晶复合磁粉芯性能检测：
[0093][0094][0095]
对比例2：
[0096]
(1)将20g非晶磁粉加入聚乙烯吡咯烷酮的分散液中，在30℃下搅拌10min至均匀，得到表面改性的非晶磁粉。
[0097]
(2)将步骤(1)得到的非晶磁粉和镁锌铁氧体粉末同时加入占非晶粉末质量2％的环氧树脂的分散液中搅拌均匀，造粒并在50℃条件下真空干燥1h后获得包覆的非晶复合磁粉。其非晶复合磁粉微观形貌如图1(h)所示，粉末表面出现大量团聚颗粒且包覆层厚度较大，分布不均匀。包覆层微观结构由图2(e)可知为镁锌铁氧体特征结构。该非晶复合磁粉的xrd如图3(e)所示，在45
°
处存在满散射峰，且存在表面包覆物镁锌铁氧体明显特征峰。
[0098]
(3)将步骤(2)获得的非晶复合磁粉在压力为1800mpa条件下冷压成型，并在400℃
条件下真空热处理60min，获得非晶复合磁粉芯；该非晶复合磁粉芯性能如下表。
[0099]
非晶复合磁粉芯性能检测：
[0100][0101]
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。