王 堯，朱乾科，陳 哲，張克維,2

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省磁電功能材料及其應(yīng)用重點實驗室，太原 030024)

0 引 言

磁粉芯是由軟磁粉末和絕緣材料混合壓制而成的一種新型軟磁復(fù)合材料[1]。相較于傳統(tǒng)的軟磁材料，磁粉芯具有高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強度、低損耗等優(yōu)點，且三維外形尺寸隨模具改變滿足多種異形件需求，因此在諧振電感、pfc電感、輸出濾波器電感和濾波電感等方面磁粉芯具有廣泛的應(yīng)用前景[2-9]。近年來，氣體霧化技術(shù)因其成球率高、松裝密度大、通過霧化參數(shù)(包括霧化噴嘴以及工藝參數(shù))的設(shè)計和控制，可以實現(xiàn)非晶和過飽和固溶體等非平衡組織的粉末制備等優(yōu)點，且所制備的微米級粉末還具有高耐蝕性、高強度特點，成為磁粉芯領(lǐng)域的一個研究熱點[10-16]。目前，基于微米級氣霧化磁粉的磁粉芯的研究主要集中在粉末合金成分、包覆方法等對磁粉芯軟磁性能的影響[17-19]，然而，成型壓強對最終磁粉芯的整體性能同樣起著重要的作用。研究表明，壓強對磁粉芯磁性能有很大影響，在磁粉芯成型過程中主要通過增大絕緣包覆層密度和減小粉末間隙大小來達到提高磁導(dǎo)率的目的，并以顆粒間隙、絕緣層體積分數(shù)等參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合顆粒直徑推導(dǎo)出磁導(dǎo)率計算公式，在理想條件下定義了四者之間的關(guān)系[20-22]。然而，隨著壓強的增加，顆粒間隙和有機絕緣層體積逐漸被壓縮，內(nèi)應(yīng)力也逐漸增大，甚至包覆層也可能被破壞。同時，壓強過大還會導(dǎo)致磁粉顆粒發(fā)生塑性變形，在顆粒內(nèi)部形成位錯，對疇壁遷移起到釘扎作用，降低磁粉芯的軟磁性能。因此，綜合考慮成型壓強對磁粉芯顆粒間隙、內(nèi)應(yīng)力以及包覆層性能的影響，才能全面剖析成型壓強與磁粉芯軟磁性能之間的影響機制。

本文用氣霧化微米級FeSiB粉末經(jīng)過預(yù)處理、包覆后在不同成型壓強下制備了磁粉芯，并研究了成型壓強對退火后磁粉芯軟磁性能的影響，旨在尋找最佳成型壓強，通過平衡磁粉芯密度與內(nèi)應(yīng)力之間的關(guān)系以達到改善磁粉芯軟磁性能的目的。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

本實驗所用原始粉末為上海皓錫納米科技公司生產(chǎn)的氣霧化球形FeSiB粉末(10～20 μm，99.9 %)。

1.2 樣品制備

首先，使用1%(質(zhì)量分數(shù))的磷酸二氫鈉作為鈍化劑，用超純水溶解后加入FeSiB粉末進行鈍化處理，加入無水乙醇至淹沒粉末，防止氧化，攪拌1h使反應(yīng)充分進行，然后洗凈烘干。之后，加入1%(質(zhì)量分數(shù))硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)和2%(質(zhì)量分數(shù))的環(huán)氧樹脂(用無水乙醇溶解)，攪拌0.5 h完成FeSiB粉末的包覆。之后，在80℃下真空烘干1h。稱取6 g烘干后的磁粉分別在800、1 000、1 200、1 400和1 600 MPa的壓強下壓制成型，壓下速率0.1 kN/s，保壓時間100 s，制備出磁粉芯的尺寸約為18 mm(外徑)×10 mm(內(nèi)徑)×7 mm(高度)，隨后將壓制成型的磁粉芯進行退火處理。

1.3 樣品性能及表征

用DSC(Netzsch STA 449 F3 Jupiter?)對粉末晶化過程進行了表征。用掃描電鏡(SEM，JEOL-7000 F)對磁粉和磁粉芯進行形貌觀察。使用X射線衍射儀(MiniFlex 600)C對磁粉和磁粉芯的晶體結(jié)構(gòu)進行表征。使用交流B-H儀(MATS-3000S)對磁粉芯的各項磁性能進行檢測，測試條件：Bm=50 mT，f=10 k～100 kHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料粉末分析

圖1(a)所示為氣霧化FeSiB粉末的DSC曲線?？梢钥闯?，曲線中存在兩個明顯的放熱峰，對應(yīng)的峰值溫度分別為819和933 K[23]。其中，第一放熱峰對應(yīng)初晶相α-Fe(Si)軟磁相的析出，第二放熱峰對應(yīng)Fe-B硬磁相的析出[24]。另外，在一次晶化峰之前還存在一個較小的放熱峰，為玻璃化轉(zhuǎn)變峰，對應(yīng)溫度為782 K。圖1(b)為氣霧化FeSiB粉末的XRD圖譜，從圖中可以看出在2θ=45°處有一個漫散峰，同時在漫散峰上存在一個晶化峰，結(jié)合圖1(a)的DSC曲線，可以看出所購買的氣霧化FeSiB粉末為非晶和納米晶相共存。

圖1 氣霧化FeSiB粉末DSC曲線和氣霧化FeSiB粉末XRD曲線Fig 1 DSC curve and XRD pattern of FeSiB powders

2.2 粉末預(yù)處理結(jié)果

圖2為鈍化-包覆前后FeSiB粉末的SEM圖。圖2(a)為未鈍化粉末，可以看出粉末顆粒的粒徑分布在10～20 μm，外形基本呈球形。圖2(b)為經(jīng)過鈍化處理的FeSiB粉末，對比圖2(a)，可以發(fā)現(xiàn)鈍化后FeSiB粉末的表面較為光亮，這是因為粉末顆粒經(jīng)過鈍化處理后，表面形成一層磷化膜，粗糙度降低。圖2(c)為未鈍化-包覆后FeSiB粉末的SEM圖像，可以看出大部分顆粒表面并未有包覆層或包覆不完整。圖2(d)為經(jīng)過鈍化處理的FeSiB粉末包覆后SEM圖像，可以看出粉末顆?；颈唤^緣層包覆。綜合分析可知，未經(jīng)處理的FeSiB粉末具有親水性極性，而有機絕緣(粘結(jié)劑)環(huán)氧樹脂為疏水非極性材料，絕緣粘結(jié)劑不能直接均勻包覆粉末顆粒。鈍化處理后，在粉末顆粒表面形成疏水性鈍化膜，提高顆粒的流動性，增強粉末的成型能力，使環(huán)氧樹脂與FeSiB粉末能夠更好地結(jié)合，均勻、致密地包覆在球形粉末上，有助于減少磁粉芯的損耗，提高磁粉芯品質(zhì)因數(shù)Q值。

圖2 FeSiB粉末的SEMFig 2 SEM images of FeSiB powdersbefore and passivation,and after coating without and with passivation

2.3 磁粉芯性能分析

為了防止粉末顆粒非晶相晶化，保留非晶相的優(yōu)點，磁粉芯采用冷壓成型。而由壓力導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力會阻礙疇壁遷移和磁疇轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致磁粉芯有效磁導(dǎo)率降低。因此，需要對壓制成型的磁粉芯進行低溫退火處理以消除內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)DSC測試的結(jié)果，由于FeSiB粉末的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為782 K，為了防止磁粉芯進一步晶化，壓制成型后的去應(yīng)力退火溫度應(yīng)低于782 K，因此選取退火溫度為682K，退火時間為1 h[25]。圖3為800 MPa和1 600 MPa下壓制成型的磁粉芯退火后的SEM圖像。可以看出，隨著壓強的增大，樹脂被壓實，粉末間隙減小。當成型壓強從800 MPa增加到1 400 MPa時，磁粉芯密度從4.63 g/cm3增加到4.94 g/cm3，變化較大；當壓強繼續(xù)增加到1 600 MPa時，密度增加至4.97g/cm3，磁粉芯的密度增長很小，同時，過大的壓強會導(dǎo)致磁粉芯內(nèi)部產(chǎn)生更大的內(nèi)應(yīng)力，此時僅靠退火并不能消除所有的內(nèi)應(yīng)力。

圖3 磁粉芯退火后SEM圖Fig 3 SEM images of powder cores after annealing under 800 and 1 600 MPa

圖4(a)為退火處理后磁粉芯有效磁導(dǎo)率μe與磁場頻率f的關(guān)系?？梢钥闯?，在同一壓強下，所有磁粉芯的有效磁導(dǎo)率隨磁場頻率的波動變化較小，表明其磁導(dǎo)率具有較好的頻率穩(wěn)定性。另一方面，如圖4(d)所示，隨著壓強的增加，磁粉芯的磁導(dǎo)率先增大后減小，當壓強為1 400 MPa時，F(xiàn)eSiB磁粉芯的磁導(dǎo)率最高。該現(xiàn)象可以通過非磁性顆粒邊界模型(NMGB)解釋[20-21]：

圖4 磁粉芯磁性能測試結(jié)果圖：不同壓強下磁粉芯磁導(dǎo)率、損耗和Q值隨磁場頻率f的變化；100kHz下磁粉芯隨壓強變化的磁導(dǎo)率、損耗和Q值Fig 4 Magnetic property of powder cores.The relationship between permeability,core loss,Q and funder different pressure and the relationship between permeability,core loss,Q and pressureunder 100 kHz

(1)

式中，μeff為實測磁芯磁導(dǎo)率，D為粉末顆粒直徑，δ為顆粒間距，μi為粉末顆粒的初始磁導(dǎo)率?？梢钥闯?，隨著壓強增大，磁粉芯空隙δ變小，密度隨之增大，同時非磁性材料的比例減小，相應(yīng)的μeff增大。絕緣包覆層體積分數(shù)與磁導(dǎo)率的關(guān)系如式(2)所示[26]：

(2)

式中，μa為磁粉的磁導(dǎo)率，g為絕緣粘結(jié)劑的體積百分比。由公式可以看出，當絕緣包覆層所占的體積分數(shù)及磁粉磁導(dǎo)率遠大于1時，磁粉芯的磁導(dǎo)率與絕緣包覆層的百分比可以近似地認為是反比關(guān)系。另外，在壓強增加的過程中，F(xiàn)eSiB粉末顆粒的體積基本不可能被壓縮，而絕緣粘結(jié)劑在高壓之下則盡可能填充粉末之間的空隙以隔離顆粒。在這種情況下，磁粉芯的氣隙減小，而絕緣粘結(jié)劑經(jīng)壓縮后的體積分數(shù)相對減小，結(jié)合式(1)和(2)，可以看出磁粉芯磁導(dǎo)率隨壓強增大而增大。

圖4(b)為不同成型壓強下FeSiB磁粉芯的磁損耗(PCV)與測試頻率的關(guān)系，圖4(e)為100 kHz下磁粉芯的磁損耗(PCV)與成型壓強的關(guān)系?？梢钥闯觯S著頻率的增加磁粉芯損耗逐漸增大；另一方面，隨著壓強的增加，磁粉芯的磁損耗先減小后增大，當壓強達到1 400 MPa時，磁粉芯的損耗最低為103 W/kg，但是壓強繼續(xù)增大時，磁損耗也隨之增加。在800～1 400 MPa壓強范圍內(nèi)，隨著成型壓強的增加，粉末顆粒絕緣包覆層變的致密，增強了磁粉芯的絕緣效果，最直接的影響就是磁粉芯渦流損耗(Pe)減小。當壓強從1 400 MPa上升到1 600 MPa時，損耗由103 W/kg增大至111 W/kg。這是因為隨著壓強的增加，磁粉芯的內(nèi)應(yīng)力也隨之增加，而退火未能完全消除內(nèi)應(yīng)力。因此，隨著內(nèi)應(yīng)力的積累，阻礙疇壁的遷移和磁疇的轉(zhuǎn)動，使磁粉芯的損耗增加。此外，當壓強達到一定值時，粉末顆粒將發(fā)生形變，并且在變形過程中會出現(xiàn)大量缺陷。由于磁疇壁在缺陷處自由能較低，對疇壁起到扎釘作用，阻礙磁疇壁的遷移，會導(dǎo)致磁粉芯矯頑力及損耗增大[27-28]。

圖4(c)為不同壓強壓制后FeSiB磁粉芯的Q值與測試頻率的關(guān)系，圖4(f)為100 kHz下磁粉芯的Q值與成型壓強的關(guān)系。從圖4(f)可以看出，隨著壓強的增加，Q值先增大后減小，在1 400 MPa壓強下達到峰值64.34(50 mT，100 kHz)。這是因為隨著壓強增加到1400 MPa，氣隙大量消失，絕緣包覆層被壓縮，絕緣效果更好，磁粉芯磁導(dǎo)率逐漸增大，渦流損耗逐漸降低，導(dǎo)致Q值增大；當壓強繼續(xù)增大到1 600 MPa時，磁導(dǎo)率變化較小，但是絕緣層破損，導(dǎo)致粉體顆粒直接接觸，電阻率大幅下降，渦流損耗大幅增加，從而使得Q值下降[29]。另一方面，在同一壓強下磁粉芯的Q值隨頻率變化是穩(wěn)定的，說明磁粉芯的綜合磁性能較為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

研究了不同成型壓強對磁粉芯軟磁性能的影響，隨著成型壓強從800 MPa增加到1 600 MPa，磁粉芯密度從4.63 g/cm3增加到4.97 g/cm3；磁導(dǎo)率先增加后減小，損耗先減小后增加，Q值先增加后減小。當成型壓強為1 400 MPa時，磁粉芯的綜合磁性能最佳，此時磁導(dǎo)率為17.66，損耗為103.04 W/kg，Q值為64.34。