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實驗室(武漢科技大學),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,被廣泛應用于開關電源和電感濾波器等領域[1-2]。電子領域的飛速發(fā)展促使著磁粉芯向高頻化、低損化、小型化和經(jīng)濟化發(fā)展,而鐵基納米晶合金由于具有高磁導率、較高飽和磁感應強度和低損耗等特點,近年來在磁粉芯領域受到了較大關注[3-5]。

磁粉芯的制備工序較復雜,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[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對FeSiB粉芯磁性能的影響,發(fā)現(xiàn)壓強在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率,使用的壓強應高于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,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,有效磁導率高達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。

超重力技術是一種通過離心力實現(xiàn)物質傳輸和能量傳遞的重要手段,多被應用于金屬凝固細化、液體滲透等領域[9-13]。Zhang等[13]報道了在超重力場的作用下,雖然W、Cu復合受內(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,其有效磁導率越大,損耗越大,而適當?shù)脑诖罅椒勰┲刑砑虞^小粒徑的粉末,能提高粉芯有效磁導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行優(yōu)化配比,制得了一種有效磁導率約為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的水平轉子中,設置離心加速度為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(質量分數(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,粉芯結構也使用其觀察;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,設定磁感應強度為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為真空磁導率,其值為4π×10-7。

2 結果與討論

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結構的α-Fe(Si),分別對應晶面(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目粉末飽和磁感應強度(Ms)較高,可達127 Am2/kg;400～1 000目粉末的剩余磁感應強度(Mr)和Hc相對較大,這可能是機械破碎制粉時,小粒徑粉末受到的撞擊次數(shù)較多,粉末晶粒的內(nèi)部應力較大,阻礙了磁疇轉動和疇壁位移所導致的,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量分數(shù)在7.1%～8.6%,粉芯密度均不高。當粉末粒徑較大時預制體內(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。當粒徑過小,預制體中氣隙較多,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?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(質量分數(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制體多孔結構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種粉芯的有效磁導率隨頻率變化的曲線。可以看出,由于樹脂的含量較多,制成的粉芯的有效磁導率普遍不高。在較低頻時所有粉芯的有效磁導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。粉芯的有效磁導率與其磁化過程有關,磁化過程包括磁疇轉動和疇壁位移,阻礙磁疇轉動和疇壁位移的因素不利于提高有效磁導率[20]。本研究中粉末晶粒的內(nèi)應力會影響磁疇轉動和疇壁位移,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,樹脂的體積分數(shù)越少,單位體積內(nèi)磁粉的含量越高,即粉芯密度越高,有效磁導率就越高[21]。

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

(2)

式中:μa為粉末的磁導率;g為非磁性材料的體積分數(shù)。除了2#和7#試樣,其他粉芯的有效磁導率與其密度都呈正相關。適當?shù)牧６扰浔饶軠p少且減小預制體中的孔隙,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,進一步提高了粉芯有效磁導率, 6#試樣的有效磁導率最高,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時的有效磁導率為47.22,同頻率下20 mT時的損耗為193.3 mW/cm3,遠高于同等情況下的6#試樣損耗。賴曉翔等[25]以0.5wt.%疏水性SiO2復合有機樹脂作為包覆劑,制得的FeSiCr磁粉芯退火后,在上述同等測試條件下有效磁導率在33左右,損耗約為49.84 mW/cm3,與6#試樣的有效磁導率與損耗相當。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為磁場強度;μ′為復磁導率的實部,數(shù)值上等于μe。圖9是粉芯的品質因數(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,可能是還未達到Q值降低的頻率。由圖8(b)的擬合結果結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 粉芯的品質因數(shù)隨頻率變化曲線Fig.9 Quality factor curve of powder cores with the frequency

3 結 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量分數(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,結合Q值隨頻率的變化,可根據(jù)粉芯在低頻下的損耗預估其在高頻下的損耗。