一种烧结金属陶瓷复合功能材料、器件及其制备方法与流程

本发明涉及一种烧结金属陶瓷复合功能材料、器件及其制备方法，属于电子元器件新材料新工艺领域。这种烧结金属陶瓷复合功能材料及器件是变压器、电感器、互感器、滤波器等磁性器件的最佳材料，最适用于通信、计算机、工业医疗设备中的开关电源等功率变换器件。

背景技术：

随着电子信息技术的快速发展，电子设备向着高频化、集成化和低功耗化快速发展。要求传统电子功能材料（磁性材料）具有高饱和磁化强度、高磁导率、高电阻率、高使用频率、高使用温度、低功率损耗等特点。中国专利cn105420641b公开了一种具有高饱和磁化强度的磁性金属材料，其饱和磁化强度可达1.63t。中国专利cn105384435b公布了一种超高饱和磁化强度铁氧体的制备方法，其饱和磁化强度最高可达0.6t，使用频率达100khz。中国专利cn106041061b公开了一种高性能低损耗的复合磁粉芯的制备方法，饱和磁化强度达1.7t，电阻率可达1500μω·cm，使用频率达10khz。中国专利cn104028749b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，其磁导率最高可达152，使用频率达100khz。

总体来说，传统的磁性材料可以分为三类：金属磁性材料、铁氧体磁性材料、磁粉芯。金属磁性材料饱和磁化强度高（＞1t），磁导率高（＞10⁴），耐高温（＞300℃），但是其电阻率低（＜100μω·cm），使用频率低（＜100khz），高频功率损耗大；铁氧体磁性材料电阻率高（＞10⁸μω·cm），磁导率高（＞10⁴），使用频率高（＞500khz），高频功率损耗低，但是其饱和磁化强度低（＜0.6t），高温性能差，不利于器件体积的缩小；磁粉芯是由金属磁粉和有机粘接剂粉末成型而成的复合材料，其性能介于金属磁性材料、铁氧体磁性材料，但是环境温度超过100℃时，有机粘接剂分解，材料强度快速恶化，并且由于引入有机粘接剂，表观密度低（＜相应金属基体密度的85%），因此材料的磁导率降低非常明显（＜200），限制了其应用领域。

技术实现要素：

本发明针对现有电子功能材料存在的问题，提供一种烧结金属陶瓷复合功能材料、器件的制备方法。

为了达到上述目的，本发明是通过如下步骤实现的。

烧结金属陶瓷复合功能材料由金属和低熔点化合物组成，其表观密度为金属基体的90%以上。

所述的金属以铁、镍、钴、稀土金属及其合金为基体，优选的，金属以铁、铁硅、铁硅铝、铁镍、铁镍铬、铁硅铬、铁硅镍、铁镍钼、铁钴、铁钴硅中的一种或几种为基体，优选的，金属为雾化球形粉、机械破碎粉、羰基还原粉、片状粉、表面钝化处理粉中的一种，质量分数为90-99.9%；

所述的低熔点化合物为熔点低于1000℃的氧化物，优选的，氧化物可以为三氧化钼、五氧化二钒、三氧化二铋、三氧化二硼、氧化铅、镍铜锌铁氧体中的一种或几种，质量分数为0.1-10%。

所述的烧结金属陶瓷复合功能材料电阻率高于10⁴μω·cm，使用频率高于500khz，耐热温度高于350℃。

所述的器件形状为棒形、柱形、薄片形、罐形、环形、管形、pm形、pq形、e形、t形、u形以及上述形状的任意组合体。

所述的器件由一定形状的烧结金属陶瓷复合功能材料和线圈绕组组合而成，优选的，线圈绕组可以围绕于烧结金属陶瓷复合功能材料外围，也可以内埋于烧结金属陶瓷复合功能材料内部。

一种烧结金属陶瓷复合功能材料、器件的制备方法，包括以下步骤：

1)前驱液配制，配制低熔点化合物前驱液；

2)金属粉末预处理，将金属粉末和前驱液混合，搅拌均匀烘干，在150~550℃、灼烧，过筛，得到预处理过的金属粉末；

3)成型，将预处理过的金属粉与润滑剂混合均匀，压制成型，得到生坯料；

4)烧结，将生坯料在400~950℃下烧结0.5~5h。

所述的前驱液溶质为钼酸铵、氯化钼、偏钒酸铵、氯化钒、硝酸铋、次硝酸铋、硼酸、硝酸铅、三氧化钼、五氧化二钒、氧化铋、氧化硼、镍铜锌铁氧体中的一种或几种；所述的前驱液溶剂易挥发溶剂，优选的，前驱液溶剂可以为水、乙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甘油、氨水、硝酸、乙酸、盐酸、苯、氯仿、甲苯和二硫化碳中的一种，溶质质量分数为1~50%。

所述的金属粉末预处理中，金属粉末以铁、镍、钴、稀土金属及其合金为基体，优选的，金属粉末以铁、铁硅、铁硅铝、铁镍、铁镍铬、铁硅铬、铁硅镍、铁镍钼、铁钴、铁钴硅的一种或几种为基体；金属粉末为雾化球形粉、机械破碎粉、羰基还原粉、片状粉、表面钝化处理粉中的一种，尺寸小于300μm，金属磁性粉末与前驱液的体积比为1:0.1~10。

所述的金属粉末预处理中，金属粉末和前驱液的混合方式包括机械搅拌、球磨；

所述的润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钡，含量为金属粉质量的0.1-1%；

所述的压制成型方法为干压成型、热压成型、等静压成型、与线圈模压一体成型、压铸成型、磁场取向成型中的一种，成型压力为500~1800mpa。

所述的烧结为无压烧结、温压烧结、热压烧结、放电等离子体烧结，烧结气氛为真空、空气、氮气或者氩气保护。

本发明得到的烧结金属陶瓷复合功能材料、器件，相比于传统的磁性材料，具有以下优点：以低熔点化合物作为金属粉体之间的隔离材料，可以显著提高复合材料的电阻率，降低高频下功率损耗；低熔点化合物在高温下不易分解，可以在高温下保持材料的强度及磁特性；在烧结时，低熔点化合物熔化成液相，促进液相烧结，可以使复合材料获得高的致密度，有助于获得材料高饱和磁化强度和高磁导率的特性。

附图说明

图1烧结金属陶瓷复合功能材料的扫描电子显微镜图片。

附图标记：1-金属粉末，2-低熔点化合物。

具体实施例

下面结合具体实例对本发明做进一步说明，为了便于性能测试，统一制备成符合国际测试标准的环形样品，但本发明并不仅仅局限于以下实施例，。

实施例1：

采用钼酸铵和水配成前驱液，钼酸铵质量分数为10%。将前驱液分别和雾化球形铁粉、磷酸表面钝化后的雾化球形铁粉混合搅拌均匀后烘干，在200℃灼烧1小时，过筛，其中铁粉和前驱液的体积比为1:1，铁粉尺寸为5~10μm。将处理过的铁粉与0.2%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力1000mpa。在氮气保护氛围中，800℃烧结3h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到器件。

对其进行性能测试，饱和磁化强度为2.04t，磁导率为900，截止频率为2mhz，电阻率为2.1×10⁶μω·cm，密度为7.7g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例2：

采用偏钒酸铵和乙醇配成前驱液，偏钒酸铵质量分数为8%。将前驱液分别和铁硅铝粉末、硝酸表面钝化后的铁硅铝粉末混合搅拌均匀后烘干，在470℃灼烧1.5小时，过筛，其中铁硅铝粉末和前驱液的体积比为1:1.5，铁硅铝粉末尺寸为5~20μm。将处理过的铁硅铝粉末与0.2%的硬脂酸钡混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力1200mpa。在氮气保护氛围中，700℃烧结3.5h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到磁性器件。

对其进行性能测试，饱和磁化强度为1.05t，磁导率为800，截止频率为5mhz，电阻率为8.2×10¹⁰μω·cm，密度为6.7g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例3：

采用硝酸铋和硝酸配成前驱液，偏钒酸铵质量分数为12%。将前驱液分别和铁镍粉末、铁硅镍粉末混合搅拌均匀后烘干，在350℃灼烧2小时，过筛，其中铁镍粉末、铁硅镍粉末和前驱液的体积比为1:0.8，铁镍粉末、铁硅镍粉末尺寸为2~50μm。将处理过的铁镍粉末、铁硅镍粉末与0.15%的硬脂酸钡混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力800mpa。在氩气保护氛围中，850℃烧结2.5h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到器件。

对其进行性能测试，铁镍基烧结磁性金属陶瓷复合材料的饱和磁化强度为1.5t，磁导率为300，截止频率为3mhz，电阻率为4.0×10⁹μω·cm，密度为7.6g/cm³；铁镍硅基烧结磁性金属陶瓷复合材料的饱和磁化强度为1.6t，磁导率为350，截止频率为5mhz，电阻率为4.8×10⁹μω·cm，密度为7.5g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例4：

采用硼酸和乙醇配成前驱液，硼酸质量分数为50%。将前驱液分别和机械破碎的铁粉、铁硅粉混合搅拌均匀后烘干，在200℃灼烧3小时，过筛，其中铁粉、铁硅粉末和前驱液的体积比为1:0.2，铁粉、铁硅粉末尺寸为3~100μm。将处理过的铁粉、铁硅粉末与0.25%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力500mpa。在氩气保护氛围中，460℃烧结4h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到磁性器件。

对其进行性能测试，铁基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为2.0t，磁导率为800，截止频率为1mhz，电阻率为1.0×10⁸μω·cm，密度为7.6g/cm³；铁硅基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为1.95t，磁导率为950，截止频率为2mhz，电阻率为2.6×10⁸μω·cm，密度为7.4g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例5：

采用硝酸铅和水配成前驱液，硝酸铅质量分数为7%。将前驱液分别和雾化球形铁硅铝粉、片状铁硅铝粉混合搅拌均匀后烘干，在480℃灼烧1小时，过筛，其中雾化球形铁硅铝粉、片状铁硅铝粉和前驱液的体积比为1:1.1，雾化球形铁硅铝粉尺寸为3~100μm，片状铁硅铝粉末尺寸为100~300μm。将处理过的雾化球形铁硅铝粉、片状铁硅铝粉与0.3%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力1800mpa。在氩气保护氛围中，900℃烧结2h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到器件。

对其进行性能测试，雾化球形铁硅铝基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为1.05t，磁导率为820，截止频率为5mhz，电阻率为1.2×10¹¹μω·cm，密度为6.7g/cm³；片状铁硅铝基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为1.05t，磁导率为1350，截止频率为10mhz，电阻率为2.6×10⁹μω·cm，密度为6.7g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例6：

采用氧化铋和乙醇配成前驱液，氧化铋质量分数为9%。将前驱液和雾化球形铁硅铝粉球磨均匀后烘干，过筛，其中雾化球形铁硅铝粉和前驱液的体积比为1:3，雾化球形铁硅铝粉尺寸为3~100μm。将处理过的雾化球形铁硅铝粉与0.3%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力1400mpa。在氩气保护氛围中，850℃烧结2h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到器件。

对其进行性能测试，雾化球形铁硅铝基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为1.01t，磁导率为750，截止频率为5.3mhz，电阻率为1.0×10¹¹μω·cm，密度为6.4g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例7：

采用镍铜锌铁氧体和乙醇配成前驱液，镍铜锌铁氧体质量分数为15%。将前驱液和雾化球形铁粉球磨混合搅拌均匀后烘干，过筛，其中铁粉和前驱液的体积比为1:2.5，铁粉尺寸为5~10μm。将处理过的铁粉与0.2%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力1200mpa。在氮气保护氛围中，950℃烧结3h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到器件。

对其进行性能测试，饱和磁化强度为2.06t，磁导率为950，截止频率为3mhz，电阻率为4.6×10⁷μω·cm，密度为7.6g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

实施例8：

采用氧化钼和丙酮配成前驱液，氧化钼质量分数为30%。将前驱液和机械破碎的铁粉球磨混合均匀后烘干，过筛，其中铁粉和前驱液的体积比为1:0.5，铁粉尺寸为3~100μm。将处理过的铁粉与0.25%的硬脂酸锌混合均匀，干压成型为生坯料，成型压力800mpa。在氩气保护氛围中，830℃烧结2h，得到烧结金属陶瓷功能复合材料，在其外围包绕线圈，得到磁性器件。

对其进行性能测试，铁基烧结金属陶瓷功能复合材料的饱和磁化强度为2.04t，磁导率为9800，截止频率为2mhz，电阻率为5.0×10⁷μω·cm，密度为7.7g/cm³。

功率损耗随频率和磁场的变化如下表：

以上所述仅为本发明较优的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。