一种软磁复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种软磁复合材料及其制备方法,具体涉及一种在铁基金属软磁颗粒表面通过化学原位反应包覆一层铁磁性绝缘层后压制成型制得软磁复合材料的方法，制得的材料可应用于开关电源、电动机磁芯、充电器磁芯、变压器磁芯等。

背景技术：

磁性材料广泛的应用于电子，计算机和通信领域，现如今已经彻底的改变了我们的生活。目前磁粉芯因具有相对较高的磁通密度、较好的温度稳定性和机械冲击适应性，而广泛应用于航空、汽车、家用电器等领域中的微电机、电感器件、快速驱动及脉冲变压器。但传统的磁性材料在使用过程中也出现了一些弊端，当一些常用的电器设备如电动机在工作时，用于制造电动机机芯的硅钢片之间就会产生很大的涡流现象，这种涡流现象不但会造成能量的巨大损耗，还会使电动机温度升高。基于考虑到降低这种涡流现象带来的能量损耗，可以研究开发出一种新型绿色节能材料作为电动设备的机芯。同时，随着电子元器件和电子设备的发展，电器越来越往集成化和小型化的方向发展，这要求磁性材料有更高的磁导率和更小的损耗。随着电气设备小型化趋势以及为解决上述能源问题，对各式微型磁粉芯的需求日益显著。为了研制出能效更高、体积更小、质量更轻的粉芯，开发新型软磁复合材料(smcs)成为当前热点，smcs材料，有时也称为“绝缘包覆铁粉”，是近年来逐渐发展起来的一种新型铁基粉末软磁材料。这种材料的设计思路就是将铁芯的高饱和磁感应强度以及绝缘物质巨大的电阻率这两种特性结合起来，发挥二者的优势。

smcs材料的绝缘包覆层的种类比较多，但以有机聚合物和无机氧化物为主，有机的如有机硅树脂、酚醛树脂、磷酸盐类等，无机绝缘包覆层有mgo、sio2、al2o3等。但这些材料都有各自的优缺点，如有机绝缘层的复合材料无法在高温下工作，甚至无法进行较高温度的热处理。而无机绝缘层的软磁复合材料中绝缘层的饱和磁感应强度普遍不高且磁导率较低，所以无机绝缘层加入后材料的饱和磁感应强度和磁导率都有一定程度的下降。目前对此类材料有很多的研究，也有大量相关的科研论文及专利，但总的来说，此类材料还有很多未解决的问题，其综合性能也还有进一步提升的空间，有着广阔的开发研究前景。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种具备低损耗、高磁导率和高磁感应强度的软磁复合材料及其制备方法，提供具有磁性的氧化物作为绝缘包覆层，采用液相化学的工艺在铁粉或铁基合金表面原位生长成磁性绝缘包覆层。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种软磁复合材料(smcs)，所述软磁复合材料以铁粉为原料，通过液相化学工艺在其表面均匀包覆磁性氧化物而成，具体按如下方法制备：

所述的软磁复合材料按如下方法制备而成：将清洗后的金属粉体加入含有碳粉的恒温碱液中，搅拌2～180min，冷却，将反应液过滤，滤饼洗涤后干燥，获得预处理后的金属粉；将预处理后的金属粉加入润滑剂，在400～2000mpa条件下压制成型，置水蒸气-氮气混合氛围中，400～1000℃放置30～400min，获得软磁复合材料；所述的金属粉体为纯铁粉、铁硅铝粉、铁镍合金粉、铁镍钼合金粉、铁硅铬合金粉或铁硅合金粉，粒径为10～400μm；所述碳粉为炭黑、石墨烯、碳纳米管、富勒烯中的一种或者几种混合物。

上述技术方案中，进一步的，所述的碱液为naoh、nano2、k4fe(cn)6、k2cr2o7、na3po4的一种或几种混合的水溶液。

进一步的，所述的碱液的温度为120～160℃。

进一步的，所述的润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸镍、硬脂酸锌、n,n'-乙撑双硬脂酰胺、铝钙复合皂基润滑脂、油酸酰胺、硬脂酸、spanjaard铬脂、芥酸酰胺、spanjaard镍脂、spanjaard铜脂中的一种或几种，其中润滑剂中硬脂酸质量不超过30％。

进一步的，所述的水蒸气-氮气混合氛围中水蒸气的体积含量为0.5～15％。

进一步的，所述的润滑剂添加量为金属粉体的0.01wt％-1wt％，且通过研磨将润滑剂与预处理的金属粉混合均匀。

进一步的，所述的压制成型是在400～800mpa条件下预压20～40s，再在800～2000mpa压制30～60s。

进一步的，所述的水蒸气-氮气混合氛围热处理过程中，升温速率为2-5℃/min，升温至200-400℃保温30min，接着继续升温至300-1000℃保温1h，然后随炉冷却至室温。

与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

(1)本发明采用液相化学的工艺原位生成有磁性的氧化物绝缘包覆层，工艺简单、操作方便、成本低廉、生产效率高，而且该方法绿色环保，适于工业上的大规模的生产。

(2)smcs材料主要是通过模具的压制成型，形状可以复杂多样化，而传统硅钢片主要是通过叠压形成，所以对于加工成复杂的零部件要相对容易很多。

(3)很多实验方法表明很难实现铁氧体的表面均匀包覆，因而增加了铁损，所以本发明采用原位生成的方法对铁粉或铁基合金进行表面处理实现均匀包覆，可以大大提高样品的磁性能。尤其是本发明在制备过程中通过在恒温碱液中加入碳粉，使得碳粉和金属粉体形成原电池结构，碳粉形成正极，金属粉体形成负极，促进金属粉体表面的氧化反应，更有利于均匀包覆，提高磁性能。

(4)采用硬脂酸质量含量不超过30％的润滑剂提高压实密度，有利于降低损耗和成型，同时在退火过程中先采用200-400℃保温30min的过程再进行退火能够有效去除润滑剂，排除材料中的有机杂质，降低成型体的碳含量，减小材料的涡流损耗。

(5)由于磁性氧化物的生成，其电阻率有所增加导致涡流损耗减少，其截止频率也有所增加，同时对材料的磁性能影响较小。本发明的复合材料可广泛应用于电机、传感器、低频滤波器、电磁驱动装置和磁场屏蔽等方面。

附图说明

图1为经过液相水溶液法铁粉包覆后的电镜图。

图2为300℃、400℃和500℃热处理样品100khz下的功率损耗图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1

称取60gnaoh和20gnano2溶解在90ml的蒸馏水中，将两者混合液倒入三口烧瓶中加热至140℃，加入20g纯铁粉和0.1g炭黑搅拌30min，过滤，滤饼用热水洗至ph中性后无水乙醇洗3次；将样品放入真空干燥箱65℃干燥30min，获得预处理后的纯铁粉20g；将预处理后的纯铁粉20g和0.01g硬脂酸镍、0.01g油酸酰胺研磨混合均匀，然后在25℃、1200mpa压制成环(12.7mmod×7.6mmid×3mmtall)；将压环在水蒸气-氮气(水蒸气体积含量10％)混合氛围中缓慢(2℃/min)升温至350℃保温30min，然后升温至500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用lcr表测得磁导率为110左右，利用交流b-h仪在50mt和100khz条件下测得总损耗为85w/kg。

实施例2

称取60gnaoh和20gnano2溶解在90ml的蒸馏水中，将两者混合液倒入三口烧瓶中加热至140℃，加入20g纯铁粉和0.1g碳纳米管搅拌30min，过滤，滤饼用热水洗至ph中性后无水乙醇洗3次；将样品放入真空干燥箱65℃干燥30min，获得预处理后的纯铁粉20g；将预处理后的纯铁粉20g和0.01g硬脂酸锌、0.01g硬脂酸研磨混合均匀，然后在25℃、1200mpa压制成环(12.7mmod×7.6mmid×3mmtall)；将压环在水蒸气-氮气(水蒸气体积含量15％)混合氛围中先以2℃/min的速率升温至200℃保温30min，再升温至400℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用lcr表测得磁导率为100左右，利用交流b-h仪在50mt和100khz条件下测得总损耗为90w/kg。

实施例3

称取60gnaoh和20gnano2溶解在90ml的蒸馏水中，将两者混合液倒入三口烧瓶中加热至140℃，加入20g纯铁粉和0.1g石墨烯搅拌30min，过滤，滤饼用热水洗至ph中性后无水乙醇洗3次；将样品放入真空干燥箱65℃干燥30min，获得预处理后的纯铁粉20g；将预处理后的纯铁粉20g和0.01g硬脂酸锌、0.01gn,n'-乙撑双硬脂酰胺研磨混合均匀，然后在25℃、1200mpa压制成环(12.7mmod×7.6mmid×3mmtall)；将压环在水蒸气-氮气(水蒸气体积含量5％)混合氛围中3℃/min升温至300℃保温30min，再300℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用lcr表测得磁导率为82左右，利用交流b-h仪在50mt和100khz条件下测得总损耗为101w/kg。

实施例4

称取30gnaoh和20gnano2溶解在90ml的蒸馏水中，将两者混合液倒入三口烧瓶中加热至147℃，加入20g铁硅铝粉搅和0.1g石墨烯拌30min，过滤，滤饼用热水洗至ph中性后无水乙醇洗3次；将样品放入真空干燥箱65℃干燥30min，获得预处理后的铁硅铝粉20g；将预处理后的铁硅铝粉20g和0.01g硬脂酸锌、0.01g芥酸酰胺研磨混合均匀，然后在25℃、1200mpa压制成环(12.7mmod×7.6mmid×3mmtall)；将压环在水蒸气-氮气(水蒸气体积含量1％)混合氛围中300℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用lcr表测得磁导率为78左右，利用交流b-h仪在50mt和100khz条件下测得总损耗为108w/kg。

实施例5

称取60gnaoh和20gnano2溶解在90ml的蒸馏水中，将两者混合液倒入三口烧瓶中加热至140℃，加入20g纯铁粉(不加入碳材料)搅拌30min，过滤，滤饼用热水洗至ph中性后无水乙醇洗3次；将样品放入真空干燥箱65℃干燥30min，获得预处理后的纯铁粉20g；将预处理后的纯铁粉20g和0.01g硬脂酸镍、0.01g油酸酰胺研磨混合均匀，然后在25℃、1200mpa压制成环(12.7mmod×7.6mmid×3mmtall)；将压环在水蒸气-氮气(水蒸气体积含量10％)混合氛围中500℃热处理60分钟，获得软磁复合材料。后续对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各20匝，利用lcr表测得磁导率为105左右，利用交流b-h仪在50mt和100khz条件下测得总损耗为190w/kg。