本发明涉及电子元件技术领域，特别涉及一种纳米晶复合磁芯及其制备方法。
背景技术：
21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备和产品的依赖性越来越大，而这些电子设备和产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积和重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻、更小、效率更高且更可靠，这使得高频开关电源成为应用最广泛的电源，其应用领域从家庭用的灯饰、空调、电视、电脑电源等到办公室打印复印机等等。随着国内外能源日益紧张，环境污染问题日益严重，对用电设备节能降耗的要求越来越高，也就对其电源使用效率的要求越来越高。
由于在AC-DC开关电源的输入端，电源经全波整流后，整流器与电容、电感电路组成非线性组的储能能组件；虽然输入正弦交流电压，但因为负载的非线性，导致电流输入波形严重畸变。因此，大量应用整流电路，会使电网供给严重畸变的非正弦电流，并且输入端功率因子下降。
目前，开关电源在应用过程中主要存在两类问题：1、不同负载时效率无法均衡：用电设备不会24小时都在额定功率满负荷运行，有部分时间处于待机状态，而主动式PFC设计时会针对50％以上负载做主要设计，导致轻载时电源的效率低下。2、断续工作模式下的主动式PFC或者感性负载上有交变的大电流，都会导致开关器件容易受到损伤，开关损耗加大，无功功耗增加，降低整机的效率。
要解决开关电源的上述问题，要求PFC电感的磁芯具有过大电流且不易饱和的特性，并且具有高磁导率，能提供大电流瞬变阻抗。而现有技术中的磁芯由各种软磁合金粉末压制而成，所以具有无数个均匀分布的小气隙，这就决定了它具有强大的抗饱和能力，也就是能大电流下不饱和，但也因为分布气隙，导致磁导率低下，一般不超过200，瞬变阻抗低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米晶复合磁芯及其制备方法，在具有过大电流和不易保护的前提下，具有高的磁导率。
本发明提供了一种纳米晶复合磁芯，由包括如下质量含量的原料依次经压制和热处理得到：80～99％的磁性纳米晶合金粉，0.5～8％的绝缘包覆剂和余量的铁氧体磁芯；表面包覆绝缘包覆剂后的磁性纳米晶合金粉包覆于铁氧体磁芯表面。
优选的，所述所述原料包括82～95％的磁性纳米晶合金粉，1～2％的绝缘包覆剂和余量的铁氧体磁芯。
优选的，所述磁性纳米晶合金粉的粒度为100～500目。
优选的，所述磁性纳米晶合金粉包括铁基纳米晶合金粉、钴基纳米晶合金粉、铁镍基纳米晶合金粉或钴镍基纳米晶合金粉。
优选的，所述铁氧体磁芯的材质包括锰锌铁氧体和/或镍锌铁氧体。
本发明还提供了上述纳米晶复合磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将磁性纳米晶合金粉与绝缘包覆剂混合，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料与铁氧体磁芯模压成型，使混合物料包覆于铁氧体磁芯表面，得到坯体；
(3)将所述步骤(2)得到的坯体进行预热处理，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
(4)将所述步骤(3)得到的纳米晶复合磁芯前驱体进行退火处理，得到纳米晶复合磁芯。
优选的，所述步骤(1)中混合的温度为15～130℃，混合的速率为5～60r/min，混合的时间为5～80min。
优选的，所述步骤(2)中模压成型的压力为10～30t/cm2。
优选的，所述步骤(3)中预热处理的温度为100～300℃，预热处理的时间为10～80min。
优选的，所述步骤(4)中退火处理的温度为300～500℃，退火处理的时间为10～80min。
本发明提供了一种纳米晶复合磁芯及其制备方法。本发明提供的纳米晶复合磁芯由包括如下质量含量的原料依次经压制和热处理得到：80～99％的磁性纳米晶合金粉，0.5～8％的绝缘包覆剂和余量的铁氧体磁芯；表面包覆绝缘包覆剂后的磁性纳米晶合金粉包覆于铁氧体磁芯表面。本发明利用磁性纳米晶粉的过大电流不饱和能力，配合铁氧体磁芯的高磁导率，使纳米晶复合磁芯同时具有过大电流不饱和以及高磁导率的特性，能够减少电流畸变，解决低阻抗大开关电流的瞬态电流畸变问题，降低大电流的瞬变损耗，起到大电流瞬间通断软着陆的作用，保护用电设备，提高电源功率因素。实验结果表明，本发明提供的纳米晶复合磁芯提高了初始磁导率，磁场强度为0.2(Oe)时，纳米晶复合磁芯的磁导率达10000，基本为铁氧体磁芯的初始磁导率，是现有技术中的纳米晶磁粉芯磁导率的169倍。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米晶复合磁芯，由包括如下质量含量的原料依次经压制和热处理得到：80～99％的磁性纳米晶合金粉，0.5～8％的绝缘包覆剂和余量的铁氧体磁芯；所述磁性纳米晶合金粉和绝缘包覆剂包覆于铁氧体磁芯表面。
在本发明中，制备所述纳米晶复合磁芯的原料包括质量含量为80～99％的磁性纳米晶合金粉，优选为82～95％，更优选为88～92％。在本发明中，所述磁性纳米晶合金粉的晶粒直径优选为1～100nm，更优选为10～80nm，最优选为20～50nm。在本发明中，所述磁性纳米晶合金粉的粒度优选为100～500目，更优选为150～400目，最优选为200～300目。在本发明中，所述磁性纳米晶合金粉的的形状优选为球形或片状。在本发明中，所述磁性纳米晶合金粉优选包括铁基纳米晶合金粉、钴基纳米晶合金粉、铁镍基纳米晶合金粉或钴镍基纳米晶合金粉。
本发明对所述磁性纳米晶合金粉的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售磁性纳米晶合金的粉末产品或市售磁性纳米晶合金的带材粉碎得到即可。在本发明中，所述磁性纳米晶合金优选包括铁基纳米晶合金、钴基纳米晶合金、铁镍基纳米晶合金或钴镍基纳米晶合金。在本发明的实施例中，所述铁基纳米晶合金可具体为1K107、1K102、1K103、1K104、1K105、1K106或1K107。在本发明的实施例中，所述钴基纳米晶合金可具体为1K201、1K202J或1K203。在本发明的实施例中，所述铁镍基纳米晶合金可具体为1K501J、1K501H、1K502J或1K503J。在本发明的实施例中，所述钴镍基纳米晶合金可具体为1K601或1K601J。在本发明中，所述磁性纳米晶合金粉使纳米晶复合磁芯具有过大电流且不易饱和的特性。
在本发明中，制备所述纳米晶复合磁芯的原料包括质量含量为0.5～8％的绝缘包覆剂，优选为1～2％，更优选为1.2～1.5％。本发明对所述绝缘包覆剂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的磁粉芯用绝缘包覆剂即可。在本发明中，所述绝缘包覆剂优选包括磷酸、硅酸钠、硅酸钾、正硅酸乙酯，硬脂酸锌、硅酮树脂、云母和高岭土中的一种或多种。在本发明中，所述绝缘包覆剂能够对磁性纳米晶粉进行绝缘包覆并粘结。
在本发明中，按原料总质量为100％计，制备所述纳米晶复合磁芯的原料还包括余量的铁氧体磁芯。在本发明中，所述铁氧体磁芯的初始磁通量优选为2000～12000，更优选为4000～10000，最优选为6000～8000。在本发明中，所述铁氧体磁芯的材质优选包括锰锌铁氧体和/或镍锌铁氧体。在本发明中，当所述铁氧体磁芯的材质包括锰锌铁氧体和镍锌铁氧体时，所述锰锌铁氧体和镍锌铁氧体的质量比优选为1～99:99～1，更优选为10～90:90～10，最优选为20～80:80～20。
本发明对所述铁氧体磁芯的种类及来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述铁氧体磁芯使纳米晶复合磁芯具有高磁导率。
本发明还提供了一种上述技术方案所述纳米晶复合磁芯的制备方法，包括以下步骤：
(1)将磁性纳米晶合金粉与绝缘包覆剂混合，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料与铁氧体磁芯模压成型，使混合物料包覆于铁氧体磁芯表面，得到坯体；
(3)将所述步骤(2)得到的坯体进行预热处理，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
(4)将所述步骤(3)得到的纳米晶复合磁芯前驱体进行退火处理，得到纳米晶复合磁芯。
本发明将磁性纳米晶合金粉与绝缘包覆剂混合，得到混合物料。在本发明中，所述混合的温度优选为15～130℃，更优选为25～100℃，最优选为50～60℃；所述混合的速率优选为5～60r/min，更优选为10～50r/min，最优选为20～30r/min；所述混合的时间优选为5～80min，更优选为20～60min，最优选为30～40min。在本发明中，所述混合使绝缘包覆剂包覆于磁性纳米晶合金粉表面。
得到混合物料后，本发明将所述混合物料与铁氧体磁芯模压成型，使混合物料包覆于铁氧体磁芯表面，得到坯体。在本发明中，所述模压成型的压力优选为10～30t/cm2，更优选为15～25t/cm2，最优选为18～22t/cm2。在本发明中，所述压力下保压的时间优选为2～30s，更优选为10～20s。
在本发明中，所述模压成型优选使混合物料包覆于铁氧体磁芯表面。在本发明中，所述模压成型具体优选为：在模具中加入部分混合物料，再加入铁氧体磁芯，最后将剩余部分混合物料填充于铁氧体和模具间的空隙中加压。本发明对所述两部分混合物料的比例没有特殊的限定，根据模具和铁氧体磁芯的尺寸进行调整即可。
本发明对所述模具的尺寸没有特殊的限定，根据所需磁芯的尺寸进行调整即可。在本发明中，所述模具优选为中通圆柱体；所述模具的外径优选为20～50mm，更优选为25～40mm；所述模具的内径优选为10～20mm，更优选为14～15mm；所述模具的高度优选为10～20mm，更优选为11～15mm。
本发明对所述铁氧体磁芯的尺寸没有特殊的限定，根据所需磁芯的尺寸进行调整即可。在本发明中，所述铁氧体磁芯优选为中通圆柱体；所述铁氧体磁芯的外径优选为20～40mm，更优选为25～35mm；所述铁氧体磁芯的内径优选为20～30mm，更优选为22～26mm；所述铁氧体磁芯的高度优选为1～3mm。
得到坯体后，本发明将所述坯体进行预热处理，得到纳米晶复合磁芯前驱体。在本发明中，所述预热处理的温度优选为100～300℃，更优选为150～250℃，最优选为180～220℃；所述预热处理的时间优选为10～80min，更优选为20～70min，最优选为30～50min。在本发明中，所述预热处理优选在真空或惰性气体保护下进行。在本发明中，所述真空的真空度优选为0.001～0.1Pa。在本发明中，所述惰性气体的流量优选为3～6L/min；所述惰性气体优选为氮气或氩气。在本发明中，所述预热处理能够使包覆剂中的有机物碳化。
得到纳米晶复合磁芯前驱体后，本发明将所述纳米晶复合磁芯前驱体进行退火处理，得到纳米晶复合磁芯。在本发明中，所述退火处理的温度优选为300～500℃，更优选为350～450℃，最优选为380～420℃；所述退火处理的时间优选为10～80min，更优选为20～70min，最优选为30～50min。在本发明中，所述退火处理优选在真空或惰性气体保护下进行。在本发明中，所述真空的真空度优选为0.001～0.1Pa。在本发明中，所述惰性气体的流量优选为3～6L/min；所述惰性气体优选为氮气或氩气。在本发明中，所述退火可以消除应力。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的纳米晶复合磁芯及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
对比例1:
江西艾特磁材有限公司的ETN33060纳米晶磁粉芯，标准磁导率60，标准成分为1K107，尺寸为OD33.1mm×ID19.2mm×HT11.5mm，涂装前的有效尺寸为：OD33.02mm×ID19.90mm×HT10.67mm。
实施例1:
将150目重量为27.9g的1K107磁性纳米晶合金粉与0.8g磷酸、1g硅酸钠和0.3g高岭土以5～60r/min变化速率室温混合5min，得到混合物料；
将20g混合物料放入OD33.02mm×ID19.9mm×HT15mm的模具中，然后将尺寸为OD30mm×ID25mm×HT3mm的镍锌铁氧体粉芯3g放入模具中，最后将余下的10g混合物料放入模具中，压力达到21t/cm2时保持10s，退模成型得到坯体；
将坯体在真空度0.08Pa的条件下，200℃保温50min预热处理，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
在同样的真空条件下，在400℃恒温60min，随炉冷却，得到纳米晶复合磁芯。
实施例2:
将250目重量为29.5g的1K107磁性纳米晶合金粉与0.3g正硅酸乙酯和0.2g硬脂酸锌以5～60r/min变化速率80℃混合10min，得到混合物料；
将20g混合物料放入OD33.02mm×ID19.9mm×HT15mm的模具中，然后将尺寸为OD30mm×ID25mm×HT3mm的锰锌铁氧体磁芯3g放入模具中，最后将余下的10g混合物料放入模具中，加压18t/cm2保持15s，退模成型，得到坯体；
在流量为5L/min的氮气条件中，250℃预热处理30min，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
在相同气氛中，400℃退火处理80min，得到纳米晶复合磁芯。
实施例3:
将300目重量为28g的1K107磁性纳米晶合金粉与0.5g硅酮树脂和1.5g云母以5～60r/min变化速率60℃混合10min，得到混合物料；
将20g混合物料放入OD33.02mm×ID19.9mm×HT15mm的模具中，然后将尺寸为OD30mm×ID25mm×HT1mm的锰锌铁氧体磁芯和尺寸为OD30mm×ID25mm×HT2mm的镍锌铁氧体磁芯共3g依次放入模具中，最后将余下的10g混合物料放入模具中，加压20t/cm2保持15s，退模成型，得到坯体；
在流量为3L/min的氩气条件中，200℃预热处理40min，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
在相同气氛中，480℃退火处理60min，得到纳米晶复合磁芯。
实施例4:
将500目重量为27g的1K107磁性纳米晶合金粉与1.5g硅酸钾和1.5g磷酸以5～60r/min变化速率40℃混合10min，得到混合物料；
将20g混合物料放入OD33.02mm×ID19.9mm×HT15mm的模具中，然后将尺寸为OD35mm×ID32mm×HT3mm的锰锌铁氧体磁芯3g放入模具中，最后将余下的10g混合物料放入模具中，加压30t/cm2保持15s，退模成型，得到坯体；
在流量为3L/min的氩气条件中，250℃预热处理40min，得到纳米晶复合磁芯前驱体；
在相同气氛中，500℃退火处理30min，得到纳米晶复合磁芯。
将对比例1中的纳米晶磁粉芯、实施例1～4中的纳米晶复合磁芯进行磁导率测试，测试结果如表1所示。其中，磁导率测试仪表为日本日置3532电桥，磁场提供为常州同惠TH1775偏流源。
表1 对比例1以及实施例1～4中磁芯的磁导率
磁场强度与产品承载的电流成正比，磁场越大，其所承载的电流越大；弱磁场，是交变电流的瞬变起点，高磁导率能提高瞬变阻抗，由表1可知，在弱磁场下，本发明制备得到的纳米晶复合磁芯的磁导率高，具有较大的瞬变阻抗越，能满足电路软开关要求。
从表1可以看出，在不同磁场强度下，对比例和实施例1～4中磁芯的磁导率均不为0，均具有大电流不饱和特性；并且当磁场强度较高时，本发明实施例制备得到的纳米晶复合磁芯的磁导率与对比例中的纳米晶磁粉芯同样条件下的磁导率相比，并未有明显的下降，以50Oe磁场强度为例，本发明所制作磁芯与现有技术通用纳米晶磁粉芯的磁导率仅下降了(40-42)/42＝4.7％，较好的保持了铁铁磁芯的原有的大电流不饱和特性；并且，在磁场强度0.8奥斯特(Oe)之前，本发明提供的纳米晶复合磁芯的磁导率远远高于现有纳米晶磁粉芯；磁场强度为0.2(Oe)时基本为铁氧体磁芯的初始磁导率。
对实施例1～4及对比例1中的磁芯的电源效率进行测试，其中电源选用航嘉金牌80plus\500w pc电源，测试结果如下：在10％轻载及典型负载(50％负载)时，现有纳米晶磁粉芯测试效率分别为78％、86.6％，实施例1～4制备得到的纳米晶复合磁芯轻载下的电源效率分别为82.0％、82.1％、84.5％和83.7％；典型负载下的电源效率分别为87.1％、87.5％、87.2％和89.6％。可见，本发明制备得到的纳米晶复合磁芯能大幅度提高电源轻载效率，对典型负载下电源效率也能有效提升。
由以上对比例和实施例可以看出，本发明提供的纳米晶复合磁芯具有过大电流不饱和特性，提高了初始磁导率，磁场强度为0.2(Oe)时，是现有技术中的纳米晶磁粉芯磁导率的169倍，能够减少电流畸变，解决低阻抗大开关电流的瞬态电流畸变问题，降低大电流的瞬变损耗，起到大电流瞬间通断软着陆的作用，保护用电设备，提高电源功率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。