金屬軟磁粉芯的研究進(jìn)展

（中國(guó)能建集團(tuán)裝備有限公司北京技術(shù)中心，北京 100044）

金屬軟磁粉芯是通過將金屬或合金軟磁材料制成的粉末與絕緣添加物混合壓制而成的一種復(fù)合軟磁材料。由于鐵磁性顆粒小，又被非磁性絕緣介質(zhì)隔開，因此，金屬軟磁粉芯電阻率比金屬及其合金要大的多，渦流損耗小，適用于較高頻率。同時(shí)，由于顆粒尺寸小，基本上不發(fā)生集膚現(xiàn)象，磁導(dǎo)率隨頻率變化的穩(wěn)定性好。金屬軟磁粉芯具有損耗低、磁導(dǎo)率高、飽和磁感強(qiáng)度高、電阻率高、優(yōu)良的磁和熱各向同性、工作頻率范圍較寬等特點(diǎn)，克服了鐵氧體飽和磁感強(qiáng)度較低以及金屬軟磁合金高頻下渦流損耗大的缺點(diǎn)，同時(shí)最大限度結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于傳統(tǒng)軟磁材料難以滿足要求的領(lǐng)域。此外，金屬軟磁粉芯可以制備成各種形狀的異形件，最大限度的滿足各種特殊使用場(chǎng)合。金屬軟磁粉芯由于具有上述優(yōu)良特性，被廣泛用于電訊、雷達(dá)、電視、電源等技術(shù)中作為電感濾波器、調(diào)頻扼流圈及開關(guān)電源主振鐵芯[1]。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)金屬軟磁粉芯的性能提出了更高的要求，其需求量也在不斷增長(zhǎng)。

1 磁粉芯的發(fā)展歷程

金屬軟磁粉芯的歷史悠久，早在19世紀(jì)末，科研工作者將蠟均勻包覆在磨碎的鐵粉外，制備了最早的純鐵磁粉芯。1921年，美國(guó)西方電氣公司利用電解純鐵粉制備出用作電話傳輸線路中的負(fù)載電感磁粉芯。鐵粉芯的電阻率較小，因而在高頻下渦流損耗大，為了降低磁粉芯的高頻損耗，科研工作者對(duì)其他材料組分的磁粉芯進(jìn)行了研究。1923年英國(guó)專家Amold和Elmen[2]開始對(duì)Fe含量為35%～80%的Fe-Ni坡莫合金磁粉芯進(jìn)行了研究并發(fā)表了相關(guān)論文，此后人們采用鐵鎳合金粉末經(jīng)壓制成型制成鐵鎳磁粉芯，提高了磁粉芯的磁導(dǎo)率和降低了高頻損耗。由于鐵鎳磁粉芯含有貴金屬鎳，成本較高。20世紀(jì)40年代，日本東北大學(xué)開發(fā)了鐵硅鋁合金，到20世紀(jì)80年代初期，鐵硅鋁磁粉芯被開發(fā)出來并商業(yè)化，該類磁粉芯損耗介于鐵粉芯和鐵鎳磁粉芯之間，價(jià)格適中，性價(jià)比較高。1940年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)了鉬坡莫合金磁粉芯，在鐵鎳磁粉芯的基礎(chǔ)上添加了2%的Mo，從而增大電阻率，進(jìn)一步降低渦流損耗。1984年美國(guó)聯(lián)合公司用FeSiB非晶帶制作成粉末，然后壓制成非晶磁粉芯。1988年，Yoshizawa等人報(bào)導(dǎo)了納米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金[3]，它具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、較好的穩(wěn)定性，熱處理后帶材變脆而容易加工成合金粉等特點(diǎn)，利用它可以制成一種新型的超微晶磁粉芯[4]。非晶和納米晶磁粉芯的開發(fā)為金屬軟磁粉芯的發(fā)展開啟了新的篇章。

2 磁粉芯的分類

鐵、鈷、鎳三種鐵磁性元素是構(gòu)成磁性材料的基本組元。金屬軟磁材料就是以這三種元素為主要部分，或是它們中的單一金屬，或是它們中的兩種乃至三種的適當(dāng)組分配合，或是在此基礎(chǔ)上再添加一種或多種別的元素組合而成的[5]。按照金屬軟磁粉芯的組成和性能特點(diǎn)主要分為鐵粉芯(Iron)、鐵硅鋁磁粉芯(Sendust )、高通量磁粉芯（High Flux）、鉬坡莫磁粉芯(MPP)、非晶及納米晶磁粉芯(APH&APM)。表1為金屬軟磁粉芯與鐵氧體的性能比較。

表1 材料性能比較[6]Table 1 Material property comparison

2.1 鐵粉芯

鐵粉芯是以鐵粉和絕緣介質(zhì)混合壓制而成，其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，在金屬軟磁粉芯中價(jià)格最低。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.0～1.2T左右，初始磁導(dǎo)率隨頻率變化穩(wěn)定性好，直流疊加性能好，廣泛應(yīng)用于高頻整流器件和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。雖然鐵粉芯具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但由于其電阻率低，在高頻下渦流損耗高，因此難以應(yīng)用于高頻率范圍。

2.2 鐵硅鋁磁粉芯

鐵硅鋁磁粉芯是由鐵硅鋁合金粉末和絕緣介質(zhì)混合壓制而成，該磁粉芯的損耗比鐵粉芯低，飽和磁感強(qiáng)度在1.0T左右，磁致伸縮系數(shù)接近零。鐵硅鋁合金磁粉芯原材料中不含Ni、Mo等貴金屬，成本低于高磁通粉芯和鐵鎳鉬磁粉芯，高于鐵粉芯，具有較高的性價(jià)比。鐵硅鋁磁粉芯是一種低損耗和相對(duì)高飽和度的材料，所以非常適用于功率因數(shù)校正電路[7]，以及單向驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，例如脈沖變壓器和回掃變壓器。由于接近零磁致伸縮，鐵硅鋁磁粉芯是消除在線噪音濾波器和電感器中的可聽頻率噪聲的最佳選擇[8]。

2.3 高磁通磁粉芯

高磁通磁粉芯是由鐵鎳合金粉和絕緣介質(zhì)混合壓制而成，其最大的特點(diǎn)是飽和磁感強(qiáng)度非常高，約1.5T，在較大的磁化場(chǎng)下難以飽和，可應(yīng)用于較大的功率器件。高通量磁粉芯不但飽和磁感強(qiáng)度高，而且直流偏磁特性好，在較大的直流偏場(chǎng)下可保證電感值的最小直流漂移。在所有粉末磁芯材料中，高磁通具有最佳的偏置能力。高飽和磁通密度和低磁芯損耗的特性，使高磁通非常適用于高頻率下高功率，高直流或交流偏置的應(yīng)用。如開關(guān)調(diào)節(jié)電感器、在線噪音濾波器、回掃變壓器、功率因數(shù)校正和脈沖變壓器等。

2.4 鉬坡莫磁粉芯

鉬坡莫磁粉芯由鎳鐵鉬合金粉和絕緣介質(zhì)混合壓制而成，其磁芯損耗低于鐵硅鋁磁粉芯和高磁通磁粉芯，但由于鎳含量高，價(jià)格昂貴。該磁粉芯的飽和磁感強(qiáng)度約0.75T左右，具有電阻率高、溫度穩(wěn)定性好、高直流偏場(chǎng)下電感的穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)良的磁電性能和高的穩(wěn)定性、可靠性和昂貴的價(jià)格，決定了鉬坡莫磁粉芯一般應(yīng)用于軍工和重要的儲(chǔ)能元件[9]，如高品質(zhì)因數(shù)電感器、低損耗濾波器、無載線圈、變壓器等。

2.5 非晶及納米晶磁粉芯

在20世紀(jì)80年代中期D．Raybould等用Metglass (FeSiB) 非晶以簡(jiǎn)單的壓制方法制成了非晶磁粉芯[10]。非晶磁粉芯及納米晶磁粉制備的原料主要有非晶FeSiB和納米晶FeCuNbSiB粉末，該類粉末可采用機(jī)械破碎法或霧化法等工藝制得。機(jī)械破碎法是通過將非晶或納米晶帶材的帶頭、帶尾等廢料破碎制成非晶或納米晶粉末，該方法將不合格的帶材變廢為新，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，制備成本低。霧化法是將母合金熔融，與高速氣流或水流相遇被霧化為細(xì)小液滴，快速冷凝成合金粉末，該制粉設(shè)備較昂貴，成本較高。

非晶及納米晶磁粉芯作為近年來開發(fā)出來的新型磁粉芯材料，具有高飽和磁感強(qiáng)度(約1.5T)、高頻損耗低和良好的偏磁性能，特別適用于電子產(chǎn)品的小型化、高頻化和高效化設(shè)計(jì)，可用于替代H-Flux(Fe-Ni)及MPP(Fe-Ni-Mo)相同磁導(dǎo)率磁芯使用，用于替代Sendust（Fe-Si-Al）粉芯時(shí)可減小體積，因此被廣泛用于現(xiàn)代通訊、電力電子、電磁兼容和傳感器等高新產(chǎn)業(yè)以及各種工業(yè)磁性元器件的更新?lián)Q代，具有非常良好的發(fā)展前景。韓國(guó)Amogreentech公司的APH非晶磁粉芯以其優(yōu)異的抗直流偏置性能及良好的經(jīng)濟(jì)效益基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有High-Flux系列磁粉芯的替代，已被廣泛應(yīng)用，而且最近新推出的APM系列的納米晶磁粉芯，克服了原來非晶粉末磁芯強(qiáng)度差和有噪音的問題，且損耗進(jìn)一步降低，達(dá)到了MPP的標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3 磁粉芯的主要特性及其影響因素

磁導(dǎo)率和損耗是金屬軟磁粉芯關(guān)鍵的性能參數(shù)，磁粉芯的磁性能取決于磁粉末的純度、尺寸、形狀、含量以及的磁粉芯絕緣包覆、壓制和熱處理等制備工藝。

3.1 磁導(dǎo)率及其影響因素

磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)的磁性和導(dǎo)磁性強(qiáng)弱及磁化難易程度的一種磁學(xué)量。磁粉芯的磁導(dǎo)率與磁粉末含量（絕緣劑含量）、磁粉粒度、壓制成型、熱處理工藝有關(guān)。

（1）磁粉末含量增大（絕緣劑含量減少）可提高磁粉芯磁導(dǎo)率。R.Nowosielski[12]研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶磁粉芯性能，隨著磁粉末含量的增大，磁導(dǎo)率逐漸提高，具體可見圖1。王紅忠等研究了絕緣劑含量對(duì)2Mo81Ni17Fe磁粉芯磁導(dǎo)率的影響，由于磁粉芯的包覆工藝中添加的絕緣劑是非磁性物質(zhì)，絕緣劑的增加將導(dǎo)致磁導(dǎo)率的降低[13]。

（2）減小粉末粒度，會(huì)降低磁粉芯磁導(dǎo)率，但同時(shí)也提高了磁導(dǎo)率的頻率穩(wěn)定性。R.Nowosielski等[12]發(fā)現(xiàn)Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶磁粉末顆粒越小，該磁粉芯磁導(dǎo)率越低，主要是由于粒徑細(xì)小的粉末具有較高的退磁因子。H.Shokrollahi等[14]研究發(fā)現(xiàn)鐵粉芯中鐵粉尺寸越小，磁粉芯的初始磁導(dǎo)率對(duì)頻率的穩(wěn)定性越好，如圖2所示。可見選取合適的粉末粒度非常重要。

圖1 粉末的含量對(duì)磁粉芯磁導(dǎo)率的影響[12](測(cè)試條件：H=3kA，f=50Hz)Fig.1 Inf l uence of the content of powder particles on the magnetic permeability of composite cores

圖2 粉末尺寸對(duì)初始磁導(dǎo)率的影響[14]Fig.2 The effect of powder size on the initial permeability

（3）壓制成形是獲得高密度磁粉芯的關(guān)鍵步驟，成型壓力與磁導(dǎo)率有著密切關(guān)系。一般而言，壓力增大，磁芯越密實(shí)，磁導(dǎo)率增大。文獻(xiàn)[15]中對(duì)納米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9磁粉芯的磁導(dǎo)率與成型壓力的關(guān)系進(jìn)行了研究，隨著成型壓力的增大，有利于磁粉芯致密度的提高，從而提高了磁導(dǎo)率。但當(dāng)壓力達(dá)到某一數(shù)值會(huì)，磁導(dǎo)率達(dá)到極限值后就不再增加。

（4）熱處理工藝對(duì)磁粉芯磁導(dǎo)率的影響較為復(fù)雜，選擇合適的熱處理溫度非常重要。Maryam Yaghtin等[16]研究了熱處理對(duì)包覆有氧化鋁絕緣層的鐵粉芯磁導(dǎo)率的影響。在較低頻率范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率隨著退火溫度的升高而增大，其原因是熱處理可以減小磁粉芯在壓制過程中磁粉末顆粒內(nèi)部的缺陷，從而提高了磁導(dǎo)率；而在較高頻率范圍內(nèi)，磁導(dǎo)率隨著熱處理溫度的升高而減小，這是因?yàn)闊崽幚頊p小了磁粉末的畸變、位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力而使電阻率降低，導(dǎo)致渦流增大和磁導(dǎo)率減小。因此，熱處理對(duì)磁導(dǎo)率的影響與磁粉芯應(yīng)用的頻率范圍有關(guān)。另外，熱處理溫度不能過高，否則會(huì)導(dǎo)致絕緣層的分解及破壞，降低磁粉芯性能。

3.2 磁芯損耗及其影響因素

磁芯損耗是指用作磁芯（或鐵芯）的磁性材料將從交變電磁場(chǎng)中吸收能量中以熱的形式耗散掉的那部分能量，它由磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗三部分組成[17]。其中，剩余損耗是磁損耗中除了磁滯和渦流損耗之外的所有其它損耗的總稱，它包括各種磁化弛豫過程所引起的損耗。由于剩余損耗在金屬軟磁粉芯損耗中所占比重較小，下面對(duì)磁粉芯磁滯損耗和渦流損耗進(jìn)行重點(diǎn)分析討論。

磁滯損耗是由磁疇壁的不可逆位移和磁矩的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的能量損耗，它等于靜態(tài)磁滯回線包圍的面積。低頻時(shí)，磁滯損耗是磁芯損耗的主要部分。磁滯損耗主要取決于磁粉芯中金屬材料的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^材料的新成分設(shè)計(jì)、提高磁粉芯壓實(shí)密度、減小殘余應(yīng)力等方法獲得低矯頑力的磁粉芯，減小其磁滯損耗。Maryam Yaghtin等[16]對(duì)添加了氧化鋁絕緣劑的鐵粉芯的性能進(jìn)行了研究，退火熱處理有助于消除壓制過程中的產(chǎn)生的應(yīng)力，從而降低了磁滯損耗。

渦流損耗是作用于鐵磁體的外加磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)在材料內(nèi)部引起渦流而造成的能量損耗。磁粉芯的渦流損耗包含磁粉顆粒內(nèi)部和磁粉顆粒間的渦流損耗，如圖3所示[18]。一般認(rèn)為高頻條下渦流損耗在總損耗中占主導(dǎo)地位。磁粉顆粒內(nèi)部的渦流損耗主要取決于磁粉末粒度和電阻率。渦流損耗與粉粒直徑的平方成正比，因此降低渦流損耗首先可考慮細(xì)化粉末顆粒。熱處理對(duì)磁粉芯的電阻率有一定影響，從而影響了渦流損耗。Maryam Yaghtin等[16]對(duì)鐵粉芯退火熱處理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱處理過程中減少了磁粉末內(nèi)部的畸變、位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力而使電阻率下降，從而增大渦流損耗?？梢姡瑹崽幚砜梢詼p少磁滯損耗的同時(shí)，增大了渦流損耗，因此需根據(jù)實(shí)際使用需要合理選擇退火熱處理工藝。此外，熱處理溫度不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致絕緣層破壞，增加渦流損耗。磁粉顆粒間的渦流損耗主要取決于顆粒之間絕緣性。采用電阻率高的絕緣層可以減小磁粉顆粒間的渦流損耗。文獻(xiàn)[19]分別采用磷酸丙酮溶液、納米SiO2、高嶺土和 Na2SiO3四種包覆劑對(duì)Fe-Si-B非晶粉末進(jìn)行絕緣處理，經(jīng)由磷酸丙酮溶液處理后的非晶磁粉芯電阻率最大，因而損耗最低。絕緣層的厚度越大，渦流損耗也越小，但非磁性成分的增加會(huì)導(dǎo)致磁導(dǎo)率的減小，因此要控制合適的絕緣層厚度來獲得最佳的性能。

圖3 磁粉芯中顆粒內(nèi)部和顆粒之間的渦流[18]Fig.3 Inter-particle and intra-particle eddy currents in SMC

唐堅(jiān)等研究了成型壓力對(duì)非晶Fe78Si9B13磁粉芯損耗的影響[20]，隨著壓力的增加磁粉芯損耗有所降低，一方面隨著壓力的增加磁粉之間的間隙減小，磁粉的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，由Hc（x）=Hc（0）[1-x](x為磁粉體積分?jǐn)?shù))可知磁粉芯的矯頑力降低，矯頑力與磁粉芯的磁滯損耗成正比[21]，所以損耗也呈逐漸減小的趨勢(shì)；另一方面，隨著壓力的增加，磁粉芯密度不斷增大，絕緣材料被緊密包覆于粉末表面，達(dá)到最佳絕緣效果，因此渦流損耗降低。當(dāng)壓力達(dá)到一定值以后損耗變化不那么明顯，而過高壓力會(huì)破壞絕緣層及損傷磨具，因此需選擇適當(dāng)?shù)膲毫Υ笮　?/p>

4 結(jié)束語

隨著磁性元器件小型化、高頻化和高效化的不斷發(fā)展，對(duì)金屬軟磁粉芯的性能要求也越來越高。非晶及納米晶磁粉芯作為新型金屬軟磁粉芯材料，具有飽和磁通密度高、高頻損耗低和偏磁性能優(yōu)異等特性，同時(shí)由于不含鎳等貴金屬且可采用非晶及納米晶廢帶材為原料，成本較低，特別適用于磁性器件的小型化、高頻化和高效化要求。因此，非晶及納米晶磁粉芯將成為未來金屬軟磁粉芯研究的熱點(diǎn)。目前我國(guó)的金屬軟磁粉芯的開發(fā)已取得了較大進(jìn)展，但與國(guó)外還有一定的差距，我國(guó)科研技術(shù)人員需進(jìn)一步深入研究，以滿足磁性元器件的更高的性能和降低成本。