基于放电等离子烧结技术的高性能Fe基非晶复合磁粉芯

Fe-based amorphous magnetic powder core (MPC) is a new kind of important soft magnetic material, as it possesses advantages of low core loss, good temperature stability, appropriate price, etc. However, due to the limitation of tranditional preparation method, the non-magnetic organic insulator with low melting temperature in the MPC can restrict the improvement in magnetic properties. In order to further improve the performance of amorphous MPCs, it is imperative to develop new preparation process suitable for Fe-based amorphous MPC. In this project, spark plasma sintering (SPS) technology is chosen as the forming technology, Fe-based metallic glasses (MGs) and nano-Fe3O4 powders are used as the research objects. The key research issues are: (1) SPS technology applicable to Fe-based MGs/Fe3O4 composite MPC; (2) the effects of composition and interface structure of SPS-MGs/Fe3O4 MPCs on electrical, magnetic and mechanical properties; (3) the influences of different operating frequency and temperature on the magnetic permeability of Fe-based MGs/Fe3O4 composite MPCs. Through the above research, new preparation method of high-performance Fe-based MGs/Fe3O4 composite MPCs can be developed and the relation between MPC internal structure and properties can be revealed. This project has scientific and practical significance in enriching the processing methods of high-performance MPCs, and remedying the limits of traditional MPCs which cannot be used over large temperature range and annealed at high temperature.

Fe基非晶磁粉芯具有低损耗、温度稳定性好、价格适中等优点，是软磁材料的重要发展方向。但是，传统方法制备的磁粉芯中存在低熔点且无磁的有机绝缘体，限制了磁性的改良。为进一步改善非晶磁粉芯的性能，发展适用于Fe基非晶磁粉芯的制备工艺十分迫切。本项目拟采用放电等离子烧结（SPS）技术，以Fe基非晶和纳米Fe3O4粉末为研究对象，重点研究：（1）适用于Fe基非晶/Fe3O4复合磁粉芯的SPS工艺；（2）Fe基非晶/Fe3O4复合磁粉芯的组成及界面结构对其电、磁和力学性能的影响机制;（3）不同使用频率和温度对非晶/Fe3O4磁粉芯磁导率的影响。通过上述研究，发展高性能Fe基非晶/Fe3O4复合磁粉芯的制备方法，揭示新型磁粉芯的内部结构与性能的关联性。项目的开展对丰富高性能磁粉芯材料的制备方法，以及弥补传统磁粉芯在使用温度范围偏小、难以进行高温退火处理等方面的不足具有重要的科学和实际意义。

因不存在晶界等晶体缺陷，铁基非晶合金具有低矫顽力高磁导率的特点，是一类性能优异的软磁材料。铁基非晶磁粉芯具有高饱和磁感应强度、低损耗、高磁导率等优点，是铁基非晶合金的一个重要应用方向。本项目针对铁基非晶磁粉芯的制备工艺问题进行了细致研究。为提高磁粉芯的耐温性能，首先发展了纳米Fe3O4/铁基非晶复合磁粉芯的放电等离子烧结制备技术，研究了成型工艺对其性能的影响，发现控制非晶材料的晶化是保证磁粉芯性能的关键因素。其次，针对传统非晶磁粉芯制备过程中粘结剂不耐温、需要粘结剂与润滑剂组合搭配等问题，通过球磨混合、冷压、烧结退火等工艺，成功制备了含有PTFE绝缘层的一系列新型铁基非晶磁粉芯。详细研究了PTFE的添加对磁粉芯磁性能的影响并确立了其最优添加范围为2%~4%，制备的磁粉芯有着低损耗（100kHz，100mT下为1449 kW/m3）和优异直流偏置性能（100Oe下磁导率百分比>83%）。针对PTFE难以混合均匀的问题，优化工艺制备了PTFE均匀包覆非晶粉末的复合磁粉芯，改善了磁粉芯性能，磁粉芯具有极高的直流偏置性能，100Oe直流场下磁导率百分比达到95.8%，远高于常规磁粉芯材料。采用一步式钝化+复合方式改善了PTFE/铁基非晶复合磁粉芯的综合磁性能，有效磁导率达到30，100Oe直流场下磁导率百分比高达94.2%。100mT下，钝化处理的磁粉芯在100kHz下的磁粉芯损耗为1343kW/m3，相比未钝化磁粉芯其损耗得到了显著降低。课题还研究了注射成型制备铁基非晶磁粉芯的工艺和性能，通过研究不同含量FeCo粉末对复合磁粉芯性能的影响，确定了最适宜的FeCo粉末添加量为50%。此时，磁粉芯损耗仅为210.4kW/m3(100kHz,30mT)。此外，项目还探索了磁性铁基非晶粉末的其他功能性能。利用铁基非晶粉末的磁性能，成功制备了铁基非晶/多孔镍复合材料，特殊的多孔结构大幅度改善了铁基非晶合金对染料污水的降解性能，动力学降解速率提升1500%以上，复合材料循环使用100次仍然保持80%以上的降解效率，在污水处理领域有良好应用前景。