FeNiMo软磁粉芯的绝缘包覆工艺及电磁性能研究

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金属软磁FeNiMo材料具有高磁导率、高饱和磁化强度、低矫顽力和低剩余磁化强度的优点,广泛应用于电子电力、通信和雷达等领域。金属软磁材料电阻率低,在应用过程中会产生较大的涡流损耗,导致粉芯发热严重,不利于高频应用。本论文通过溶胶-凝胶法制备了FeNiMo/SiO2粉芯,分别通过高温预处理工艺、SiO2绝缘包覆、粉芯成型工艺的调控,揭示其对磁粉芯的结构和性能的影响。(1)通过H2/Ar混合气体高温预处理工艺对FeNiMo原粉进行预处理,揭示了预处理温度对其软磁性能的影响规律,证实了还原性气氛高温处理可以有效去除材料表面金属氧化物,增加单质态含量,显著提升FeNiMo原粉的有效磁导率。在此基础上,进一步对预处理后的FeNiMo粉末进行SiO2绝缘包覆,探索了软磁粉芯在不同退火温度下磁性能的变化过程。所获得的FeNiMo/SiO2软磁粉芯表面包覆均匀,经过600℃以下温度退火后在10 k Hz-1 MHz的频率范围内具有非常稳定的有效磁导率,其中600℃退火的粉芯有效磁导率最高(46.8),损耗最低(1087.3 k W/m~3,100 m T/100 k Hz条件下)。相比于Fe/Al2O3、Fe/Ni Zn铁氧体、FeSiCr/SiO2等软磁粉芯,本文通过H2/Ar混合气体高温预处理工艺和绝缘包覆工艺,所制备的FeNiMo/SiO2粉芯有效磁导率较高,损耗低于大部分软磁粉芯。因此经过还原性气氛高温预处理工艺后的绝缘包覆可以更大程度提升软磁粉芯的软磁性能。(2)通过调控正硅酸乙酯(TEOS)和硅烷偶联剂(APTES)的用量实现对SiO2包覆层厚度的控制,研究了TEOS和APTES添加量对FeNiMo/SiO2粉芯软磁性能的影响。随着TEOS添加量增加,SiO2包覆层的厚度逐渐增加,粉芯的有效磁导率和涡流损耗降低,但过大的TEOS添加量会导致磁滞损耗的增加。不同的TEOS添加量下,磁滞损耗起主要贡献作用,磁滞损耗的增加使得总损耗增加。APTES在反应中作为改性剂,其添加量的改变对粉芯的磁性能影响较小。当添加5 m L APTES和1 m L TEOS时,SiO2包覆层厚度最小,此时的FeNiMo/SiO2磁粉芯具有较高的有效磁导率(48.6)和较低的总损耗926.9 k W/m~3(100 m T/100 k Hz)。相比于其它SiO2包覆的Fe或FeSiCr粉芯,本文中的FeNiMo/SiO2在相同测试条件下获得的软磁性能更优。因此基于高温预处理后的SiO2绝缘包覆工艺调控可以显著提升粉芯的软磁性能。(3)通过溶胶-凝胶法制备了FeNiMo/SiO2软磁材料,研究了成型工艺中脱模剂添加量和成型压力对FeNiMo/SiO2软磁粉芯磁性能的影响,并揭示了成型工艺对磁滞损耗和涡流损耗的影响。结果表明,硬脂酸锌添加量主要影响粉芯的有效磁导率和涡流损耗。增加硬脂酸锌脱模剂添加量可以提高粉芯的密度和电阻率,提高有效磁导率,降低涡流损耗。而过多的硬脂酸锌降低了粉芯的密度和电阻率,使得有效磁导率降低,涡流损耗增加。增加成型压力使得样品密度增大,在降低磁滞损耗的同时会增加涡流损耗。通过成型工艺的优化,0.25 wt%的硬脂酸锌添加量和10 MPa的成型压力可获得最优的磁性能,有效磁导率和总损耗分别为56.8和709.7 k W/m~3(100 m T/100 k Hz)。相比于其它SiO2包覆的粉芯,FeNiMo/SiO2粉芯具有更高的有效磁导率和更低的总损耗。因此,基于绝缘包覆工艺开展的成型工艺调控可以进一步提高粉芯的磁性能。
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