一种高频率低损耗的纳米软磁复合材料及其制备方法

本发明涉及高频软磁材料领域，涉及一种高频率低损耗的纳米软磁复合材料及其制备方法。可用于射频电感器件以及天线介质。

背景技术：

1、磁性纳米复合材料由两种或两种以上具有不同物理或化学性质的组分制成，当这些组分组合在一起时，形成一种与单个组成部分相比具有不同特征的材料。在这些材料中，至少有一种尺寸应在纳米范围内，至少有一种应具有磁性。

2、一般的软磁复合材料具有多畴结构，产生畴壁共振限制了磁导率的频率特性，纳米软磁复合材料由于颗粒小于多畴的临界尺寸，具有单磁畴结构，消除了畴壁共振，可用于高频领域；纳米复合材料的纳米尺度优势：(1)在ghz高频段内磁性颗粒内产生的涡流可忽略不计。(2)可以选择具有高饱和磁化强度和高居里温度的金属元素，例如铁和钴，作为纳米复合材料的磁性成分，从而形成具有比从铁氧体获得的材料更好磁性的材料。(3)相邻纳米颗粒之间的离子交换耦合平均化了每个颗粒的磁晶各向异性，并克服了由磁性介质的不连续性引起的退磁效应，导致比从常规(大颗粒)材料获得的更好的软磁性能。射频电感器需要中等的电感密度，但在1-10ghz的高频下具有稳定性和低损耗。

3、目前针对ghz天线介质和射频电感都是铁氧体材料。但是目前铁氧体材料的共振频率不高，磁导率低，介电常数太高，损耗角偏大。这是限制磁性材料高频化的关键。而本专利发明的纳米软磁复合材料能够破解铁氧体的这一难题。

4、现今纳米软磁复合材料多是由多元醇还原法来制备纳米金属颗粒，而后再进行绝缘包覆处理，但所得到的纳米软磁颗粒的方法对制备环境的无氧条件要求很高，制出的样品容易氧化，导致磁性能特别是饱和磁化强度不高，且操作复杂费时，还会产生较多废液。而由溶胶-凝胶法结合还原处理可一步得到纳米软磁复合材料，其工艺简单，易于操作，且无废液产生，可适用于大批量生产。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高频率稳定性低损耗纳米软磁复合材料及其制备方法。该纳米软磁复合材料为核壳结构纳米颗粒材料，具有优异的软磁性能。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种高频率稳定性低损耗纳米软磁复合材料的制备方法，包括：金属硝酸盐、无水葡萄糖、及硼酸、正硅酸乙酯、磷酸盐、乙酸铅、硝酸铋中至少一种加入无水乙醇中混合均匀，向其中滴加氨水和去离子水，反应至胶化，在100℃～200℃下干燥4-20h，将凝胶产物先在300～700℃煅烧0.5～4h，之后充分研磨煅烧产物，随后在300℃～700℃氢气还原1～4h，得到磁性纳米粉体。所得到得磁性纳米粉体在500～2000mpa下进行模压成型，成型温度在25℃～400℃，压制得到的生坯在200～600℃氮气退火0.5～3h。

4、所得纳米软磁复合材料是由10～200纳米的磁性金属纳米颗粒和低熔点玻璃构成，其中低熔点玻璃是基体相，纳米金属是离散相，纳米金属均匀的分布在低熔点玻璃中，并被低熔点玻璃相互隔离开，其可ghz以上仍保留较高的磁导率、低介电常数和低的磁损耗和介电损耗，在1～6ghz其磁导率可达4，磁损耗角为0.05，介电损耗角为0.06，饱和磁化强度bs为80emu/g，矫顽力为88g，电阻率可达108ω.cm。

5、上述技术方案中，进一步的，优选所述金属盐可为fe(no3)3·9h2o、fecl3·6h2o、fe2(so4)3·9h2o、硝酸镍和c4h7feo5以及四水乙酸钴和六水硝酸钴的一种或几种。

6、进一步的，所述的磁性金属纳米颗粒大小均匀分布在10nm-200nm之间。

7、进一步的，所述复合材料在ghz最大复数磁导率为5，最低损耗角为0.05，介电损耗角为0.06，电阻率可达108ω.cm。

8、进一步的，所述的氨水与去离子水的体积比为1:1～1:5。在胶化过程中，可以先调控混合溶液ph为10，在80℃温度下进行。

9、进一步的，所述的无水葡萄糖和金属盐质量比为1：4～1：1。

10、进一步的，所述的还原处理为：还原温度为300℃～700℃，还原时间为1～4h，还原过程中氮氢比为n2:h2＝0.1:0.1～0.1:0.5(单位l/min)。

11、本发明所制得的高频低损耗的纳米软磁复合材料具有高磁导率、低介电常数、低损耗、高电阻率。可用于射频电感器件以及天线的小型化，而且对提高其带宽和效率也至关重要。

12、与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

13、(1)纳米软磁复合材料的制备方法简单，纳米颗粒在玻璃基体内分布均匀，并且排布致密；

14、(2)纳米软磁复合材料具有ghz高磁导率、低介电常数和低损耗的特征，性能远超过现在的六角铁氧体等高频铁氧体。

技术特征：

1.一种高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，复合材料是块状烧结体，其内部是由10～200纳米的磁性金属纳米颗粒和低熔点玻璃构成，其中低熔点玻璃是基体相，纳米金属是离散相，纳米金属均匀的分布在低熔点玻璃中，并被低熔点玻璃相互隔离开；其制备方法如下：

2.根据权利要求1所述的高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，所述的磁性金属纳米颗粒大小均匀分布在10nm-200nm之间，其主要由纳米fe、纳米co或纳米ni构成。

3.根据权利要求1所述的高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，低熔点玻璃是一种复合氧化物，主要由氧化硼、氧化硅、氧化磷、氧化铅、氧化铋中的一种或多种构成。

4.根据权利要求1所述的高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，溶胶凝胶法制备及氢气还原的过程包括：将金属硝酸盐、无水葡萄糖、及硼酸、正硅酸乙酯、磷酸盐、乙酸铅、硝酸铋中的至少一种加入无水乙醇中混合均匀，向其中滴加氨水和去离子水，反应至胶化，在100℃～200℃下干燥4-20h，将凝胶产物先在300～700℃煅烧0.5～4h，之后充分研磨煅烧产物，随后在300℃～700℃氢气还原1～4h，得到磁性纳米粉体。

5.根据权利要求1所述的高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，所得到的磁性纳米粉体在500～2000mpa下进行模压成型，成型温度在25℃～400℃，压制得到的生坯在200～600℃氮气退火0.5～3h。

6.根据权利要求1所述的高频率低损耗的纳米软磁复合材料，其特征在于，在1～6ghz具有高达4的磁导率，其损耗角仅为0.05，介电常数仅为8，介电损耗角小于0.06，电阻率可达108ω.cm。

技术总结
本发明公开了一种高频低损耗的纳米软磁复合材料及其制备方法，该材料为10～200纳米的Fe、Co或Ni纳米颗粒和低熔点玻璃构成的纳米软磁复合材料。本发明先通过溶胶‑凝胶法制备核壳结构低熔点玻璃包覆的金属氧化物纳米粉体，核为磁性金属氧化物纳米颗粒，壳为低熔点玻璃，然后通过氢还原制得纳米金属@低熔点玻璃复合粉体，最后通过模压‑退火的方法制备成软磁复合材料。该材料具有电阻率高、频率高、软磁性能好等优点。其在GHz以上仍保留较高的磁导率和低的磁损耗和介电损耗，在高达GHz其磁导率可达4，磁损耗角为0.09，介电损耗角为0.05，饱和磁化强度为80emu/g，矫顽力为88G，电阻率可达10<supgt;8</supgt;Ω.cm。这种材料可用于射频电感器件和天线介质。

技术研发人员：李旺昌,陈家林,车声雷,应耀,郑精武,乔梁,李涓,余靓
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12