一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用。本发明专利技术将Fe

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于软磁材料成型
，具体涉及一种适用于高频电感元件的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯及其制备方法与应用，具体为本专利技术将Fe
‑
基非晶合金粉末通过放电等离子体处理，使粉末表面层被晶化，结合包覆、压制和烧结工艺获得外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。

技术介绍

[0002]随着现代技术不断的更新换代，电气化在许多行业的使用越来越广泛，并且电子器件的小型化逐渐成为趋势，如3C产品、通信电子、医疗器械、新能源汽车、航空航天等领域，其具体应用的目标器件如在5G通信器件、5G通信基站、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器、扼流圈、复杂阻尼器等。因此需要寻求更高磁性能、更高效的电感元件来满足功率器件小型化的发展趋势。尤其，这些设备需在几百兆赫兹(MHz)频率以上的高频下运行，其功率可达几千瓦，故具有高磁感强度(B
s
)和低磁损耗(W
m
)的软磁合金可以满足其电子器件模块化和高效集成化的需求，因此软磁材料将会是下一代电子电力设备和及其电子器件高效运行的关键材料。
[0003]磁粉芯软磁复合材料是近年来磁性材料领域的研究重点。通常，磁粉芯软磁复合材料的制备包括以下步骤：(1)使用气雾化或水雾化等方法制备软磁合金粉末，软磁材料一般选取含硅、镍、铝或钴的铁基预合金成分；(2)将软磁合金粉末表面包覆一层绝缘层；(3)将绝缘包覆的软磁粉末与润滑剂混合；(4)将步骤(3)所得混合粉末压制成形制取生坯；(5)在350℃至900℃的温度下烧结，获得磁粉芯软磁复合材料。磁粉芯软磁复合材料绝缘包覆层的独特之处在于：每个被绝缘层包覆的粉末颗粒，在其内部具有非常小的涡流路径，并且其具有较高的电阻率，可以致使软磁复合材料在工作期间产生的涡流损耗大幅降低。因此，单个软磁粉末颗粒及其绝缘包覆层可称为“功能基元”，软磁复合材料便是由许多的功能基元结合而成。
[0004]另一方面，纳米晶软磁复合材料具有较高的磁感强度和磁导率。纳米晶软磁合金由于其独特的结构长度远低于铁磁交换长度，使得磁各向异性常数降低，进而可以使得纳米晶软磁合金具有优异的软磁性能，可以应用在多种场合。根据定义，纳米晶功能基元内部由软磁非晶基体与随机成核的纳米晶组成，外部为包覆的绝缘层。其内部的结构通常通过两阶段路线获得：首先是通过快速凝固获得非晶结构，然后通过改性处理晶化形成纳米晶。
[0005]Yoshizawa等学者证明，在Fe
‑
Si
‑
B中添加少量Cu和Nb后(Fe
‑
Si
‑
B
‑
Nb
‑
Cu也称为Finemet合金)，在500至600℃下烧结1小时，可以具有优异的软磁性能。这是由于引入Cu可增加形核点的数量，而Nb阻止晶粒长大，同时抑制硼化物相的形成，故所开发的微观结构由非晶基体和α
‑
Fe+FeSi纳米晶(约10nm)组成。但是，Finemet合金的B
s
值还不能满足一些需要高B
s
的电感器件的需求。为了开发高B
s
软磁合金，基于Finemet合金的制造基础Suzuki等学者开发出Fe
‑
Zr
‑
B基合金，称为Nanoperm合金。还有Makino等学者开发出含非金属Fe
‑
Si
‑
B
‑
P
‑
Cu的Nanomet合金。
[0006]尽管Nanoperm合金和Nanomet合金提高了饱和磁感强度B
s
值，但是其在高频工作时磁损耗W
m
仍然偏高，不能满足未来日益小型化的电子器件对低损耗的需求。另一方面，对于纳米晶软磁合金，虽然其材料成分的调控已有研究和报道，但是对纳米晶的梯度尺寸差异调控尚未有报道。因此，有必要探索出一种高磁感低损耗纳米梯度磁性材料以拓展产业化应用领域。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，具体为将Fe
‑
基非晶合金粉末通过放电等离子体处理，使粉末表面层被晶化，然后通过添加包覆剂和润滑剂后进行压制，最后在高于晶化温度下烧结处理，粉末表面纳米晶粒继续长大，粉末内部非晶则开始晶化，形成晶粒尺寸的梯度差异，从而获得外层大晶粒、内层小晶粒的高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。
[0008]该方法可提升原有Fe
‑
基微米级磁粉芯的磁导率U
i
和降低中高频工作时的磁损耗，并且制造工艺流程简单，可个性化制造，也可批量生产，尤其适用于中高频电子器件的应用。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供上述方法制得的一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。
[0010]本专利技术的再一目的在于提供上述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯在中高频领域电子器件的应用。
[0011]本专利技术所述高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯可应用于3C产品、通信电子、医疗器械、新能源汽车、航空航天等领域，其具体应用的目标器件如在5G通信器件、5G通信基站、扼流圈、电感器、执行元器件、发电机、智能控温器件、变压器、电动机、互感器和阻尼器等。
[0012]本专利技术目的通过以下技术方案实现：
[0013]一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，包括以下步骤：
[0014](1)将Fe
‑
基非晶合金粉末进行放电等离子体处理，处理条件为：电压130～150V，电流1.6～2.2A，转速1000～1500r/min，每次放电处理时间为2～4h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次，得到表面纳米晶化的Fe
‑
基合金粉末；
[0015](2)将步骤(1)表面纳米晶化的Fe
‑
基合金粉末与包覆剂进行混合包覆和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到高致密磁粉芯压坯；
[0016](3)将步骤(2)高致密磁粉芯压坯在惰性气体氛围中烧结成型，Fe
‑
基合金粉末表面纳米晶长大为大尺寸纳米晶、内部非晶晶化为小尺寸纳米晶，得到高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯。
[0017]优选地，步骤(1)所述放电等离子体处理的条件为：电压135V，电流2～2.3A，转速1100～1200r/min，每次放电处理时间为2.3～3h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次。
[0018]优选地，步骤(1)所述Fe
‑
基非晶合金粉末元素含量Fe70～90at.％，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Si、Co、B、C、P、Cu、Ni、Mo、Al、Ta、N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将Fe
‑
基非晶合金粉末进行放电等离子体处理，处理条件为：电压130～150V，电流1.6～2.2A，转速1000～1500r/min，每次放电处理时间为2～4h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次，得到表面纳米晶化的Fe
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基合金粉末；(2)将步骤(1)表面纳米晶化的Fe
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基合金粉末与包覆剂混合均匀，进行包覆和干燥后，再与润滑剂混合均匀，压制成型，得到高致密磁粉芯压坯；(3)将步骤(2)高致密磁粉芯压坯在惰性气体氛围中烧结成型，Fe
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基合金粉末表面纳米晶长大为大尺寸纳米晶、内部非晶晶化为小尺寸纳米晶，获得高磁感低损耗的梯度纳米晶磁粉芯。2.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Fe
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基非晶合金粉末元素含量Fe70～90at.％，余量由以下成分中的两种或两种以上元素组成：Si、Co、B、C、P、Cu、Ni、Mo、Al、Ta、Nb和Sn元素；所述Fe
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基非晶合金粉末的粒径为20～110μm；步骤(3)所述烧结处理的温度为高于Fe
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基非晶合金粉末的晶化温度，时间为10min～1h。3.根据权利要求1所述一种高磁感低损耗梯度纳米晶磁粉芯的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述放电等离子体处理的条件为：电压135V，电流2～2.3A，转速1100～1200r/min，每次放电处理时间为2.3～3h，每次放电处理完毕相隔10～30分钟再进行下次放电处理，直到放电处理次数达到5～10次；步骤(1)所述Fe
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基非晶合金粉末为Fe
83
Si5B8Cu4、Fe
80
Si
10
B6Nb...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，李泓臻，彭焕林，
申请(专利权)人：中山市华佑磁芯材料有限公司，
类型：发明
国别省市：