改性硅微粉填料對(duì)鐵硅鋁磁粉心性能的影響

楊 磊，李文超，劉國(guó)忠，檀 杰，申星梅，鄭翠紅

（安徽工業(yè)大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243002）

鐵硅鋁磁粉心是由鐵硅鋁粉末與絕緣介質(zhì)混合壓制燒結(jié)而成的一種軟磁材料[1]。相比于傳統(tǒng)的硅鋼片和鐵粉心，經(jīng)過(guò)絕緣包覆、顆粒級(jí)配等處理的鐵硅鋁磁粉心擁有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低的渦流損耗，加之其突出的性?xún)r(jià)比使得近年來(lái)市場(chǎng)對(duì)鐵硅鋁磁粉心的需求日益增加[2-5]。但是隨著電子器件向小型化、高效化、高頻化、高功率方向發(fā)展，業(yè)界對(duì)磁性材料的要求也越來(lái)越高，如何進(jìn)一步提高鐵硅鋁磁粉心的直流疊加特性和降低磁損耗是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[6-8]。

目前市場(chǎng)上大部分270026 型鐵硅鋁磁粉心抗飽和能力不強(qiáng)，且實(shí)際應(yīng)用中機(jī)械強(qiáng)度低。通常在頻率100 kHz，直流磁場(chǎng)100 Oe下其直流疊加特性在70%～80%之間，由于磁導(dǎo)率低、包覆層較厚和無(wú)機(jī)物添加量多，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度一般僅有10 kPa。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用溶膠凝膠、化學(xué)沉積等方法[9-10]，在磁粉表面均勻包覆一層納米二氧化硅，形成核殼結(jié)構(gòu)，可很好地改善磁粉芯抗飽和能力和直流疊加特性[11-13]。同時(shí)二氧化硅電阻率高，可大大降低磁粉心的渦流損耗，但二氧化硅硬度高、成型性差，采用溶膠凝膠、化學(xué)沉積等方法制備的磁粉心抗折強(qiáng)度不夠，很難達(dá)到市場(chǎng)要求。因此，筆者以Zn(H2PO4)2·2H2O包覆的硅微粉為填料和黏結(jié)劑制備270026型鐵硅鋁磁粉心，以期在提高270026型鐵硅鋁磁粉心磁學(xué)性能的前提下，保證磁環(huán)具有良好的抗折強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為球磨破碎鐵硅鋁磁粉(來(lái)自馬鞍山新康達(dá)磁業(yè)有限公司)，磷酸，硅微粉(SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.8%，磁粉中位直徑D50為2.626 μm)，磷酸二氫鋅，脫膜粉(硬脂酸鋅)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

270026型鐵硅鋁磁粉心制備流程如圖1。首先對(duì)鐵硅鋁磁粉進(jìn)行磷化包覆，再向包覆的磁粉中添加經(jīng)Zn(H2PO4)2·2H2O 處理的硅微粉，攪拌均勻后，在壓強(qiáng)為2 000 MPa下壓制成型得到坯體。坯體在氮?dú)鈿夥障隆?80 ℃中熱處理1 h，冷卻后得到磁粉心樣品。最后測(cè)試樣品的磁學(xué)性能和抗折強(qiáng)度。

1.2.1 磁粉的處理

采用磷酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%(占鐵硅鋁磁粉))對(duì)鐵硅鋁（其中Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%，Al 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，其余為Fe）磁粉進(jìn)行包覆，在磁粉表面形成一層磷化膜。再采用Zn(H2PO4)2·2H2O對(duì)硅微粉進(jìn)行預(yù)處理，使硅微粉表面均勻包覆一層Zn(H2PO4)2·2H2O，加入的Zn(H2PO4)2·2H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，15%，20%。將預(yù)處理的硅微粉與絕緣包覆的磁粉按質(zhì)量比為3∶50混合。

1.2.2 磁粉心樣品的制備

將處理的磁粉在2 000 MPa 下壓制成高11.10 mm、內(nèi)徑14.80 mm、外徑27.0 mm的圓環(huán)樣品坯體，再將制得的坯體在680 ℃氮?dú)鈿夥罩袩崽幚? h，冷卻后得到磁粉心樣品。

1.2.3 磁粉心樣品的性能測(cè)試

采用日本JSM-6490LV電子顯微鏡觀察磁粉和磁粉心樣品的形貌；采用Microtest6377分析儀測(cè)量樣品頻率在20～1 000 kHz時(shí)的電感L和Q，以及在直流磁場(chǎng)為1～200 Oe下的有效磁導(dǎo)率百分比，也稱(chēng)直流疊加百分比；采用SY8216B-H損耗測(cè)試儀測(cè)量磁粉心樣品在磁通密度為100 mT、頻率范圍在50～100 kHz時(shí)的磁損耗；用YHT-9000B拉力測(cè)試儀測(cè)量磁粉心樣品的抗折強(qiáng)度。根據(jù)式(1)計(jì)算有效磁導(dǎo)率μe。

圖1 鐵硅鋁磁粉心的制備流程Fig.1 Preparation process of Fe-Si-Al magnetic powder core

式中：Le為有效磁路長(zhǎng)度，根據(jù)高度、內(nèi)徑和外徑計(jì)算Le=6.35×10-3m；μ0為真空磁導(dǎo)率，為4π×10-7H/m；N為線圈匝數(shù)，為30圈；Ae為有效橫截面積，為6.54×10-5m2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵硅鋁磁粉的包覆

圖2 鐵硅鋁磁粉包覆前后的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of Fe-Si-Al magnetic powder before and after coating

圖3 磁粉心的SEM照片及對(duì)應(yīng)的(EDS)元素面分布Fig.3 SEM photo of magnetic powder core and corresponding(EDS)element surface distribution

2.2 改性硅微粉對(duì)磁粉心磁學(xué)性能的影響

2.2.1 磁粉心的頻率特性

磁粉心的磁導(dǎo)率隨頻率f的變化關(guān)系如圖4。從圖4可知：4種磁粉心樣品的磁導(dǎo)率μe在1～1 000 kHz范圍內(nèi)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明4種磁粉心樣品有較好的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)說(shuō)明Zn(H2PO4)2·2H2O2的硅微粉對(duì)磁粉心的頻率沒(méi)有明顯影響；Zn(H2PO4)2·2H2O含量越高，磁粉心樣品的有效磁導(dǎo)率越高。主要是因?yàn)楣栉⒎蹖儆诜氰F磁性物質(zhì)，具有較高的電阻率，作為填料可大大增加磁粉心內(nèi)部的退磁場(chǎng)，從而很難被外磁場(chǎng)磁化[14]；且隨著Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增大，硅微粉加入量越低，相較而言磁粉心的磁導(dǎo)率會(huì)越高。

2.2.2 磁粉心的直流疊加特性

磁粉心在直流狀態(tài)下工作除了要有良好的電磁特性外，還須具備良好的直流偏置特性，即隨著疊加直流磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，其磁導(dǎo)率下降幅度變小。直流疊加特性是鐵硅鋁磁粉心的動(dòng)態(tài)特性之一，是衡量鐵硅鋁磁粉心抗飽和特性的重要指標(biāo)。通常用外加直流磁場(chǎng)變化后的有效磁導(dǎo)率與100 kHz下的有效磁導(dǎo)率百分比來(lái)表示[15]。圖5為磁粉心直流疊加百分比隨直流偏磁場(chǎng)的變化曲線。從圖5 可知：磁粉心直流疊加百分比隨直流磁場(chǎng)的增強(qiáng)而降低，當(dāng)直流磁場(chǎng)為100 Oe 時(shí)，直流疊加百分比都大于80%，高于商用270026 型鐵硅鋁軟磁磁粉芯；當(dāng)增大到200 Oe時(shí)，4種磁粉心的直流疊加百分比均小于65%，且形成的是上凸曲線，說(shuō)明隨著直流磁場(chǎng)的增大，磁粉心的磁導(dǎo)率下降幅度變大；當(dāng)直流磁場(chǎng)大于20 Oe，在相同直流磁場(chǎng)下，隨Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增加，磁粉心的直流疊加百分比呈下降趨勢(shì)，即直流偏置特性變差。主要是因?yàn)楣栉⒎厶岣吡舜欧坌牡耐舜艌?chǎng)，導(dǎo)致磁粉心難以磁化，即提高了磁粉心的飽和磁化強(qiáng)度。因此隨著Zn(H2PO4)2·2H2O 處理量的增大，硅微粉加入量降低，磁粉心更易被磁化飽和，直流偏置特性也就越差[16]。

2.2.3 磁粉心的品質(zhì)因素

品質(zhì)因素Q 是磁性材料在交變磁化時(shí)能量?jī)?chǔ)存和能量損耗之比，是表征鐵磁樣品交變磁性的重要物理量。Q 值越高，表明鐵磁樣品儲(chǔ)能性能越優(yōu)異，其表達(dá)式為[17-18]

圖4 頻率對(duì)磁粉心磁導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of frequency on magnetic permeability of magnetic powder core

圖5 磁粉心的直流疊加百分比隨直流偏磁場(chǎng)的變化曲線Fig.5 Variation of cuvers DC superposition percentage of magnetic powder core with DC bias magnetic field

式中：W1為能量?jī)?chǔ)存；W2為能量損耗；R為磁粉心電阻；Im為線圈中通過(guò)電流；μ′為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部；μ″為復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率虛部。

圖6 為4 種磁粉心樣品的Q 值隨頻率f 的變化曲線。從圖6 可知：當(dāng)頻率在1～100 kHz 范圍內(nèi)時(shí)，4 種磁粉心的Q 值隨頻率的升高而升高，且都在接近100 kHz 時(shí)達(dá)到峰值；隨著頻率的進(jìn)一步增加，Q值開(kāi)始逐漸減小，當(dāng)頻率大于150 kHz時(shí)，相同頻率下，隨著Zn(H2PO4)2·2H2O 處理量的增加，Q 值降低。在高頻下?lián)p耗隨著頻率急劇增加，Q 值開(kāi)始逐漸減小，而硅微粉的電阻率較高，在磁粉心中具有很好的抗渦流作用。所以硅微粉含量越低，高頻下磁粉心的Q值也就越低。

2.2.4 磁粉心的磁損耗

磁性材料在交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，被稱(chēng)為磁損耗。磁損耗主要包括三個(gè)方面：磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe及剩余損耗Pr[19]。其中磁滯損耗Ph主要是因?yàn)榇判圆牧显诖呕^(guò)程中由于疇壁的不可逆位移和不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，在低頻下占據(jù)著主導(dǎo)地位；渦流損耗Pe是指導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中內(nèi)部產(chǎn)生的渦狀感應(yīng)電流使磁粉心發(fā)熱造成的能量損耗，在高頻下起主要作用；剩余損耗Pr主要來(lái)自于雜質(zhì)原子的擴(kuò)散弛豫和共振，一般在頻率達(dá)到MHz時(shí)才會(huì)考慮。因此金屬磁粉心通常只考慮磁滯損耗和渦流損耗，表達(dá)式如下[17]：

圖6 頻率f對(duì)磁粉心Q值的影響Fig.6 Effect of frequency f on Q value of magnetic powder core

式中：Pcv是磁粉心的總損耗；n和C為常數(shù)；B為磁通密度；r為材料電阻率。

圖7 為磁粉心在磁通密度為100 mT 時(shí)的磁損耗值隨頻率f的變化曲線。從圖7可知：頻率在50～100 kHz 范圍內(nèi)，磁粉心的磁損耗隨頻率的升高而升高，這是因?yàn)榇艤p耗和渦流損耗分別與f2和f成正比；相同頻率下隨著Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增大，磁粉心磁損耗升高，這是因?yàn)楫?dāng)Zn(H2PO4)2·2H2O含量逐漸增加，硅微粉占比也就越少，磁粉芯電阻率r下降，渦流損耗也就隨之上升。

2.3 改性硅微粉對(duì)磁粉心抗折強(qiáng)度的影響

磁粉心在扼流線圈、變壓器、濾波器等元器件上應(yīng)用時(shí)除了要具備優(yōu)良的磁學(xué)性能外，還須擁有一定的機(jī)械強(qiáng)度。文中以抗折強(qiáng)度p 表示磁粉心的機(jī)械強(qiáng)度，表示如下

圖7 頻率對(duì)磁粉心磁損耗影響Fig.7 Effect of frequency on magnetic flux loss of magnetic powder core

式中：F為使磁環(huán)斷裂的最大荷重；R1為磁環(huán)外徑；R2為磁環(huán)內(nèi)徑；h為磁環(huán)高度。

圖8為4種磁粉心樣品的抗折強(qiáng)度。從圖8可看出：磁粉心的抗折強(qiáng)度隨著Zn(H2PO4)2·2H2O含量的增大而增大，尤其當(dāng)Zn(H2PO4)2·2H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)15%，抗折強(qiáng)度迅速上升至19.7 kPa，而商用270026型鐵硅鋁磁粉心抗折強(qiáng)度一般只有10 kPa。Zn(H2PO4)2·2H2O的差熱-熱重(DTA-TG)分析如圖9。結(jié)合圖9和文獻(xiàn)[20]可知：Zn(H2PO4)2·2H2O在100 ℃以下出現(xiàn)的吸熱峰為吸附水的脫附；在150～200 ℃之間出現(xiàn)的吸熱峰并伴隨著失重為（Zn(H2PO4)2·2H2O 結(jié)晶水的脫去；約280 ℃發(fā)生縮合，約390 ℃開(kāi)始聚合反應(yīng)形成大分子[Zn(PO3)2]x，大分子[Zn(PO3)2]x沉積在硅微粉表面，起到膠結(jié)粘附作用。其反應(yīng)方程式如下：

圖8 Zn(H2PO4)2處理量對(duì)磁粉心抗折強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of Zn(H2PO4)2 treatment on the bending strength of magnetic powder core

圖9 磷酸二氫鋅的差熱-熱重分析Fig.9 Differential thermal-thermogravimetric analysis of Zn(H2PO4)2

圖10 為采用Zn(H2PO4)2·2H2O 硅微粉處理前后的磁粉心掃描電鏡照片。從圖10(a)可以看出：未經(jīng)Zn(H2PO4)2·2H2O處理的硅微粉在磁粉心中松散，有明顯的顆粒感；經(jīng)Zn(H2PO4)2·2H2O處理的硅微粉主要分布在磁粉顆?？p隙處，與磁粉很好地粘接在一起。

圖10 填料為硅微粉的磁粉心斷面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM images of magnetic particle core with silicon micropowder as filler

3 結(jié) 論

采用Zn(H2PO4)2·2H2O 改性的硅微粉為填料制備270026 型鐵硅鋁磁粉心，制備的鐵硅鋁磁粉心不僅抗飽和能力強(qiáng)、損耗低，且抗折強(qiáng)度高，無(wú)需后續(xù)處理就可滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用。

1)當(dāng)Zn(H2PO4)2·2H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，在1～1 000 kHz頻率范圍內(nèi)，制備的鐵硅鋁磁粉心磁導(dǎo)率約為24.8；當(dāng)頻率為100 kHz、外加直流磁場(chǎng)100 Oe時(shí)，磁粉心的直流疊加百分比接近85%；200 kHz下磁粉心的品質(zhì)因素Q值達(dá)141；頻率在50 kHz、磁通密度100 mT下磁粉心的的總磁損耗低于175 mW/cm3。

2)制備的鐵硅鋁磁粉抗折強(qiáng)度達(dá)到19.7 kPa，其磁學(xué)性能和抗折強(qiáng)度都優(yōu)異于市場(chǎng)上的270026型鐵硅鋁磁粉心。