【摘 要】
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现代电子元件的小型化、高效化、节能化及高速化发展要求软磁材料具有高饱和磁化强度、高磁导率和低损耗的特点,高性能软磁复合材料(SMCs)的开发是满足上述要求的重要手段。为解决目前软磁复合材料存在的磁性能低、损耗高两大关键问题,本文通过在金属软磁粉末表面原位氧化生成高电阻率的亚铁磁层的方法来构建核壳结构复合材料,从而将金属软磁材料的优良磁学性能与亚铁磁性壳层的高电阻率特点相结合,以达到降低涡流损耗并保
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(批准号:51571087); 湖南省自然科学基金(2019JJ40028);
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现代电子元件的小型化、高效化、节能化及高速化发展要求软磁材料具有高饱和磁化强度、高磁导率和低损耗的特点,高性能软磁复合材料(SMCs)的开发是满足上述要求的重要手段。为解决目前软磁复合材料存在的磁性能低、损耗高两大关键问题,本文通过在金属软磁粉末表面原位氧化生成高电阻率的亚铁磁层的方法来构建核壳结构复合材料,从而将金属软磁材料的优良磁学性能与亚铁磁性壳层的高电阻率特点相结合,以达到降低涡流损耗并保持高磁性能的目的,并通过对反应条件及工艺参数的控制实现对亚铁磁层厚度及微观结构的调控,获得具备优良综合磁性能的SMCs。采用原位氧化法合成了核/壳结构的Fe/Fe3O4软磁复合材料,研究了壳层厚度控制方法及壳层厚度对SMCs磁性能的影响规律,并探讨了氧化动力学机制。铁的原位氧化呈线性动力学规律,氧化速率受界面反应控制,其原位氧化速率k1=4.08×10-7mg·cm-2·s-1,反应级数n=0.93,该结果实现了对壳层厚度的精确调控。铁粉表面高电阻率Fe3O4壳层的形成虽可显著降低铁粉芯的涡流损耗,但由于其亚铁磁性的本质特性会引起磁粉芯磁导率及饱和磁化强度的下降,因此合适的壳层厚度是获得综合磁性能良好SMCs的关键。随着壳层厚度的增加,磁损耗由于致密绝缘层的存在显著降低,但过厚的绝缘层会破坏其结构引起绝缘失效,使得磁损耗略有上升。当壳层厚度为0.17μm左右时,复合材料的综合磁性能最佳,其磁导率和饱和磁化强度分别为55和232.1 emu/g,在20 m T和100 k Hz的条件下损耗仅为30.5 W/kg。在前期获得最佳壳层厚度的基础上,系统地研究了反应温度、氧流量、硬脂酸锌含量、成型压力及热处理温度等工艺参数对SMCs微观结构及磁性能的影响。随着氧流量及反应温度的上升,铁基软磁复合材料的饱和磁化强度、磁导率及磁损耗均呈现出上升的趋势;由于非磁性相的引入,硬脂酸锌含量的增加会使得SMCs的磁导率逐渐下降,磁损耗逐渐上升;成型压力的增加使得磁粉芯的磁导率和磁损耗分别展现出先上升后下降及先下降后上升的变化规律,因而适合的成型压力有助于提高磁粉芯的磁性能。热处理温度的增加有利于内应力的去除,但当热处理温度升高至570°C时,杂质相的出现会降低其磁性能。Fe基软磁复合材料制备过程中的最佳工艺参数分别为:反应温度60°C,氧流量150 sccm,硬脂酸锌含量1.0 wt%,成型压力800 MPa,热处理温度500°C,该研究结果为优异综合磁性能Fe基SMCs的制备提供了一定的理论指导作用。
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