一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法。它包括如下步骤：1）将金属磁粉过筛进行粒度配比；2）利用溶胶凝胶法对配好的金属磁粉进行绝缘包覆后干燥；3）将干燥后的磁粉与粘结剂混合均匀，加入脱模剂干压成型，将其压制成磁环；4）将磁环于保护气氛中保温0.5~2h，空冷，喷涂，得到目标产物。本发明采用溶胶凝胶法制备的复合粉末包覆均匀、致密，包覆层厚度可控，具有高的热稳定性、高的电阻率以及高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和力学性能；采用溶胶凝胶法在金属磁粉表面均匀包覆一层Al2O3绝缘层，包覆效果优于现有方法，且可操作性强，便于批量生产；大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。
【专利说明】一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁性材料的制备【技术领域】，尤其涉及一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法。
【背景技术】
[0002]金属软磁复合材料是由绝缘介质包覆的铁磁颗粒均匀压制而成的软磁材料。由于磁粉颗粒尺寸很小，基本不发生趋肤效应，磁导率随频率的变化较为稳定。同时金属软磁复合材料还具有较高的饱和磁感应强度、良好的频率特性和恒导磁性等特点，使得软磁复合材料作为电感器、滤波器、扼流圈等广泛应用于雷达、电子通讯和电源开关等领域。
[0003]金属软磁材料在高频下涡流损耗很高，限制了高频下的应用。而软磁复合材料通过在铁磁性颗粒表面包覆一层均匀的绝缘介质膜，电阻率很高，因而降低了高频下的涡流损耗。在当前软磁复合材料的制备工艺中，高温退火处理可以有效降低压制过程中产生的残余应力与缺陷，从而减小磁滞损耗，然而高温热处理也会导致绝缘层的分解而增加涡流损耗。因此具有良好高温稳定性的包覆剂逐渐成为人们研究的热点。绝缘包覆一般分为有机包覆和无机包覆。有机包覆剂主要包括热固性树脂(如环氧树脂、酚醛树脂等)和热塑性树脂(如聚乙烯、聚酰胺等)，但这些有机物耐热温度较低，温度稳定性较差，在高温退火过程中容易分解。无机包覆可以分为:磷酸盐包覆(磷酸锌、磷酸铁和磷酸锰)以及氧化物包覆(Si02、Mg0和铁氧体)等。磷酸盐对磁粉有很好的粘附性以及高的电阻率，但是热稳定性不够，高温热处理过程中容易发生分解，不利于降低高频下的涡流损耗；同时由于磷酸等有害物质的使用，大规模的工业生产会造成环境污染。而金属氧化物具有较高的耐热温度，能够满足退火处理的要求，且电阻率很高，高频下涡流损耗较低，是优良的绝缘包覆剂。
[0004]专利号为200710156842.6以及专利号为200710068246.2的中国发明专利公开了采用有机树脂来绝缘包覆铁基软磁复合材料，但是该软磁复合材料在热处理过程中，由于有机树脂的分解导致产生裂纹，降低了磁粉的绝缘性，从而增加了涡流损耗。
[0005]专利号为201310396266.8的中国发明专利公开了一种纳米晶软磁复合材料的制备方法，该工艺采用磷酸钝化后用环氧树脂包覆，高温热稳定性差，退火处理温度较低，不能有效去除压制过程中产生的内应力，导致磁芯损耗偏大，且采用机械混合搅拌的方式不能对磁粉表面进行均匀的绝缘包覆。
[0006]专利号为200910082072.4的中国发明专利公开了采用正硅酸乙酯和氨水等作为原料，运用溶胶凝胶法对FeSiAl磁粉表面包覆一层SiO2绝缘层，且其包覆厚度可以根据正硅酸乙酯的浓度来进行调节，这也是溶胶凝胶法可以制备出尺寸大小均匀且可控的纳米颗粒的例证。但专利中没有给出所制备的金属软磁复合材料的磁性能。
[0007]专利号为201310212031.9的中国发明专利公开了一种金属软磁复合材料的制备方法，选用纳米氧化物分散液对金属磁粉进行绝缘包覆，其中纳米Al2O3颗粒占纳米Al2O3分散液总重的5?35%。由于这种分散液稳定性差，且纳米颗粒对磁粉的粘附性欠佳，难以实现均匀包覆；同时在磁粉加工成软磁复合材料的过程中，磁粉表面粘附的绝缘物质容易脱落，导致磁粉绝缘性能差，磁芯涡流损耗偏大。本发明与之区别的地方在于:本发明是通过溶胶凝胶法对金属磁粉进行绝缘包覆，包覆层均匀且可控，具有高热稳定性以及较好的磁性能。
【发明内容】
[0008]针对目前软磁复合材料的热稳定性差、绝缘包覆层不均匀的缺陷，本发明提供了一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法，采用溶胶凝胶法对金属软磁复合材料表面包覆高热稳定性的Al2O3层，本发明的技术方案如下:
金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法包括如下步骤:
1)粒度配比:对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉；
2)溶胶凝胶法绝缘包覆:在乙醇中溶解占乙醇重量5~10%的仲丁醇铝，加入占乙醇重量f 2%的乙酰丙酮，加入硝酸调整pH为3~5，搅拌6(Tl80min得到混合溶液；取5~20mL混合溶液加入到金属磁粉中，同时搅拌5~10min，得到悬浮液；然后按去离子水和乙醇体积比1:5"!: 10配制混合液,将混合液逐滴加入到悬浮液中，加热搅拌3(T90min,直到液体完全蒸干，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于5(T100°C环境中干燥l(T20h ;再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在50(T600°C下加热5~1h ;向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量0.5^2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后向包覆后的磁 粉中加入占包覆后的磁粉总重0.5^2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉；
3)压制成型:将待成型磁粉在60(T2000MPa的压强下压制成型，得到软磁复合材料；
4)热处理:采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于60(T750°C环境中保温3(Tl20min ；
5)表面喷涂:在步骤4)处理后的软磁复合材料表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。
[0009]所述的金属磁粉的重量为l(T20g，所述的混合溶液中乙醇的体积为10(Tl50mL。
[0010]所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、S12中的一种或多种。
[0011]所述的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钥中的一种或多种。
[0012]与现有的软磁复合材料制备方法相比，本发明主要具有如下优点:
(1)采用溶胶凝胶法制备的复合粉末包覆层均匀、致密，包覆层厚度可控，具有良好的抗氧化性、高的电阻率、高的饱和磁化强度，具有优良的磁性能和物理性能；
(2)采用溶胶凝胶法在金属磁粉表面均匀包覆一层Al2O3绝缘层，包覆过程温度低，包覆效果优于现有方法，反应设备简单，操作简便，便于批量生产；
(3)绝缘包覆层具有高的热稳定性，可以在600°C以上的温度进行退火处理而不发生分解和破坏；
(4)绝缘包覆层电阻率较高，可以有效提高软磁复合材料的电阻率，大幅降低软磁复合材料的磁芯损耗。
【具体实施方式】[0013]本发明采用具有高化学活性的仲丁醇铝作前驱体，乙酰丙酮作为稳定剂，硝酸作为催化剂，乙醇作为溶剂，在液相下将各种原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶；现结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
[0014]实施例1
将15g铁粉过筛进行粒度配比，在10mL乙醇中溶解乙醇重量8%的仲丁醇铝，加入乙醇重量1%的乙酰丙酮，加入硝酸调整PH为4，搅拌120min得到混合溶液；取1mL混合溶液加入到金属磁粉中，同时搅拌5min，得到悬浮液；然后按去离子水和乙醇体积比1:5配制混合液，将混合液逐滴加入到悬浮液中，加热搅拌60min，直到液体完全蒸干，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于80°C环境中干燥15h ;再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在500° C下加热5h ;向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量0.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为环氧树脂；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重0.5%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸锌，得到待成型磁粉；将待成型铁粉在600MPa的压强下压制成外径23.6mm,内径14.4mm,高8.89mm的环形软磁复合材料；米用氮气作保护气氛，将软磁复合材料置于600° C环境中保温30min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁基软磁复合材料。
[0015]在铁基软磁复合材料上采用线径Φ0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电 磁性能具体如下:
(1)软磁复合材料磁导率:73；
(2)10kHz/lV 条件下，电感 L=43.6 μ H ;
(3)直流叠加性能:10kHz,H=100e 时，LH/L0=42.4% ；
(4)100kHz/lV条件下，品质因数Q=52 ；
(5)软磁复合材料损耗:50kHz/100mT时，Pcv=1072.5mW/cm3。
[0016]实施例2
将1g铁硅铝磁粉过筛进行粒度配比，在120mL乙醇中溶解乙醇重量5%的仲丁醇铝，加入乙醇重量1.5%的乙酰丙酮，加入硝酸调整pH为3，搅拌60min得到混合溶液；取5mL混合溶液加入到金属磁粉中，同时搅拌8min，得到悬浮液；然后按去离子水和乙醇体积比1:7配制混合液，将混合液逐滴加入到悬浮液中，加热搅拌30min，直到液体完全蒸干，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于50°C环境中干燥20h ;再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在550°C下加热7h ;向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量1.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为酚醛树脂；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重1.0%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸钡和硬脂酸钙按质量比1:1混合的混合物，得到待成型磁粉；将待成型磁粉在2000MPa的压强下压制外径23.6mm,内径14.4mm,高8.89mm的环形软磁复合材料；采用IS气作保护气氛，将软磁复合材料置于680° C环境中保温60min,制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁硅铝软磁复合材料。
[0017]在铁硅铝软磁复合材料上采用线径Φ0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电磁性能具体如下:(1)软磁复合材料磁导率:96；
(2)10kHz/lV 条件下，电感 L=54.3 μ H ;
(3)直流叠加性能:10kHz,H=100e 时，LH/L0=41.3% ；
(4)100kHz/lV条件下，品质因数Q=75 ；
(5)软磁复合材料损耗:50kHz/100mT时，Pw=242.6mW/cm3。
[0018]实施例3
将20g铁镍磁粉(铁、镍的质量百分比各为50%)过筛进行粒度配比，在150mL乙醇中溶解乙醇重量10%的仲丁醇铝，加入乙醇重量2%的乙酰丙酮，加入硝酸调整pH为5，搅拌180min得到混合溶液；取20mL混合溶液加入到金属磁粉中，同时搅拌1min,得到悬浮液；然后按去离子水和乙醇体积比1:10配制混合液，将混合液逐滴加入到悬浮液中，加热搅拌90min，直到液体完全蒸干，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于100°C环境中干燥1h ;再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在600°C下加热1h ;向包覆后的磁粉加入占包覆后的磁粉质量2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀，所述的粘结剂为硅树脂；向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重2.0%的脱模剂并混合均匀，所述的脱模剂为硬脂酸锌和二硫化钥按质量比1:1混合的混合物，得到待成型磁粉；将待成型磁粉在1500MPa的压强下压制成外径23.6mm,内径14.4mm,高8.89mm的环形软磁复合材料；采用氮气作保护气氛，将软磁复合材料置于750° C环境中保温120min，制成软磁复合材料；在软磁复合材料的表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到铁镍基软磁复合材料。
[0019]在铁镍基软磁复合材料上采用线径Φ0.8mm，线长0.9m的漆包线绕制20匝电感线圈，测得软磁复合材料电磁性能具体如下:
Cl)软磁复合材料磁导率:152 ；
(2)10kHz/lV 条件下，电感 L=51.2 μ H ;
(3)直流叠加性能:10kHz,H=100e 时，LH/L0=78.9% ；
(4)100kHz/lV条件下，品质因数Q=86 ；
(5)软磁复合材料损耗:50kHz/100mT时，Pw=224.8mW/cm3。
【权利要求】
1.一种金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)粒度配比:对金属磁粉过筛后进行粒度配比，所述金属磁粉是铁基磁粉、铁硅基磁粉或铁镍基磁粉； 2)溶胶凝胶法绝缘包覆:在乙醇中溶解占乙醇重量5~10%的仲丁醇铝，加入占乙醇重量f 2%的乙酰丙酮，加入硝酸调整pH为3~5，搅拌6(Tl80min得到混合溶液；取5~20mL混合溶液加入到金属磁粉中，同时搅拌5~10min，得到悬浮液；然后按去离子水和乙醇体积比1:5"!: 10配制混合液,将混合液逐滴加入到悬浮液中，加热搅拌3(T90min,直到液体完全蒸干，得到包覆后的磁粉；然后将包覆后的磁粉置于5(T100°C环境中干燥l(T20h ;再将包覆后的磁粉放在惰性气体氛围的管式炉中在50(T600°C下加热5~1h ;向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉质量0.5^2.5%的粘结剂，在加热条件下充分搅拌至混合物干燥、混合均匀；最后向包覆后的磁粉中加入占包覆后的磁粉总重0.5^2.0%的脱模剂并混合均匀，得到待成型磁粉； 3)压制成型:将待成型磁粉在60(T2000MPa的压强下压制成型，得到软磁复合材料； 4)热处理:采用氮气或氩气作保护气氛，将软磁复合材料置于60(T750°C环境中保温3(Tl20min ； 5)表面喷涂:在步骤4)处理后的软磁复合材料表面喷涂一层环氧树脂绝缘漆，制得成品，即得到金属软磁复合材料。
2.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法，其特征在于:所述的金属磁粉的重量为l(T20g，所述的混合溶液中乙醇的体积为10(Tl50mL。
3.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法，其特征在于:所述的粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、聚氟化乙烯、三聚氰胺树脂、低熔点玻璃粉、S12中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的金属软磁复合材料的高热稳定性绝缘包覆处理方法，其特征在于:所述的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡、硬脂酸钙或二硫化钥中的一种或多种。
【文档编号】H01F1/24GK104028749SQ201410245746
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】严密, 刘冬, 吴琛 申请人:浙江大学