高建波 201320115256 界面对软磁性能的影响及研究

1、界面对磁粉芯性能的影响及研究 高建波 201320115256 （华南理工大学 材料科学与工程学院 广州 510640）摘 要：磁粉芯是一种软磁材料，易于磁化，也易于退磁，具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，广泛用于电工设备和电子设备中。磁粉芯主要包括铁粉芯、铁硅铝磁粉芯、高通量磁粉芯、钼坡莫磁粉芯，本文介绍了影响磁粉芯材料制备因素，重点阐述颗粒形貌、颗粒粒度和表面积、绝缘包覆等对界面的影响，通过改善材料的界面性能，进而改善磁粉芯材料性能。关键词：界面 形貌 粒度 绝缘包覆Abstract：Soft magnetic material are those materials that are e

2、asily magnetised and demagnetised，with low intrinsic coercivity and high permeability，are widely used in electrical equipment and electronic equipment. iron cores，Sendust core，High flux core and MPP core are included，the factors affected the preparation of magnetic powder core were introduced，the in

3、fluence of particle morphology, particle size ，surface area and insulating coating were mainly described。With the interfacial properties of soft magnetic powder core improved ,magnetic properties of powder core couid also improved.Key words：interface ， morphology ， particle size ， insulated coating1

4、、 前言: 磁粉芯是将铁磁性粉末与绝缘介质混合压制而成的一种复合软磁材料。不同于合金软磁材料，磁粉芯的颗粒之间是通过绝缘剂相互粘接在一起的，其表面是所以其机械强度较低1，可以通过二次压制来提高磁粉芯的密度，提高磁导率和机械强度。在铁磁性粉末颗粒的表面均匀包覆着一层绝缘介质膜，提高磁粉芯的电阻率，降低在高频下的涡流损耗2，适合于较高频率应用(20kHz以上)。此外，磁粉芯还具有较高的饱和磁感应强度、良好的频率特性和恒导磁等优点，使得磁粉芯作为电感滤波器、扼流线圈广泛应用于电子通讯、雷达、电源开关等领域，已经成为软磁材料重要的组成部分。磁粉芯软磁材料的性能决定其不同的用途，磁粉芯软磁材料的生产过程

5、直接影响其最终的性能，影响在生产和制备中，很多因素会对其性能产生影响，例如材料粉末的制备方法，材料粉末的微观形貌，材料的粒度大小，绝缘包覆，压制成型过程，热处理，后序处理等这些都会影响材料的最终性能，在本文中将重点阐述不同的工艺过程，材料的制备方式，材料的粒度大小，绝缘包覆等，形成不同的界面，通过改善材料的界面性能，改善材料最终的磁学性能。2、 影响软磁性能的因素： 图1影响磁粉芯性能的因素3 影响磁粉芯性能的因素，包括粉末的制备、形貌和粒度，绝缘包覆，压制成型，热处理等多种因素，会对磁粉芯的磁导率、高频特性、饱和磁化强度、矫顽力等产生影响，在本论文中主要介绍表面与界面对磁粉芯性能的影响，在磁

6、粉芯的生产工艺过程中粉末的制备，形貌和粒度，绝缘包覆会对磁粉芯材料的界面表面产生很大的影响，从而影响磁粉芯材料的性能。粉末制备的方法不同，粉末的表面形貌不一样，产生的粉末颗粒有球形和棱角的颗粒，在后续的包覆过程中会对其产生很大的影响，在压制成型时，还会发生挤压包覆膜，降低材料的磁性能。采用包覆，可以使得磁粉芯粉末颗粒之间不发生直接接触，形成界面，不同的包覆剂形成的界面不一样，对材料的性能影响也不一样，例外表面呈圆形的颗粒，其最终的磁性能会优于其他的形状的材料。压制成型过程压制成型是将绝缘包覆好的粉末压制成各种形状的磁粉芯。一般来说，压力越大，磁粉芯的密度越高，磁粉芯的磁导率也越高。但增大压力，

7、对粉芯密度的提高是有极限的，压力过大也会导致绝缘层破裂，使得原本是包覆颗粒的界面接触变成粉芯颗粒的直接接触，从而降低绝缘效果，降低磁粉芯材料的磁性能。热处理也是影响材料的的一个重要的工艺步骤，其与界面的联系主要在于热处理能够消除压制过程中产生的应力，使得材料的表面应力降低，获得更加稳定的性能。 改善材料的表面或者界面，不论是粉末的制备、颗粒的大小、绝缘包覆、压制成型、热处理都对材料的界面改善起到一定的作用，使得材料获得更好的磁学性能。3、 界面对软磁性能的影响：31 粉末的制备方法及微观结构目前已报道的磁粉芯粉末的制备方法主要有雾化法和薄带球磨法。雾化法又分为水雾化和气雾化，主要用于制备非晶磁

8、粉芯；薄带球磨法是指将单辊甩带得到的非晶薄带或晶化(脆化)处理后的薄带粗破碎，用高能球磨的方法进行机械研磨得到所需粒度和形状的粉末，主要用于制备纳米晶磁粉芯。不同制备方法所得粉末的形貌、粒度及微观结构不同，在当颗粒在接触时，其界面的不同对其材料的性能产生很大的影响，球形颗粒与球形颗粒接触，颗粒间以点接触的方式，导致电阻率很大，从而保证材料的高频性能良好，微观结构不同，在构成时，也会对界面产生影响，例如不同的结构，在晶界处会形成各种缺陷，也会影响材料的性能，并且多种因素结合，进而会综合影响磁粉芯的磁性能。 汪俊琴等4对比研究了高纯氮气雾化和水雾化的Fe-Ni-Mo粉末颗粒对磁粉芯磁性能的影响。结

9、果表明，气雾化粉末颗粒呈球形，表面光滑，易于被绝缘剂良好均匀地包覆，涡流损耗小，品质因数Q高；而水雾化粉末则呈不规则形状，颗粒表面凹凸不平，虽压制性好但不易包覆，绝缘性差，故其品质因数Q很低。表面的形貌不一样在颗粒接触时，接触点的面积不一样，从而影响材料的磁性能，此外，研究还发现，雾化粉颗粒内有孔洞缺陷，由于原始粉末中存在大量的晶界和内部缺陷，造成结构极不均匀，从而形成复杂的磁畴结构，而要获得好的软磁性能。应尽量消除阻碍磁化的因素，因此在压制前要对粉末进行退火，进行热处理的过程中，消除材料在压制时颗粒表面形成的应力，以及晶界处的缺陷，目的在于以达到软化粉末、提高粉末纯度、改善粉末内部结构的效果

10、，从而改善磁粉芯的软磁性能。Moon B等5研究了高能球磨对纳米晶软磁粉芯软磁性能的影响，发现粉芯的相对密度随着球磨时间的延长呈先增后降的规律。密度的增加主要是由于在球磨初期粉末边缘被平滑化，其表面的形貌发生变化，颗粒的接触界面和原来不同，继续延长球磨时间随着粉末破碎。具有尖锐边缘的粉末粒子又重新出现，因而密度下降。在较粗的片状粉末中，磁导率主要受粉芯密度的影响，而当粉末较细时，则粉末粒度分布的影响占主要地位。因此对于较粗的粉末，磁导率随球磨时间的变化规律与粉芯密度随球磨时间的变化规律一致，而较细的粉末则由于退磁因子大，磁导率在粉芯密度达到最大值之前就已经达到最大值。除了影响磁导率外，球磨还对

11、粉末的矫顽力产生重要影响。粉末的矫顽力主要受残余应力和退磁场的影响。球磨过程中，粉末发生塑性变形，在材料的颗粒表面上会形成应力，晶界面上的应力作用，阻碍磁畴的转动，并且在粉末内部产生位错等结构缺陷，这些缺陷钉扎磁畴运动，从而使矫顽力增加。32粉末的形貌及粒度分布 粉末的形貌及粒度会影响磁粉芯的密度、包覆与压制效果，从而影响磁粉芯的磁性能。李晋尧等6以Ni-Fe合金磁粉芯为研究对象，研究了粉末的物理性能形状、粒度及粒度组成对粉芯磁性能的影响，如图2所示。 粉末粒度 图2粉末形状、粒度与Q值的关系曲线(50kHz)由图2可知，片状粉末Q值最高，不规则形粉Q值最低；粉末粒度增大，Q值减小。在测试条件

12、下，涡流损耗是主要的，可以根据涡流损耗公式进行解释： 式中：n是常数，t是涡流损耗的路径长度即片状粉末的厚度或者球形粉的直径，是测试频率，B一是最大磁感应强度，p是材料的电阻。片状粉在压制中处于最稳定状态，即与压制面平行，这样在垂直于磁通方向，片状粉的厚度要小于球形粉，因此涡流损耗小，片状粉末Q值最高；而不规则形粉难于包覆，粉末表面的尖角容易破坏绝缘层，从而降低绝缘效果，涡流损耗较大，Q值最低。而随着粉末粒度的增大，涡流损耗增加，因此Q值减小。耗增加，因此Q值减小。 磁粉芯的磁导率与粉芯的密度和粉末粒度有关。粉末越细，表面越多，阻碍作用越强，流动性越差，在压制过程中越容易搭桥，从而造成粉芯生坯

13、密度的降低，可以认为颗粒间距增大，因而磁导率降低。片状粉和不规则粉与球形粉相比，在压制时接触面积要更大一些，也更容易压制，粉芯密度较大，因此可以通过粗细粉末配比，使大颗粒与大颗粒的接粗，变成小颗粒与大颗粒接触，小颗粒与小颗粒接触，保证接触充分，来提高粉芯的致密度，从而提高其磁导率，并且可以通过调整粉末粒径分布来调整粉芯的Q，从而得到适合不同场合应用的磁粉芯。陈建波等7铁粉粒径大小对复合磁粉芯交流和直流磁性能的影响中选用3种市售不同粒径的铁粉作为研究对象,在颗粒表面上包覆0.5%(质量分数)的高温硅树脂,。在粉末压制成型过程中,粉末颗粒将发生变形和转动,直至颗粒之间形成良好的结合,最后达到致密化

14、。一般情况下,在一定的尺寸范围内,粉末颗粒越大,压制过程更易于致密化,更容易获得较高的密度。对于磁粉芯而言,仅从提高密度考虑,适宜选用颗粒较大的铁粉作为原料。铁粉粒径越大,复合磁粉芯的涡流损耗越大,而且随着测量频率增大随指数增加趋势越明显。复合磁粉芯磁滞损耗随着颗粒尺寸增加而减小。涡流损耗变化原因在于,当铁粉颗粒完全包覆硅树脂之后,颗粒之间基本绝缘,颗粒之间的涡流损耗很小,在交流情况下,涡流损耗主要来自颗粒内部。单个颗粒越大,颗粒内部涡流损耗将越大。而复合磁粉芯的磁滞损耗随粒径增加而增加,可能原因是由于压制过程产生的内应力随着粒径增加而增加,从而导致磁粉芯矫顽力增加。选择合适粒径的铁粉制备复合

15、磁粉芯,可以在获得高密度的同时获得较低的磁损耗。综上实验结果表明,在平均粒径为120 m 的铁粉颗粒表面包覆0.5%(质量分数)的硅树脂可以获得具有高密度和良好软磁性能的复合软磁材料,在大功率使用条件下,获得的较好软磁性能参数为Ps(B=1 T,f=400 Hz)=69 W/kg,B (H=4 000 A/m)=0.96 T。33绝缘包覆材料和用量 早期的铁硅铝磁粉芯由于工作频率比较低, 只对磁导率要求较高而对损耗要求不高, 随着铁硅铝磁粉芯应用的工作频率越来越高,降低高频损耗就成了突出问题,因此粉末绝缘包覆工序成为影响软磁性能的关键工序。粉末的绝缘包覆，使得原来磁粉芯颗粒的直接接触，由粉芯的

16、界面变成绝缘剂与粉芯颗粒界面，以及绝缘剂与绝缘剂的界面，此工序中将合金粉末颗粒包覆起来, 减少颗粒接触, 增加电阻, 阻隔粉芯之间的涡流, 从而降低粉芯的涡流损耗使交流性能得到进一步改善; 另一方面能使粉末在压制和随后的热处理工序中起到提高压坯密度和机械强度的作用。绝缘包覆工序质量的好坏首先是绝缘粘结剂的选择, 绝缘粘结剂按其组分的作用分为钝化剂、主绝缘剂、粘结剂、耦联剂和润滑剂8。 绝缘包覆作为磁粉芯制备过程中一个重要的环节。包覆的好坏直接影响到磁粉芯频率特性等软磁性能。包覆剂大体可以分为有机包覆刺和无机包覆剂。目前比较常用的包覆剂是有机热固型，已报道的包括环氧树脂、聚酰胺树脂、硅树脂、聚乙

17、烯醇等9。由于有机包覆荆的熔点较低，所以采用这些包覆剂的磁粉芯不能进行高温热处理来充分消除内应力，因此又出现了无机包覆剂，如焊接用玻璃、氧化物层等10,11,12。上述包覆剂都是无磁性物质，它们的加入会导致粉芯磁导率和磁通密度的下降。日本的Yamada等13就开发了一种新的包覆剂，用化学镀的方法在雾化的Fe-Si粉末表面成功包覆了一层NiZn铁氧体，结果表明这种方法包覆的磁粉芯的磁导率和磁通密度高于传统树脂包覆的磁粉芯。陈玉兰等14在绝缘粘结剂对铁硅铝磁粉芯软磁性能的影响一文中，利用水玻璃为粘结剂的绝缘粘结剂与硅酮树脂为粘结剂的绝缘粘结剂，探究对铁硅铝磁粉芯的磁导率、损耗、品质因数的影响规律及

18、机理在铁硅铝合金粉末配比一定的情况下,对合金粉末的处理好坏很大程度上影响铁硅铝磁粉芯的性能。这也说明在大规模生产中绝缘剂的选择及其添加量的多少是决定铁硅铝磁粉芯软磁性能好坏的关键。(1)从综合软磁性能考虑,在绝缘粘结剂的添加量为2.5wt% 的情况下,硅酮树脂绝缘粘结剂比水玻璃绝缘粘结剂具有更高的磁导率,更低的磁滞损耗Ph 和涡流损耗Pe ,以及更高的品质因数Q 。(2)铁硅铝磁粉芯在采用硅酮树脂绝缘粘结剂下比水玻璃绝缘粘结剂的形貌更好,致密化程度高,材料内部存在较少的疏松、孔隙等组织缺陷。绝缘粘结剂的选择会对磁粉芯材料的界面产生不同的影响，不同的绝缘粘接剂会形成不同的界面， 赵水生等15深入

19、研究了绝缘剂用量对Fe-Si-Al磁粉芯综合磁性能的影响。结果表明，绝缘剂用量控制在2以内，粉芯有较高的磁导率，可达130左右；当用量增加到3时，样品频率特性较好，具有良好的综合性能。这是由于绝缘剂用量较少时磁性粉末之间接触良好，因而磁导率较高；随绝缘剂用量的增加，粉末颗粒被表面的绝缘层分隔开，磁导率有所下降，涡流损耗则由于电阻的增加而明显降低。绝缘剂用量过多时，绝缘层会过厚，导致磁导率继续降低，但对品质因数的改善效果没有太大变化。34绝缘包覆的方式 常见的绝缘包覆工艺分为3类：(1)先用铬酸盐或磷酸盐钝化后，再加水玻璃包覆，然后加入高岭土和滑石粉搅拌均匀，称为AMC法，而用水玻璃加高岭土法烧

20、干后加滑石粉称为MC法；(2)直接用树脂包覆称为RC法；(3)化学包覆法，即把经过活化处理的磁粉加入到具有弱酸性的溶液如磷酸盐和铬酸盐中，前者称为PSiC法，后者称为CSiC法。以AMC法为基准，MC和CSiC的包覆效果最好，其中CSiC可以使电感提高80，Q值提高225。化学包覆法最大的缺点就是对溶液的pH值要求较高，相对于RC、MC等方法工序略为复杂。包覆剂的含量也会对磁粉芯的性能产生影响。 李爱坤等16利用溶胶-凝胶法制备Si02包覆铁基软磁复合粉末，溶胶凝胶法制备壳核结构软磁复合材料足通过控制TEOS的水解,让晶Si02在铁磁颗粒粉末表面形成完成包覆,然而,铁磁粉末具有极件,对非极性的

21、TEOS亲和力差。为了提提二者的亲和性,首先要通过使用ApTES对铁磁粉末进行表面改性。阁5-1所示为范原理示意图,APTES的极性氨基能作用于铁磁粉末表面,末端非极性的烷氧基与TEOS中烷氧基的结构类似,能促使APTES与TKOS反应,这样不仅能提高TEOS对铁磁粉末的亲和性,同时还对有利余Si02网络连续均匀地在铁磁粉末表面形成。 随着TEOS的水解,Si02凝胶网络均匀的在铁磁颗粒表面形成。湿凝胶内包裹着大量溶剂和水,需要对凝胶进行干燥,由于干燥过程中会有一定的体积收缩,容易引起幵裂,故干燥温度不宜过高。铁磁颗粒表面包覆的Si02凝胶中会有大量的气孔,且TEOS和APTES在常温下未能水

22、解完全会残留在颗粒表面。为了消除Si02凝胶中的气孔及出去残留的有机物。因此需要对包覆粉末进行热处理,使包覆粉末Si02网络更加致密、粉末纯度提局。采用溶胶-凝胶法Si02绝缘包覆有如下特点:(1)釆用APTES对铁磁粉末进行表面改性后,通过控制TEOS水解能在铁磁性颗粒上包覆Si02,整个过程反应温度低且反应容易发生,反应设备简单,容易实现;(2)通过控制TEOS和APTES的加入量能够控制包覆层厚度,以达到不同的性能要求;(3)反应产物均一,Si02绝缘层能较完整地包覆在铁磁粉末表面;(4)Si02绝缘包覆制得的软磁复合材料电阻率高,且热处理温度较高;(5)反应过程会引入碳,对磁性能不利;

23、同时,Si02绝缘层网络结构中含有大量微孔,干燥和热处理过程会产生收缩。 Taghvaei等17近期又研究了磷酸盐和硅氧烷双层包覆的方法，利用硅氧烷的热稳定性来弥补磷酸盐高温下分解引起的电阻降低的缺点，取得了良好效果。在双层的包覆过程中，磷酸盐和硅氧烷双层的包覆顺序，磁粉芯的材料界面与磷酸盐接触，或者与硅氧烷接触对其最终的性能会产生不同的影响，不同的包覆材料形成不同的界面，可见界面在绝缘包覆过程中起到的重要作用。四、结论 (1)采用不同的制备方法，得到的材料的形貌不同，其表面对材料的磁性能会产生影响，表面形貌为球形的比不规则形状磁性能好。 (2)粉末越细，表面越多，阻碍作用越强，流动性越差，在

24、压制过程中越容易搭桥，从而造成粉芯生坯密度的降低，可以认为颗粒间距增大，因而磁导率降低。片状粉和不规则粉与球形粉相比，在压制时接触面积要更大一些，也更容易压制，粉芯密度较大。 (3)采用不同的包覆剂对材料的性能产生不同的影响。在平均粒径为120 m 铁粉表面上均匀包覆质量分数为0.5%硅树脂制备的复合磁粉芯,在大功率使用条件下,获得的较好软磁性能。采用的包覆剂的含量也会对最终的性能产生影响，采用溶胶-凝胶法获得的磁粉芯包覆颗粒性能较好，采用双层包覆过程，利用磷酸盐和硅氧烷双层包覆的方法，利用硅氧烷的热稳定性来弥补磷酸盐高温下分解引起的电阻降低的缺点，取得了良好效果。磁粉芯软磁材料的发展和材料的

25、工艺是离不开的，在本论文中，通过阐述材料的各种交界面的作用，包括粉末的形貌，粉末的颗粒大小，粉末的绝缘包覆，这些都与材料的界面密切相关，最终影响材料的性能，在以后的研究过程中，重点考虑界面对磁性材料的影响，在界面的研究中深入了解和发现，利用界面的改善从而改善材料磁学性能18-21。 参考文献:1Taghvaei A H，Shokrollahi H，Janghorban K，et a1Eddy current and total power loss separation in the ironphosphatepo1yepoxy soft magnetic compositesJMateria

26、ls and Design，2009，30：398939952 Shokrollahi H，Janghorban KEffect of warm compaction on the magnetic and electrical properties of Fe based soft magnetic composites JJournal of Magnetism and Magnetic Materials，2007，313：1821863王红忠特种磁粉芯的制备及性能研究D长沙：中南大学，2007 4汪俊琴粉末颗粒对Fe-Ni-Mo磁粉芯性能的影响J粉末冶金工业，1998，8(4)：265

27、22 Moon B，SohnK Y，Park WW，et a1Effect of milling onthe soft magnetic behavior of nanocrystalline alloy coresJMater Sci Eng A。2007。449451：4266李晋尧，何平提高NiFe粉芯磁性能的研究J磁性材料及器件，1995，26(3)：187陆曹卫，卢志超郭峰，等铁粉粒径大小对复合磁粉芯交流和直流磁性能的影响J钢铁研究学报，2007，19(9)：338徐晖, 等.纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 磁粉芯的磁性能研究. 功能材料,2003(1):42.9Sh

28、okrollahi H，Janghorbanb K，Mazaleyrat F，et a1Soft magnetic composite materials(SMCs)JMater Chem Phys，2009，114：58810 Moon B，SohnK Y，Park WW，et a1Effect of milling on the soft magnetic behavior of nanocrystalline alloy coresJMater Sci Eng A2007449451：42611Yoon B Kim，Jee K KFe-based nanocrystalline alloy powder cores with excellent high frequency magnetic propertiesJJ AppI Phys，2008，103(7)：07E704312Kang EY，Yoon B Kim，Kim K Y，et a1Preparation of Fe-Si-B-Nb amorphous powder cores with excellent high-fretrotquencymagnetic propertiesJJ Magn Magn Mater，2006，304(1)：e18213Yamada Y，Fujiwara T，Yoshi