納米晶合金粉芯的超重力滲流制備及磁性能

王佳敏,甘章華,朱昭峰,吳傳棟,魯越輝,丁景楠

(1.省部共建耐火材料與冶金國家重點(diǎn)實驗室(武漢科技大學(xué)),武漢 430081;2.江蘇奧瑪?shù)滦虏牧峡萍加邢薰?江蘇 鹽城 224000)

磁粉芯作為一種常見的電磁元件,被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源和電感濾波器等領(lǐng)域[1-2]。電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展促使著磁粉芯向高頻化、低損化、小型化和經(jīng)濟(jì)化發(fā)展,而鐵基納米晶合金由于具有高磁導(dǎo)率、較高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗等特點(diǎn),近年來在磁粉芯領(lǐng)域受到了較大關(guān)注[3-5]。

磁粉芯的制備工序較復(fù)雜,包括制粉、絕緣包覆、成型等工序。其中,成型工藝是一個較為關(guān)鍵的步驟。目前,常見的成型工藝包括冷壓成型[4-7]和放電等離子體燒結(jié)[8]等工藝,工業(yè)生產(chǎn)粉芯多采用冷壓成型工藝。王堯等[4]研究了冷壓成型壓強(qiáng)對FeSiB粉芯磁性能的影響,發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)在1 400 MPa時,制得的粉芯綜合磁性能較好,其在100 kHz時有效磁導(dǎo)率為17.66,同頻率下50 mT的損耗為103.04 W/kg。為了提高粉芯的有效磁導(dǎo)率,使用的壓強(qiáng)應(yīng)高于1 000 MPa,但高壓下粉芯絕緣層可能會破裂且對模具損傷大,故該工藝實際操作存在困難且制造成本較高。同時,鐵基納米晶合金粉末不易變形,壓制成型需要高壓強(qiáng),現(xiàn)階段高性能的粉芯大都停留在實驗階段,如Zhang等[6]使用1 600 MPa壓強(qiáng)制備出的FeSiBCuNb/NiCuZnFe2O4納米晶磁粉芯,其在100 mT,100 kHz時的損耗為78.18 W/kg,有效磁導(dǎo)率高達(dá)80.6。因此,提出一種工序簡單、成本低廉,且能制備出具有較好性能磁粉芯的制備工藝十分必要。

超重力技術(shù)是一種通過離心力實現(xiàn)物質(zhì)傳輸和能量傳遞的重要手段,多被應(yīng)用于金屬凝固細(xì)化、液體滲透等領(lǐng)域[9-13]。Zhang等[13]報道了在超重力場的作用下,雖然W、Cu復(fù)合受內(nèi)摩擦力等阻力作用,但由于離心力作用在W-Cu液固界面產(chǎn)生了較為持續(xù)的附加壓力,協(xié)同隨著潤濕角不斷變化的毛細(xì)管力,在短時間內(nèi)熔融的Cu填充W骨架孔隙,成功制出了高密度W-Cu復(fù)合材料。同時,粉末粒度對粉芯磁性能的影響較大。然而近年來,關(guān)于粉末粒度對粉芯磁性能影響的研究卻并不多。研究表明,對于包覆劑含量相同的單一粒徑粉末制出的粉芯,粉末粒徑越大,其有效磁導(dǎo)率越大,損耗越大,而適當(dāng)?shù)脑诖罅椒勰┲刑砑虞^小粒徑的粉末,能提高粉芯有效磁導(dǎo)率的同時降低其損耗[14-17]。Huang等[17]就通過對4種不同粒度的粉末進(jìn)行優(yōu)化配比,制得了一種有效磁導(dǎo)率約為60,且100 mT/50 kHz時損耗約為84.92 W/kg的粉芯。因此,本文提出了一種制備納米晶合金粉芯的超重力滲流工藝,并研究了粉末粒度配比對超重力滲流工藝制成的粉芯磁性能的影響,旨在制備出性能較好的粉芯,也期望能為粉芯的制備提供有益的新思路。

1 實 驗

1.1 粉芯的制備

實驗選用的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金鐵芯產(chǎn)自江蘇奧瑪?shù)滦虏牧峡萍加邢薰?環(huán)氧樹脂產(chǎn)自佛山粘必牢化工科技有限公司。將經(jīng)過真空晶化退火后的納米晶合金鐵芯(帶材厚度約為30 μm,密度7.20 g/cm3)放入粉碎機(jī)粉碎3～4次,每次粉碎2 min,將得到的粉末過篩分級,得到粒度分別為100～200目,200～400目,400～1 000目的3種粉末,將3種粉末按如表1的粒度組成進(jìn)行粒度配比并均勻混料,配制成7種粉體各60 g,分別將混料均勻的粉末置于塑料柱狀模具中并振實作為預(yù)制體,然后取密度為1.17 g/cm3的環(huán)氧樹脂6 g倒入模具中,并將模具放入超重力離心機(jī)的水平轉(zhuǎn)子中,設(shè)置離心加速度為2 000g,離心時間為5 min,離心后將模具取出靜置12 h,最終脫模加工成外徑28 mm、內(nèi)徑18 mm、高度5 mm的環(huán)狀粉芯。

表1 7種粉芯樣品的粒度組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Powder sizes composition of seven powder cores samples (wt.%)

1.2 粉芯的性能與表征

粉末的形貌采用Nova 400 SEM型顯微鏡觀察,粉芯結(jié)構(gòu)也使用其觀察;粉末的物相組成使用日本Rigaku/Smartlab SE X射線衍射儀分析;采用美國Lake Shore/8604振動磁強(qiáng)計(VSM)測試粉末在室溫下的磁滯回線,并用阿基米德排水法測量粉芯的密度;利用MATS-3000SA軟磁性能測試儀測量粉芯的損耗,設(shè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度為20 mT;使用日置HIOKI IM3570阻抗分析儀測試粉芯的電感(L)和品質(zhì)因數(shù)(Q),測試電壓為1 V,線圈匝數(shù)為10匝,粉芯的有效磁導(dǎo)率(μe)通過以下式算出[18]

(1)

式中:Le為粉芯磁路的平均長度;Ae為粉芯磁路的有效橫截面積;N為線圈匝數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率,其值為4π×10-7。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種粉末的特性及磁性能

3種粉末的形貌如圖1所示,各粒度的粉末均為形狀不規(guī)則的片狀, 100～200目粉末的平均長度和平均寬度分別為151.2和97.4 μm,200～400目和400～1 000目粉末的平均長度分別為57.9 和38. 1 μm ,平均寬度分別為13.8和10.0 μm。3種粉末表面大都較為平整且都附著有小粒徑粉末,但部分粉末表面存在小溝槽,粉末邊緣存在明顯的尖角。粉末粒徑越小,粉末邊緣越趨向圓滑。

圖1 3種粉末SEM形貌圖Fig.1 SEM morphology of three kinds of powder: (a) 100～200 mesh; (b) 200～400 mesh; (c) 400～1 000 mesh

圖2為3種粉末的XRD譜圖,發(fā)現(xiàn)在45°、66°、83°附近的特征峰為具有BCC結(jié)構(gòu)的α-Fe(Si),分別對應(yīng)晶面(110)、(200)、(211)。為了探究不同粒度粉末的磁性能,如圖3利用VSM測量的粉末室溫下的磁滯回線和表2的結(jié)果所示,3種粒度粉末的矯頑力(Hc)都較低,說明粉末內(nèi)部應(yīng)力較小,這與圖2中粉末的峰形和峰位隨粒度變化基本無變化相符。100～200目與200～400目粉末的磁滯回線基本重合, 且200～400目粉末飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度(Ms)較高,可達(dá)127 Am2/kg;400～1 000目粉末的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(Mr)和Hc相對較大,這可能是機(jī)械破碎制粉時,小粒徑粉末受到的撞擊次數(shù)較多,粉末晶粒的內(nèi)部應(yīng)力較大,阻礙了磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移所導(dǎo)致的,而其Ms有所下降可能是由于粉末粒徑變小,使得粉末因局部高溫而氧化率增加所導(dǎo)致的[19]。

圖2 3種粉末的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of three kinds of powder

圖3 3種粉末的常溫磁滯回線圖Fig.3 Hysteresis line diagram of three kinds of powder at room temperature

表2 3種粉末的磁性能Table 2 Magnetic properties of three kinds of powder

2.2 粉芯的特性及軟磁性能

2.2.1 粉芯的密度與微觀形貌

為了便于后續(xù)磁性能的研究,測量了粉芯的密度,如圖4所示,對于單一粒度的粉末制成的粉芯如1#～3#試樣,粉芯的密度隨粉末粒徑的變小先增大后減小。由表3可知,制成的粉芯樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7.1%～8.6%,粉芯密度均不高。當(dāng)粉末粒徑較大時預(yù)制體內(nèi)部氣隙較大,故1#試樣在離心力的作用下滲入的樹脂較多。當(dāng)粒徑過小,預(yù)制體中氣隙較多,粉末總比表面積大,包覆需要的樹脂較多,在樹脂充足以及離心力作用的情況下,3#試樣的密度相對最低僅為3.96 g/cm3。對比1#～7#試樣的密度,可以看出適當(dāng)?shù)牧６却钆淠芴岣咴摴に囍瞥煞坌镜拿芏?6#試樣的密度相對最高,為4.46 g/cm3。

圖4 粉芯的密度Fig.4 Density of powder cores

表3 粉芯樣品中樹脂的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Mass percent of resin of powder cores samples (wt.%)

圖5為其中兩種粉芯樣品的拋光橫截面SEM圖,可見,超重力滲流后片狀粉末大部分呈與離心力方向垂直的方向平鋪分布(離心力方向垂直于圖5所示的截面),粉末分布較均勻,小粒徑粉末分布在大粒徑間,樹脂填充到粉末間隙中,基本無孔洞。

圖5 不同粉芯的橫截面SEM圖Fig.5 SEM images of powder cores cross-sections: (a)2#; (b)6#

圖6為7#試樣的斷面SEM圖,圖6(a)中的A、B、C分別代表著由小粒度到大粒度的3種粉末,部分大粒度粉末分布在樹脂包覆層中,從斷面看樹脂基本能包覆住磁粉,但如圖6(b)所示,樹脂和粉末之間存在空隙,對粉芯磁性能可能有影響。同時,粉芯內(nèi)部雖基本無明顯孔洞,但樹脂分布不均勻,部分包覆層較厚,樹脂較多。綜上,本文采取的制備工藝能使樹脂快速滲入到預(yù)制體多孔結(jié)構(gòu)中并能成功制備粉芯。

圖6 7#試樣縱截面SEM圖(a)以及圖(a)線框區(qū)域放大圖(b)Fig.6 SEM images longitudinal section of sample 7# (a) and enlarged view of wireframe area (b)

2.2.2 粉芯的軟磁性能

圖7給出了7種粉芯的有效磁導(dǎo)率隨頻率變化的曲線?？梢钥闯?由于樹脂的含量較多,制成的粉芯的有效磁導(dǎo)率普遍不高。在較低頻時所有粉芯的有效磁導(dǎo)率隨頻率增加顯著降低,可能是阻抗分析儀在低頻時測試存在誤差引起的。100 kHz以后粉芯的有效磁導(dǎo)率隨頻率增加呈微弱衰減趨勢,且在100～3 000 kHz的衰減變化率低于6.6%,具有較好的頻率穩(wěn)定性。粉芯的有效磁導(dǎo)率與其磁化過程有關(guān),磁化過程包括磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移,阻礙磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移的因素不利于提高有效磁導(dǎo)率[20]。本研究中粉末晶粒的內(nèi)應(yīng)力會影響磁疇轉(zhuǎn)動和疇壁位移,樹脂的含量、包覆層的厚度及粉末間界面的多少會影響疇壁位移。由公式(2)可知,樹脂的體積分?jǐn)?shù)越少,單位體積內(nèi)磁粉的含量越高,即粉芯密度越高,有效磁導(dǎo)率就越高[21]。

圖7 粉芯的磁導(dǎo)率隨頻率變化曲線Fig.7 Magnetic permeability curve of powder cores with the frequency

(2)

式中:μa為粉末的磁導(dǎo)率;g為非磁性材料的體積分?jǐn)?shù)。除了2#和7#試樣,其他粉芯的有效磁導(dǎo)率與其密度都呈正相關(guān)。適當(dāng)?shù)牧６扰浔饶軠p少且減小預(yù)制體中的孔隙,使?jié)B入的樹脂變少,包覆層變薄,從而提高了粉芯密度,同時粉末間界面較少,進(jìn)一步提高了粉芯有效磁導(dǎo)率, 6#試樣的有效磁導(dǎo)率最高,在頻率為3 000 kHz時為28.2。由非磁性顆粒邊界模型(公式(3))可知[22],同等情況下,粉末粒徑越大,粉末間距越小,則有效磁導(dǎo)率越大。2#和4#試樣使用的磁粉的磁性能相差不大,4#試樣有效磁導(dǎo)率較高,是因為4#試樣粉末平均粒徑較大,雖其粉末間距較大,包覆層較厚,阻礙了疇壁位移,但其粉末間界面較少,減少了疇壁位移受到的阻礙。7#試樣的有效磁導(dǎo)率高于5#試樣也是由于上述原因。

(3)

式中:D為粉末直徑;δ為粉末間距;μi為粉末的初始磁導(dǎo)率。

如圖8(a)給出了7種粉芯的損耗隨頻率的變化曲線。頻率在100 kHz以下時,3#試樣的損耗明顯高于其它試樣,其它粉芯的損耗值隨頻率的變化相差不大。頻率較低時,粉芯的損耗主要以磁滯損耗為主,而磁滯損耗受粉末內(nèi)應(yīng)力的影響較大,由上文可知,3#試樣的原料是400～1 000目的磁粉,矯頑力相對偏大,因此3#試樣磁粉芯的損耗在頻率為100 kHz時最大,為19.3 W/kg。當(dāng)頻率較高時,粉芯的損耗以渦流損耗為主。

圖8 粉芯的損耗隨頻率變化曲線(a)及損耗隨頻率對數(shù)變化曲線(b)Fig.8 Loss curve of powder cores with the frequency (a) and logarithm curve of loss with the frequency (b)

有研究表明,粉末粒徑對渦流損耗的影響較大,粒徑減小,渦流損耗隨著減小,但粉末粒徑過小,也不利于減小渦流損耗[23]。頻率超過100 kHz后,1#試樣的粒徑最大,故其損耗增加較快,且在500 kHz時達(dá)到147.8 W/kg。6#試樣的損耗在測試頻率范圍內(nèi)一直相對較低,在100 kHz時為10.7 W/kg即約47.7 mW/cm3,在500 kHz時為99.1 W/kg。Peng等[24]制備的Fe粉芯經(jīng)退火后100 kHz時的有效磁導(dǎo)率為47.22,同頻率下20 mT時的損耗為193.3 mW/cm3,遠(yuǎn)高于同等情況下的6#試樣損耗。賴曉翔等[25]以0.5wt.%疏水性SiO2復(fù)合有機(jī)樹脂作為包覆劑,制得的FeSiCr磁粉芯退火后,在上述同等測試條件下有效磁導(dǎo)率在33左右,損耗約為49.84 mW/cm3,與6#試樣的有效磁導(dǎo)率與損耗相當(dāng)。因此使用超重力滲流工藝制備納米晶合金粉芯是可行的。粉芯的磁損耗也可用斯坦麥茨方程表示[26]

(4)

表4 對數(shù)擬合后的相關(guān)方程參數(shù)Table 4 Parameters of the correlation equation after the logarithmic fitting

由公式(5)可知,Q值與粉芯的損耗成反比,頻率一定時,Q值越大,粉芯的損耗越低[27]。

(5)

式中:Hm為磁場強(qiáng)度;μ′為復(fù)磁導(dǎo)率的實部,數(shù)值上等于μe。圖9是粉芯的品質(zhì)因數(shù)隨頻率的變化曲線。其中,頻率在1～500 kHz時,粉芯Q值的大小變化與圖8損耗隨頻率變化趨勢基本相符,500 kHz左右時6#試樣的Q值相對最大為27.4。頻率在1～1 000 kHz時,各樣品的Q值均隨頻率的增加而增加,但數(shù)值相差不大,在1 000 kHz左右時7#試樣Q值相對較大,其值在30左右。當(dāng)頻率在1 000～3 000 kHz時,除2#和3#試樣,其他樣品的Q值均隨頻率增加而緩慢降低,說明這些粉芯在測試范圍內(nèi)渦流損耗隨頻率的增大并未大幅增加。2#和3#試樣的Q值在經(jīng)歷短暫的降低后,Q值繼續(xù)增加,可能是還未達(dá)到Q值降低的頻率。由圖8(b)的擬合結(jié)果結(jié)合實際測得的損耗可知,由于兩種粉芯使用的粉末平均粒徑小,且樹脂的含量較高,粉末間基本絕緣,在高頻下它們損耗較小,頻率的增速比損耗快,同時可能繞組的等效電阻功率損耗仍然占主導(dǎo)地位,故在測試頻率范圍內(nèi)Q值未降低[28]。

圖9 粉芯的品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化曲線Fig.9 Quality factor curve of powder cores with the frequency

3 結(jié) 論

1)采用超重力滲流工藝成功制備出了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金粉芯,工藝簡單且易操作。通過粒度配比制出粉芯的樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.1%～8.6%,密度為3.96～4.46 g/cm3,在100～3 000 kHz的頻率范圍內(nèi)有效磁導(dǎo)率的衰減變化率低于6.6%。

2)粉末粒度的優(yōu)化配比為:100～200目占60%,200～400目占20%,400～1 000目占20%時,粉芯的綜合性能最好,密度為4.46 g/cm3;3 000 kHz時的磁導(dǎo)率為28.2,損耗(20 mT,500 kHz)為99.1 W/kg,500 kHz時Q值約為27.4。

3)采用斯坦麥茨方程對粉芯在1～500 kHz的損耗進(jìn)行對數(shù)擬合,斯坦麥茨因子α為1.10～1.36,擬合效果較好,結(jié)合Q值隨頻率的變化,可根據(jù)粉芯在低頻下的損耗預(yù)估其在高頻下的損耗。