改性硅微粉填料對鐵硅鋁磁粉心性能的影響

楊 磊，李文超，劉國忠，檀 杰，申星梅，鄭翠紅

（安徽工業大學a.材料科學與工程學院；b.冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室，安徽馬鞍山243002）

鐵硅鋁磁粉心是由鐵硅鋁粉末與絕緣介質混合壓制燒結而成的一種軟磁材料[1]。相比于傳統的硅鋼片和鐵粉心，經過絕緣包覆、顆粒級配等處理的鐵硅鋁磁粉心擁有較高的飽和磁感應強度和低的渦流損耗，加之其突出的性價比使得近年來市場對鐵硅鋁磁粉心的需求日益增加[2-5]。但是隨著電子器件向小型化、高效化、高頻化、高功率方向發展，業界對磁性材料的要求也越來越高，如何進一步提高鐵硅鋁磁粉心的直流疊加特性和降低磁損耗是當前研究的熱點[6-8]。

目前市場上大部分270026 型鐵硅鋁磁粉心抗飽和能力不強，且實際應用中機械強度低。通常在頻率100 kHz，直流磁場100 Oe下其直流疊加特性在70%～80%之間，由于磁導率低、包覆層較厚和無機物添加量多，導致其抗折強度一般僅有10 kPa。國內外不少學者發現采用溶膠凝膠、化學沉積等方法[9-10]，在磁粉表面均勻包覆一層納米二氧化硅，形成核殼結構，可很好地改善磁粉芯抗飽和能力和直流疊加特性[11-13]。同時二氧化硅電阻率高，可大大降低磁粉心的渦流損耗，但二氧化硅硬度高、成型性差，采用溶膠凝膠、化學沉積等方法制備的磁粉心抗折強度不夠，很難達到市場要求。因此，筆者以Zn(H2PO4)2·2H2O包覆的硅微粉為填料和黏結劑制備270026型鐵硅鋁磁粉心，以期在提高270026型鐵硅鋁磁粉心磁學性能的前提下，保證磁環具有良好的抗折強度。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗原料為球磨破碎鐵硅鋁磁粉(來自馬鞍山新康達磁業有限公司)，磷酸，硅微粉(SiO2質量分數大于99.8%，磁粉中位直徑D50為2.626 μm)，磷酸二氫鋅，脫膜粉(硬脂酸鋅)。

1.2 實驗過程

270026型鐵硅鋁磁粉心制備流程如圖1。首先對鐵硅鋁磁粉進行磷化包覆，再向包覆的磁粉中添加經Zn(H2PO4)2·2H2O 處理的硅微粉，攪拌均勻后，在壓強為2 000 MPa下壓制成型得到坯體。坯體在氮氣氣氛下、680 ℃中熱處理1 h，冷卻后得到磁粉心樣品。最后測試樣品的磁學性能和抗折強度。

1.2.1 磁粉的處理

采用磷酸(質量分數2.0%(占鐵硅鋁磁粉))對鐵硅鋁（其中Si 的質量分數為9%，Al 的質量分數為6%，其余為Fe）磁粉進行包覆，在磁粉表面形成一層磷化膜。再采用Zn(H2PO4)2·2H2O對硅微粉進行預處理，使硅微粉表面均勻包覆一層Zn(H2PO4)2·2H2O，加入的Zn(H2PO4)2·2H2O質量分數分別為10%，15%，20%。將預處理的硅微粉與絕緣包覆的磁粉按質量比為3∶50混合。

1.2.2 磁粉心樣品的制備

將處理的磁粉在2 000 MPa 下壓制成高11.10 mm、內徑14.80 mm、外徑27.0 mm的圓環樣品坯體，再將制得的坯體在680 ℃氮氣氣氛中熱處理1 h，冷卻后得到磁粉心樣品。

1.2.3 磁粉心樣品的性能測試

采用日本JSM-6490LV電子顯微鏡觀察磁粉和磁粉心樣品的形貌；采用Microtest6377分析儀測量樣品頻率在20～1 000 kHz時的電感L和Q，以及在直流磁場為1～200 Oe下的有效磁導率百分比，也稱直流疊加百分比；采用SY8216B-H損耗測試儀測量磁粉心樣品在磁通密度為100 mT、頻率范圍在50～100 kHz時的磁損耗；用YHT-9000B拉力測試儀測量磁粉心樣品的抗折強度。根據式(1)計算有效磁導率μe。

圖1 鐵硅鋁磁粉心的制備流程Fig.1 Preparation process of Fe-Si-Al magnetic powder core

式中：Le為有效磁路長度，根據高度、內徑和外徑計算Le=6.35×10-3m；μ0為真空磁導率，為4π×10-7H/m；N為線圈匝數，為30圈；Ae為有效橫截面積，為6.54×10-5m2。

2 實驗結果與分析

2.1 鐵硅鋁磁粉的包覆

圖2 鐵硅鋁磁粉包覆前后的SEM照片Fig.2 SEM photos of Fe-Si-Al magnetic powder before and after coating

圖3 磁粉心的SEM照片及對應的(EDS)元素面分布Fig.3 SEM photo of magnetic powder core and corresponding(EDS)element surface distribution

2.2 改性硅微粉對磁粉心磁學性能的影響

2.2.1 磁粉心的頻率特性

磁粉心的磁導率隨頻率f的變化關系如圖4。從圖4可知：4種磁粉心樣品的磁導率μe在1～1 000 kHz范圍內沒有明顯變化，說明4種磁粉心樣品有較好的頻率穩定性，同時說明Zn(H2PO4)2·2H2O2的硅微粉對磁粉心的頻率沒有明顯影響；Zn(H2PO4)2·2H2O含量越高，磁粉心樣品的有效磁導率越高。主要是因為硅微粉屬于非鐵磁性物質，具有較高的電阻率，作為填料可大大增加磁粉心內部的退磁場，從而很難被外磁場磁化[14]；且隨著Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增大，硅微粉加入量越低，相較而言磁粉心的磁導率會越高。

2.2.2 磁粉心的直流疊加特性

磁粉心在直流狀態下工作除了要有良好的電磁特性外，還須具備良好的直流偏置特性，即隨著疊加直流磁場強度的增大，其磁導率下降幅度變小。直流疊加特性是鐵硅鋁磁粉心的動態特性之一，是衡量鐵硅鋁磁粉心抗飽和特性的重要指標。通常用外加直流磁場變化后的有效磁導率與100 kHz下的有效磁導率百分比來表示[15]。圖5為磁粉心直流疊加百分比隨直流偏磁場的變化曲線。從圖5 可知：磁粉心直流疊加百分比隨直流磁場的增強而降低，當直流磁場為100 Oe 時，直流疊加百分比都大于80%，高于商用270026 型鐵硅鋁軟磁磁粉芯；當增大到200 Oe時，4種磁粉心的直流疊加百分比均小于65%，且形成的是上凸曲線，說明隨著直流磁場的增大，磁粉心的磁導率下降幅度變大；當直流磁場大于20 Oe，在相同直流磁場下，隨Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增加，磁粉心的直流疊加百分比呈下降趨勢，即直流偏置特性變差。主要是因為硅微粉提高了磁粉心的退磁場，導致磁粉心難以磁化，即提高了磁粉心的飽和磁化強度。因此隨著Zn(H2PO4)2·2H2O 處理量的增大，硅微粉加入量降低，磁粉心更易被磁化飽和，直流偏置特性也就越差[16]。

2.2.3 磁粉心的品質因素

品質因素Q 是磁性材料在交變磁化時能量儲存和能量損耗之比，是表征鐵磁樣品交變磁性的重要物理量。Q 值越高，表明鐵磁樣品儲能性能越優異，其表達式為[17-18]

圖4 頻率對磁粉心磁導率的影響Fig.4 Effect of frequency on magnetic permeability of magnetic powder core

圖5 磁粉心的直流疊加百分比隨直流偏磁場的變化曲線Fig.5 Variation of cuvers DC superposition percentage of magnetic powder core with DC bias magnetic field

式中：W1為能量儲存；W2為能量損耗；R為磁粉心電阻；Im為線圈中通過電流；μ′為復數磁導率實部；μ″為復數磁導率虛部。

圖6 為4 種磁粉心樣品的Q 值隨頻率f 的變化曲線。從圖6 可知：當頻率在1～100 kHz 范圍內時，4 種磁粉心的Q 值隨頻率的升高而升高，且都在接近100 kHz 時達到峰值；隨著頻率的進一步增加，Q值開始逐漸減小，當頻率大于150 kHz時，相同頻率下，隨著Zn(H2PO4)2·2H2O 處理量的增加，Q 值降低。在高頻下損耗隨著頻率急劇增加，Q 值開始逐漸減小，而硅微粉的電阻率較高，在磁粉心中具有很好的抗渦流作用。所以硅微粉含量越低，高頻下磁粉心的Q值也就越低。

2.2.4 磁粉心的磁損耗

磁性材料在交變磁場中會產生能量損耗，被稱為磁損耗。磁損耗主要包括三個方面：磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe及剩余損耗Pr[19]。其中磁滯損耗Ph主要是因為磁性材料在磁化過程中由于疇壁的不可逆位移和不可逆轉動引起的，在低頻下占據著主導地位；渦流損耗Pe是指導體在交變磁場中內部產生的渦狀感應電流使磁粉心發熱造成的能量損耗，在高頻下起主要作用；剩余損耗Pr主要來自于雜質原子的擴散弛豫和共振，一般在頻率達到MHz時才會考慮。因此金屬磁粉心通常只考慮磁滯損耗和渦流損耗，表達式如下[17]：

圖6 頻率f對磁粉心Q值的影響Fig.6 Effect of frequency f on Q value of magnetic powder core

式中：Pcv是磁粉心的總損耗；n和C為常數；B為磁通密度；r為材料電阻率。

圖7 為磁粉心在磁通密度為100 mT 時的磁損耗值隨頻率f的變化曲線。從圖7可知：頻率在50～100 kHz 范圍內，磁粉心的磁損耗隨頻率的升高而升高，這是因為磁滯損耗和渦流損耗分別與f2和f成正比；相同頻率下隨著Zn(H2PO4)2·2H2O處理量的增大，磁粉心磁損耗升高，這是因為當Zn(H2PO4)2·2H2O含量逐漸增加，硅微粉占比也就越少，磁粉芯電阻率r下降，渦流損耗也就隨之上升。

2.3 改性硅微粉對磁粉心抗折強度的影響

磁粉心在扼流線圈、變壓器、濾波器等元器件上應用時除了要具備優良的磁學性能外，還須擁有一定的機械強度。文中以抗折強度p 表示磁粉心的機械強度，表示如下

圖7 頻率對磁粉心磁損耗影響Fig.7 Effect of frequency on magnetic flux loss of magnetic powder core

式中：F為使磁環斷裂的最大荷重；R1為磁環外徑；R2為磁環內徑；h為磁環高度。

圖8為4種磁粉心樣品的抗折強度。從圖8可看出：磁粉心的抗折強度隨著Zn(H2PO4)2·2H2O含量的增大而增大，尤其當Zn(H2PO4)2·2H2O的質量分數達15%，抗折強度迅速上升至19.7 kPa，而商用270026型鐵硅鋁磁粉心抗折強度一般只有10 kPa。Zn(H2PO4)2·2H2O的差熱-熱重(DTA-TG)分析如圖9。結合圖9和文獻[20]可知：Zn(H2PO4)2·2H2O在100 ℃以下出現的吸熱峰為吸附水的脫附；在150～200 ℃之間出現的吸熱峰并伴隨著失重為（Zn(H2PO4)2·2H2O 結晶水的脫去；約280 ℃發生縮合，約390 ℃開始聚合反應形成大分子[Zn(PO3)2]x，大分子[Zn(PO3)2]x沉積在硅微粉表面，起到膠結粘附作用。其反應方程式如下：

圖8 Zn(H2PO4)2處理量對磁粉心抗折強度的影響Fig.8 Effect of Zn(H2PO4)2 treatment on the bending strength of magnetic powder core

圖9 磷酸二氫鋅的差熱-熱重分析Fig.9 Differential thermal-thermogravimetric analysis of Zn(H2PO4)2

圖10 為采用Zn(H2PO4)2·2H2O 硅微粉處理前后的磁粉心掃描電鏡照片。從圖10(a)可以看出：未經Zn(H2PO4)2·2H2O處理的硅微粉在磁粉心中松散，有明顯的顆粒感；經Zn(H2PO4)2·2H2O處理的硅微粉主要分布在磁粉顆?？p隙處，與磁粉很好地粘接在一起。

圖10 填料為硅微粉的磁粉心斷面掃描電鏡照片Fig.10 SEM images of magnetic particle core with silicon micropowder as filler

3 結 論

采用Zn(H2PO4)2·2H2O 改性的硅微粉為填料制備270026 型鐵硅鋁磁粉心，制備的鐵硅鋁磁粉心不僅抗飽和能力強、損耗低，且抗折強度高，無需后續處理就可滿足實際應用。

1)當Zn(H2PO4)2·2H2O的質量分數為15%時，在1～1 000 kHz頻率范圍內，制備的鐵硅鋁磁粉心磁導率約為24.8；當頻率為100 kHz、外加直流磁場100 Oe時，磁粉心的直流疊加百分比接近85%；200 kHz下磁粉心的品質因素Q值達141；頻率在50 kHz、磁通密度100 mT下磁粉心的的總磁損耗低于175 mW/cm3。

2)制備的鐵硅鋁磁粉抗折強度達到19.7 kPa，其磁學性能和抗折強度都優異于市場上的270026型鐵硅鋁磁粉心。