金属软磁粉芯包覆工艺研究进展

＊邹中秋 冀翼 张鑫 张华

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金属软磁粉芯从诞生至今，随同电子器件经历了一代又一代的发展。软磁粉芯的研究离不开包覆工艺，因为大部分的软磁粉芯的工作环境都是交变磁场，这就要求粉芯有较好的静态磁性能，以保证粉芯的频率稳定性和温度稳定性[1]。绝缘包覆层对软磁粉芯的作用可以分为两个方面，首先，非磁性绝缘层能增大粉芯内部的有效退磁场，使粉芯的直流偏置性能增强，增加粉芯的抗饱和性能。其次，磁粉末表层的绝缘包覆层可以阻断交变磁场下产生的涡流通路，降低粉芯在高频下产生的涡流损耗。

1.软磁粉芯包覆工艺的发展历程

19世纪末，磁性材料工作者就在破碎的铁粉上均匀地涂上蜡，制备出最早蜡包覆的铁磁粉芯[2]。随着科技的发展，电子器件的应用频率不断提高，软磁粉芯的工作温度也不断升高，新的绝缘包覆工艺也不断问世。传统磁粉包覆方法主要有：第一种是将磁粉末用弱酸钝化后添加水玻璃进行绝缘包覆，最后再添加高岭土和滑石粉混合均匀。此种方法制备的粉芯的频率稳定性和温度稳定性较好；第二种是直接用高温树脂对磁粉进行包覆。这种方法的优点是工艺简单，成本低；第三种方法是化学包覆法，将处理后的粉末加入弱酸性溶液中同时加入碱性的硅酸盐后搅拌烘干。这种方法制备的粉芯的频率稳定性和温度稳定性好，工艺也较为简单[3]。目前，软磁粉芯的包覆工艺技术逐渐成熟，软磁粉芯面向各种应用环境都有其特定的包覆工艺。

2.软磁粉芯包覆工艺的分类

在科研工作者不懈努力下，软磁粉芯包覆工艺层出不穷。目前，软磁粉芯包覆工艺主要分为以下几类：

（1）单层无机包覆。单层无机包覆是指利用弱酸或氧化物在金属软磁粉末表层均匀的包覆上一单层无机物。弱酸中比较典型的是H3PO4钝化，氧化物中典型的是Al2O3、SiO2和MgO等。

H3PO4钝化是目前应用研究最多、市场上最常用的包覆工艺。利用H3PO4和溶剂按照一定比例配置成钝化液，后将磁粉倒入钝化液中不断的“翻炒”，使磁粉表面与钝化液反应，生成一层均匀的磷酸盐。常用的钝化液溶剂有乙醇和丙酮，优点是溶解H3PO4速度快、易挥发，可缩短工艺时间[4]。H3PO4钝化后磁粉末的扫描电子显微镜（SEM）图片如图1所示，可以观察到不同磷酸量钝化后粉末表面形貌不相同，H3PO4含量较低时，由于H3PO4量不足，粉末表面因钝化不均匀显得粗糙。H3PO4量适合时，粉末表面钝化层均匀，且H3PO4耗尽，反应停止。H3PO4含量继续增加，粉末表面再次变粗糙。由此可见，钝化液用量影响粉末表面包覆层形态，进而会对粉芯的磁性能有影响。

图1 不同磷酸量钝化的磁粉末表面扫描子显微镜图片

Al2O3包覆磁粉末制备软磁粉芯的优点是Al2O3具有高电阻率和致密性，可以提高软磁粉芯的电阻率，降低高频磁损耗。包覆方法一般分为三种，第一种是软磁粉末与纳米Al2O3颗粒经球磨混合，这种方法工艺简单，可缩短工艺时间，包覆层均匀性较差，不能完全覆盖颗粒表面各处。第二种是采用Al3+水解法制备Al2O3包覆层，原理先是通过Al3+水解，使粉末表面均匀的包覆一层Al(OH)3，后通过热处理粉末使表面Al(OH)3分解成Al2O3。原料一般是强酸弱碱铝盐，如硝酸铝等。此种方法制备的包覆层致密且均匀性较好，缺点是工艺较为复杂，需经过高温热处理[5-6]。第三种方法是共沉淀法，制备原理是将磁粉末浸没在铝盐溶液中，再向混合液中加入碱性物质，生成Al(OH)3附着在磁粉表面，后经热处理使Al(OH)3分解成Al2O3[7]。此种方法制备的包覆层均匀性较溶胶凝胶法差，但工艺时间大大缩短。图2展示了Al3+水解法制备的Al2O3包覆的磁粉末表面SEM，可以观察到当Al2O3含量较少时，粉末表面包覆层不均匀，鳞片状结构可见。Al2O3含量增加到1.0wt%，包覆层均匀，此时部分区域出现孔洞。Al2O3含量继续增加到2.0wt%，磁粉末表面包覆层出现大量孔洞。

图2 不同Al2O3量包覆的磁粉末表面扫描电子显微镜图片

SiO2包覆磁粉末制备软磁粉芯是目前比较常用的方法，原因是SiO2具有高电阻率，可以降低粉芯高频磁损耗，且制备工艺简单。目前，制备SiO2包覆层的方法有两种，第一种是水解法，采用的原料通常为正硅酸乙酯（TEOS）和硅烷偶联剂（APTES）[8]。与Al3+水解法制备Al2O3包覆层相比，这种方法制备的SiO2包覆层不需要经过高温热处理，大大缩短了工艺时间。但是，这种方法对粉末表面活性要求比较严格，通常要对粉末表面进行改性，目的是使SiO2更易在粉末表面生长。第二种方法采用纳米SiO2粉末与磁粉末经球磨直接混合，这种方法与Al2O3包覆一样，包覆工艺简单但包覆层不均匀。图3展示了不同TEOS量水解生成SiO2包覆磁粉表面SEM图片，可以观察到TEOS量合适时，包覆层非常均匀。TEOS量增加，包覆层逐渐增厚，当包覆量超过一定程度后，SiO2在磁粉末表面堆积，生成絮状结构包覆层，恶化粉芯的磁性能。

图3 不同TEOS量水解生成SiO2包覆的磁粉末表面扫描电子显微镜图片

采用MgO作为磁粉末包覆层的优点是MgO具有耐高温性，并且电阻率也较高，大压力成型后退火包覆层不会发生分解，能提有效隔绝高频下粉芯内部产生的涡流，降低高频磁损耗。由于Mg2+水解能力微弱，因此MgO包覆层的制备方法主要有共沉淀法和纳米颗粒球磨混合法。共沉淀法是先将磁粉末与镁盐溶液混，加入碱性物质生成Mg(OH)2沉淀于粉末表面，后通过高温热处理使Mg(OH)2分解生成MgO[9]。这种方法制备的MgO包覆层比纳米粉末球磨混合法均匀，但需高温处理，工艺时间较长。共沉淀法制备的MgO包覆磁粉末表面SEM如图4所示，可以观察到与Al2O3和SiO2包覆层不同的是，磁粉末表面MgO包覆层呈现出颗粒状，随着MgO含量增加，颗粒在表面堆积、团聚。

图4 不同MgO量包覆的磁粉末表面扫描电子显微镜图片

（2）单层有机包覆。单层有机包覆是指在磁粉末表层均匀的包覆一层树脂，以达到隔绝涡流通路效果。目前，常用的树脂有环氧树脂[10]等，如图5所示。这种方法制备工艺简单，工艺时长短，并且一般采用的树脂是液态，可以对磁粉末实现完整均匀的包覆。制备步骤是将树脂分散在溶剂中，后将磁粉末加入树脂混合液，搅拌至溶剂完全挥发。但是，由于包覆层是有机物，不耐高温，在粉芯的退火过程中树脂易分解。因此，采用树脂包覆的软磁粉芯退火温度不能太高，这又会导致粉芯内部的应力不能完全释放，增大了粉芯的矫顽力和磁损耗。

图5 环氧树脂包覆的磁粉末表面扫面电子显微镜图片图片

（3）无机-无机复合包覆。无机-无机复合包覆是指用双层无机物对磁粉末进行绝缘包覆，一般内层采用弱酸钝化或氧化物，外层选择氧化物。选择这种包覆方法优点是可以避免单层无机包覆缺点，能更有效的隔绝涡流通路。例如，刘东等人[11]为了解决磷酸盐在高温下结晶或分解，热处理导致粉芯的电阻率降低问题，研究了磷酸和氧化铝复合包覆Fe-Si-Al软磁粉芯。他们首先采用磷酸和乙醇作为钝化液制备了磷酸盐包覆层，后通过溶胶凝胶法在磷酸盐包覆层基础上制备了氧化铝包覆层。通过测试高温热处理包覆层的转变和磁性能的变化，得出磷酸-氧化铝复合包覆层具有优异的耐高温性能，磁损耗比单层磷酸盐包覆或氧化铝包覆低结论。罗凡等人[12]为了降低高频磁损耗，提高粉芯的频率稳定性，制备出MnO/Al2O3复合包覆层，包覆后的磁粉末表面SEM如图6所示。他们通过球磨混合法使Fe-Si-Al磁粉末表面包覆上MnO，后通过烧结使粉末表面Al元素置换出，生成MnO/Al2O3复合包覆层，实验证明这种复合包覆层可有效地提高粉芯的频率稳定性，提高粉芯的电阻率，降低粉芯在高频下的涡流磁损耗。

图6 不同MnO量包覆的磁粉末表面扫描电子显微镜图片

（4）无机-有机复合包覆。无机-有机复合包覆是指利用有机树脂的流动性和粘性，使无机物均匀的包覆在磁粉表面。这种方法的目的是为了增强磁粉表面与无机物的相容性，提高包覆层的质量。比较典型的是关婉婉等人利用环氧树脂和SiO2绝缘包覆Fe-Si-Al磁粉末，他们首先将磁粉末用环氧树脂包覆，后利用KH550水解特性在磁粉表面又包覆了一层SiO2，SEM图片如图7所示。实验证明采用此种绝缘包覆方法能够有效地隔绝软磁粉芯内部的涡流，降低高频涡流损耗，提升频率稳定性，并增加直流偏置性能。此外，陈艳等人研制出磷酸盐-聚酰亚胺复合绝缘包覆层，他们先将水雾化铁粉用磷酸钝化，制备成磷酸盐包覆的铁粉末，后将可溶性聚酰胺酸溶解在二甲基乙酰胺中，倒入磁粉末制备成磷酸盐-聚酰亚胺复合绝缘包覆的铁粉末。实验证明，包覆0.1wt%的磷酸和1.5wt%的聚酰亚胺能够有效地提升粉芯的磁性能，并且这种方法能够有效提高粉芯的抗腐蚀能力，为等易腐蚀软磁粉芯如Fe-Si粉芯的包覆提供有利参考。

图7 （a）原Fe-Si-Al粉末；（b）单个原始Fe-Si-Al颗粒；（c）单个绝缘Fe-Si-Al颗粒的SEM图像

3.问题与展望

随着软磁粉芯的应用频率和功率不断提高，优质绝缘包覆层成为当下研究热点。从近几年磁性材料工作者的研究中可以看出，高电阻率、耐高温性好的绝缘层将成为未来应用热门。但是，目前包覆工艺还存在以下问题：

（1）高电阻率氧化物包覆工艺不够完善。球磨混合法制备的氧化物包覆层不能均匀覆盖磁粉表面，涡流通路不能完全阻隔。水解法和共沉淀法制备工艺时间过长，并且需对粉末热处理，成本较高。

（2）对于复合绝缘包覆研究相对较少。复合绝缘包覆能够弥补不同物质之间缺点，从而达到改善绝缘层质量目的。当前对于复合绝缘包覆仅限于几种常见的无机物或高温树脂，缺乏对于包覆层的开发和不同物质的搭配研究。

总的来说，软磁粉芯的发展将沿着高饱和磁感应强度、高磁导率、高居里温度、低损耗、低矫顽力方向发展，对软磁粉芯的包覆工艺研究是提升软磁粉芯性能的核心。研发新型包覆材料，完善当前包覆材料不足，是拓宽软磁粉芯应用领域最有效途径之一。