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SPS制备软磁复合材料电阻率与磁导率的优化设计

鲁书含  
【摘要】:我国在布局制造业强国规划中提出要推动制造业的快速转型发展。面对电子信息、汽车能源等领域的发展,近年来,人工智能技术、自动化等技术的不断发展成熟,作为主要器件的变压器、电感器受到广泛关注及研究。器件朝着轻薄小型、高集成化方向发展。而作为其方向的发展基础之一则是软磁铁芯的高频特性。作为关键核心材料的软磁复合材料(Soft magnetic composite materials,SMCs),要求达到高速度、高功率密度以及高效率性能。因此开发出具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗、低矫顽力的软磁复合材料尤为重要。通过物理化学方法对磁性粉末进行高电阻率绝缘物质包覆,增加材料电阻率,降低涡流损耗,是制备具有优异的磁性能是SMCs的主要方式。Fe基非晶材料在表面包覆较高电阻率的铁氧体后进行放电等离子烧结(SPS),其电阻率可达1300μΩ·cm,但与计算值仍有较大偏差。为探究SPS烧结对样品电阻率的影响,本文选用纯Fe粉为基体,Al_2O_3为包覆层,通过物理研磨法及SPS烧结技术,探究不同包覆厚度及烧结温度对材料电阻率性能影响,SPS烧结后获得的Fe/Al_2O_3复合材料具有高密度。随着烧结温度的增加,材料的电阻率下降。并且不同厚度包覆层的材料随烧结温度的升高电阻率下降的趋势不同。这是由于烧结过程中Fe元素发生不同机制的扩散所致,当有利于界面放电现象产生时,界面Fe元素扩散主要受等离子体激活扩散效应影响,界面电阻迅速下降。另外,磁粉芯通常采用粉末冶金方式绝缘压制成型。但因在热处理过程中存在金属元素扩散破坏界面绝缘性使电阻率降低的问题。为获得较高的软磁综合性能,充分发挥材料在高频下的软磁性能,本文创新性提出双包覆层,将Fe基粉末与铁氧体分隔开,从而抑制Fe元素向铁氧体绝缘层的扩散,避免Fe~(2+)的离子浓度的增加,提高绝缘层的绝缘效果。MgF_2化学稳定性强,耐热性优良,在600~oC以上烧结及热处理,与纯铁发生化学反应程度低。溶胶-凝胶法所制备的铁氧体绝缘层厚度较薄且均匀牢固。我们采用化学法,在Fe基粉末颗粒表面生成均匀的MgF_2层,再进行包覆锌镍铁氧体前驱体。将包覆后的Fe基复合粉末进行放电等离子烧结,使其致密化,获得Fe/MgF_2/(ZnNi)Fe_2O_4软磁复合材料。在铁氧体厚度一定的情况下,随着MgF_2层含量的增加,材料电阻率增大。Fe/MgF_2/(ZnNi)Fe_2O_4软磁复合材料具有优良的软磁性能、电阻率和综合机械性能。为提高软磁材料电阻率,开发出高频应用下性能优异的微胞软磁复合材料提供了创新依据。


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