本發(fā)明涉及一種軟磁復(fù)合材料及其制備方法。

(二)

背景技術(shù)：

磁性材料廣泛的應(yīng)用于電子，計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域，現(xiàn)如今已經(jīng)徹底的改變了我們的生活。在過去的幾十年里不同類型的磁性材料包括純鐵和它的合金以及軟磁和永磁鐵氧體都已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源的過度開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾越來越大，進(jìn)入新世紀(jì)以來，能源的節(jié)約和循環(huán)利用成為解決此危機(jī)重要的途徑。例如當(dāng)一些常用的電器設(shè)備如電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，用于制造電動(dòng)機(jī)機(jī)芯的硅鋼片之間就會(huì)產(chǎn)生很大的渦流現(xiàn)象，這種渦流現(xiàn)象會(huì)造成能量的巨大損耗?；诳紤]到降低這種渦流現(xiàn)象帶來的能量損耗，可以研究開發(fā)出一種新型綠色節(jié)能材料作為電動(dòng)設(shè)備的機(jī)芯。目前磁粉芯因具有相對(duì)較高的磁通密度、較好的溫度穩(wěn)定性和機(jī)械沖擊適應(yīng)性，而廣泛應(yīng)用于航空、汽車、家用電器等領(lǐng)域中的微電機(jī)、電感器件、快速驅(qū)動(dòng)及脈沖變壓器。隨著電氣設(shè)備小型化趨勢(shì)以及為解決上述能源問題，對(duì)各式微型磁粉芯的需求日益顯著。為了研制出能效更高、體積更小、質(zhì)量更輕的粉芯，開發(fā)新型軟磁復(fù)合材料(SMCs)成為當(dāng)前熱點(diǎn)，SMCs材料，有時(shí)也稱為“絕緣包覆鐵粉”，是近年來逐漸發(fā)展起來的一種新型鐵基粉末軟磁材料。這種材料的設(shè)計(jì)思路就是將鐵芯的高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度以及絕緣物質(zhì)巨大的電阻率這兩種特性結(jié)合起來，發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)。

SMCs材料的絕緣包覆層的種類比較多，但以有機(jī)聚合物和無機(jī)氧化物為主，有機(jī)的如各種樹脂、稀酸等，還有無機(jī)絕緣包覆層，例如磷酸鹽、SiO₂、金屬氧化物等，這些材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前此類材料也面臨著許多問題，如有機(jī)絕緣層的復(fù)合材料無法在高溫下工作，甚至無法進(jìn)行較高溫度的熱處理，且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度由于絕緣物質(zhì)的介入降低的很厲害。而無機(jī)絕緣層的軟磁復(fù)合材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度普遍不高且磁導(dǎo)率較低。目前對(duì)此類材料有很多的研究，也有大量相關(guān)的科研論文及專利，但總的來說，此類材料還有很多未解決的問題，其綜合性能也還有進(jìn)一步提升的空間，有著廣闊的開發(fā)研究前景。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種具備低損耗、高磁導(dǎo)率和高磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁復(fù)合材料，提供具有磁性的氧化物作為絕緣包覆層，采用液相化學(xué)的工藝在鐵粉或鐵基合金表面原位生長(zhǎng)成磁性絕緣包覆層。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種軟磁復(fù)合材料(SMCs)，所述軟磁復(fù)合材料以鐵粉為原料，通過液相化學(xué)工藝在其表面均勻包覆磁性氧化物而成，具體按如下方法制備：將清洗后的鐵粉緩慢加入沸騰堿液中，繼續(xù)加熱攪拌2～180min(通常為90～180℃反應(yīng)2～180min)，冷卻，將反應(yīng)液過濾，濾餅洗滌后干燥，獲得預(yù)處理后的鐵粉；將預(yù)處理后的鐵粉與粘結(jié)劑和丙酮混合，超聲分散，自然風(fēng)干，在600～2000MPa條件下壓制成型，置氮?dú)夥諊校?00-1000℃放置30～400min，獲得軟磁復(fù)合材料；所述堿液為NaOH、NaNO₂、K₄Fe(CN)₆、K₂Cr₂O₇和Na₃PO₄中的一種或幾種混合的水溶液；所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂、聚乙烯醇、石蠟、酚醛樹脂、磷酸鈉或硅酸鈉中的一種；所述粘結(jié)劑占預(yù)處理后鐵粉質(zhì)量的0.1％～3％，優(yōu)選0.5％；所述丙酮體積用量以預(yù)處理后鐵粉質(zhì)量計(jì)為0.1-1ml/g，優(yōu)選0.25ml/g。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述鐵粉為下列之一：純鐵粉、鐵硅鋁粉、鐵鎳合金粉、鐵鎳鉬合金粉、鐵硅鉻合金粉或鐵硅合金粉，更優(yōu)選純鐵粉。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述鐵粉粒徑為10～200μm。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述鐵粉清洗方法為：先將鐵粉在質(zhì)量濃度0.5～5％(優(yōu)選1％)鹽酸水溶液中酸洗1～30min，再用冷水清洗至無酸，獲得清洗后的鐵粉。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述堿液濃度0.05-1g/ml(優(yōu)選0.2-0.3g/ml)，所述堿液體積用量以溶劑水體積計(jì)，所述溶劑水的體積用量以清洗后鐵粉質(zhì)量計(jì)為10-30ml/g，更優(yōu)選NaOH水溶液質(zhì)量濃度50～800g/L，NaNO₂水溶液質(zhì)量濃度為50～400g/L，K₄Fe(CN)₆水溶液質(zhì)量濃度為10～400g/L。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述堿液為NaOH與NaNO₂以質(zhì)量比1～20:1(更優(yōu)選1-12:1)混合制成混合水溶液或NaOH與K₄Fe(CN)₆以質(zhì)量比2～10:1(更優(yōu)選4:1)混合制成混合水溶液，更優(yōu)選所述堿液為NaOH、NaNO₂與K₄Fe(CN)₆以質(zhì)量比8:1:1制成混合水溶液。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述濾餅用冷水、熱水和無水乙醇洗滌(優(yōu)選分別洗滌3次)，40～100℃干燥1～6h(優(yōu)選50℃干燥1h)，獲得預(yù)處理后的鐵粉。

進(jìn)一步，優(yōu)選所述壓制成型是在600～2000MPa(更優(yōu)選800-1800MPa)條件下壓制30～60s。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果主要體現(xiàn)在：

(1)本發(fā)明采用液相化學(xué)的工藝原位生成有磁性的氧化物絕緣包覆層，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、生產(chǎn)效率高，而且該方法綠色環(huán)保，適于工業(yè)上的大規(guī)模的生產(chǎn)。(2)SMCs材料主要是通過模具的壓制成型，形狀可以復(fù)雜多樣化，而傳統(tǒng)娃鋼片主要是通過疊壓形成，所以對(duì)于加工成復(fù)雜的零部件要相對(duì)容易很多。(3)很多實(shí)驗(yàn)方法表明很難實(shí)現(xiàn)鐵氧體的表面均勻包覆，因而增加了鐵損，所以本發(fā)明采用原位生成的方法對(duì)鐵粉或鐵基合金進(jìn)行表面處理實(shí)現(xiàn)均勻包覆，可以大大提高樣品的磁性能。(4)由于磁性氧化物的生成，其電阻率有所增加導(dǎo)致渦流損耗減少，其截止頻率也有所增加，同時(shí)對(duì)材料的磁性能影響較小。本發(fā)明的復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于電機(jī)、傳感器、低頻濾波器、電磁驅(qū)動(dòng)裝置和磁場(chǎng)屏蔽等方面。

(四)附圖說明

圖1為實(shí)施例1軟磁復(fù)合材料經(jīng)過液相水溶液法鐵粉包覆后的電鏡圖。

圖2為未經(jīng)過熱處理以及經(jīng)過450℃和500℃熱處理樣品的功率損耗圖。

(五)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此：

實(shí)施例1

將21g純鐵粉(粒徑75μm)置于質(zhì)量濃度0.5％稀鹽酸水溶液中酸洗30min，冷水清洗鐵粉表面的殘留液，獲得清洗后的純鐵粉20g；稱取60gNaOH溶解在400ml的蒸餾水中，稱取60gNaNO₂和20gK₂Cr₂O₇溶解在40ml的蒸餾水中，將兩者混合液倒入三口燒瓶中加熱至沸騰，加入20g清洗后的純鐵粉攪拌180min；放置冷卻，過濾，濾餅依次用冷水、熱水和無水乙醇各自洗3次；將樣品放入真空干燥箱50℃干燥6h，獲得預(yù)處理后的純鐵粉20g；將預(yù)處理后的純鐵粉20g和0.1g環(huán)氧樹脂(型號(hào)為W-6C)、5ml丙酮混合溶解，超聲分散后至于通風(fēng)處自然風(fēng)干去除丙酮，然后在25℃、2000MPa壓制成環(huán)(18mm OD×9mm ID×3mm tall)；將壓環(huán)在氮?dú)庵?00℃熱處理60分鐘，獲得軟磁復(fù)合材料，電鏡圖見圖1所示。后續(xù)對(duì)壓環(huán)繞線進(jìn)行性能測(cè)試，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈各20匝，利用LCR表測(cè)得磁導(dǎo)率為60左右，利用交流B-H儀在50mT和100kHz條件下測(cè)得總損耗為715kW/m³。

實(shí)施例2

將21g純鐵粉(粒徑150μm)置于質(zhì)量濃度1％稀鹽酸水溶液中酸洗15min，冷水清洗純鐵粉表面的殘留液，獲得清洗后的純鐵粉20g；稱取80gNaOH溶解在400ml的蒸餾水中，稱取40g K₄Fe(CN)₆溶解在40ml的蒸餾水中，將兩者混合液倒入三口燒瓶中加熱至沸騰，加入20g清洗后的純鐵粉攪拌10min；放置冷卻，過濾，濾餅依次冷水、熱水和無水乙醇各自洗3次；將樣品放入真空干燥箱100℃干燥1h，獲得預(yù)處理后的純鐵粉20g；將預(yù)處理后的純鐵粉20g和0.1g環(huán)氧樹脂(型號(hào)為W-6C)、5ml丙酮混合溶解，超聲分散后至于通風(fēng)處自然風(fēng)干，讓丙酮揮發(fā)干凈，然后在25℃、600MPa壓制成環(huán)(18mm OD×9mm ID×3mm tall)；將壓環(huán)在氮?dú)庵?50℃和500℃熱處理60分鐘，獲得軟磁復(fù)合材料。后續(xù)對(duì)壓環(huán)繞線進(jìn)行性能測(cè)試，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈各20匝，利用LCR表測(cè)得磁導(dǎo)率為40左右，利用交流B-H儀在50mT和100kHz條件下測(cè)得總損耗分別為840kW/m³和826kW/m³，見圖2所示。

實(shí)施例3

將25g鐵硅鋁粉置于質(zhì)量濃度1％稀鹽酸水溶液中酸洗15min，冷水清洗鐵硅鋁粉表面的殘留液，獲得清洗后的鐵硅鋁粉20g；稱取5gNaOH溶解在200ml的蒸餾水中，稱取100gNaNO₂和10gNa₃PO₄溶解在40ml的蒸餾水中，將兩者混合液倒入三口燒瓶中加熱至沸騰，加入20g清洗后的鐵硅鋁粉攪拌120min；放置冷卻，過濾，濾餅依次用冷水、熱水和無水乙醇各自洗3次；將樣品放入真空干燥箱50℃干燥1h，獲得預(yù)處理后的鐵硅鋁粉20g；將預(yù)處理后的鐵硅鋁粉20g和0.1g酚醛樹脂、5ml丙酮混合溶解，超聲分散后至于通風(fēng)處自然風(fēng)干，讓丙酮揮發(fā)干凈，然后在25℃、1000MPa壓制成環(huán)(18mm OD×9mm ID×3mm tall)；將壓環(huán)在氮?dú)庵?50℃熱處理60分鐘，獲得軟磁復(fù)合材料。后續(xù)對(duì)壓環(huán)繞線進(jìn)行性能測(cè)試，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈各20匝，利用LCR表測(cè)得磁導(dǎo)率為50左右，利用交流B-H儀在50mT和100kHz條件下測(cè)得總損耗為878kW/m³。