聚合物&軟磁納米晶/非晶復合材料的研究現狀

王志新

（太原市塑料研究所，山西 太原 030024）

1 復合材料的研究背景及市場前景

納米晶、非晶軟磁性材料具有飽和磁感高、磁導率高、損耗低等優異特性，而且在溫度穩定性、時效穩定性以及磁沖擊穩定性等方面是完全過硬的，已被廣泛應用于電力、電子領域，它被稱為“21世紀綠色電子材料”，在電子、信息領域的應用將會越來越廣，前景廣闊。但是其應用在信息電子產業，如計算機ATX電源和通訊電源磁放大器、高頻電子變壓器、共（差）模和各類濾波電感、PFC變壓器以及精密電流互感器，磁放大器磁芯，各類電感、電子變壓器和互感器磁芯等領域，還存在性能參數離散較大、產品質量不夠穩定等問題，用作高頻變壓器件鐵芯的時候，仍然存在比較大的渦流損耗。應用到電磁損耗材料，則存在納米軟磁粒子團聚導致損耗效果大打折扣等問題。

聚合物&軟磁納米晶/非晶復合材料在保留了非晶、納米晶軟磁性材料的優良性能的前提下，通過不同工藝將納米粉體均勻分散于聚合物并以特定的組織狀態存在，由于粉體離散性增大，還很好地降低了納米粉體的團聚，有效地減少了在做高變頻磁芯時的渦流損耗，同時更好的保留了納米粉體本身的特殊功能（如納米尖晶石鐵氧體作為優良的電磁波吸波材料良好的電磁損耗特性），聚合物&軟磁納米晶/非晶復合材料成為了集高性能磁導、優良的電磁損耗性能、優良的力學、電絕緣性能、加工性能、優良的電磁損耗性能于一體的優良新型功能材料，同時大大地提高了材料使用中的穩定性和安全性。

隨著市場經濟的發展，非晶/納米晶的應用領域逐漸擴展到廣大的民用產品。目前工民品是其最主要的產品領域，應用場合主要包括：互感器鐵芯、大功率逆變電源變壓器和電抗器鐵芯、各種形式的開關電源變壓器和電感鐵芯、各種傳感器鐵芯等，有著巨大的市場；另外，作為電磁屏蔽、吸波材料，在軍用領域也有著廣闊的市場前景。

2 目前的研究現狀

（1）在軟磁納米晶/納米非晶方面的研究已經有很多并且也較成熟了。采用機械合金化-高壓成形法制備的Fe_（84）（NbV）_7B_9納米晶材料具有高磁通密度。相對密度大于97%的Fe_（84）（NbV）_7B_9納米晶，晶粒尺寸約為10～15 nm，飽和磁化強度約為150 Am~2／kg，矯頑力可以達到0.85 kA／m。

采用水冷銅模快速凝固法首次成功制備的具有非晶與納米晶雙相結構的Fe_（84）（NbV）_7B_9，晶粒尺寸約在10～20 nm之間，且均勻分布在非晶基體中。550℃退火可獲得最佳綜合軟磁性能：B_s=1.52～1.54 t，H_c＜5.0～8.0 A／m，μ_e(1 kHz，0.4 A／m)=18 000～20 000。

上海市金屬功能材料應用開發重點實驗室報道了新開發的納米晶 Fe_（67.9）Cu_（0.5）Nb_（0.6）Cr_3V_1Si_（14）B_（13）合金的綜合磁性能：在直到1 MHZ的頻率范圍內考查了弱場磁導率的頻散特性。在f=20-10~3 kHz和B_m=0.01~1.0 t范圍內，考查了高頻矯頑力和B_m的關系。在f=20-10~3 kHz和B_m=0.05~0.9 t范圍內，描述了鐵損和f及B_m的關系。新合金的直流起始磁導率和矯頑力水平分別為7.8×10~4和0.8 Am~（-1）。在B_m=0.3 t，f=100 kHz和 B_m=0.2 t，f=200 kHz條件下，鐵損分別為 544 kW。m~（-3）和 830 kW。m~（-3），這可與納米晶 Fe_（73.Cu_1Nb_3Si_（13.5）B_9 的相比,但比 Mn-Zn 鐵氧體 H_（7c4）的低得多，是理想的磁芯材料。

（2）在復合材料的制備和性能研究方面，目前有采用簡單熔融共混制備的聚苯硫醚/四氧化三鐵磁性材料（PPS/Fe3O4），運用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、偏光顯微鏡（POM）、動態熱機械分析儀（DTMA）、差示掃描量熱儀（DSC）、振動樣品磁強計等對復合材料的結構與形態、結晶行為和磁性能以及力學性能進行的研究結果表明，復合體系中微米級的Fe3O4粒子能均勻分布于PPS基體中，這主要是由于Fe3O4粒子和PPS基體間良好的親合性所致。復合體系的磁性僅隨Fe3O4含量的增加而線性增加。雖然兩相間存在著強烈的相互作用，但Fe3O4粒子在PPS的結晶過程中并沒有起到異相成核作用，反而抑制了PPS的結晶。不過，兩相間良好的界面粘結卻使得復合體系的拉伸和彎曲強度以及沖擊強度等力學性能顯著提高。

通過改變高分子聚合物基體和磁性填充物質的種類，可獲得滿足不同應用要求的磁性塑料。目前，直接填充法是制備磁性塑料最常用的方法，操作簡單、經濟適用。但易形成較大粒徑的團聚體，這樣磁性塑料中的納米物質很難發揮其獨特作用。有研究通過磁性高分子微球的形式，將磁性納米鐵氧體引入到高分子聚合物基體中，組成新的磁性物質填充體系，賦予納米鐵氧體在聚合物基體中的更佳分散性。選用不同的表面修飾劑對納米鐵氧體粒子進行表面修飾，對其粒徑分布變化和沉降穩定性進行比較，并在此基礎上用分散聚合法制備出內部含有鐵氧體粒子的Ferrite/PS磁性微球（Ferrite/PS），與聚丙烯（PP）進行共混，制備出磁性塑料。經過研究，陰離子表面活性劑、不飽和有機酸和硅烷偶聯劑對鐵氧體的表面修飾作用顯示硅烷偶聯劑KH-570修飾后的納米鐵氧體在聚合單體苯乙烯（St）中的沉降穩定性最好，可以保持72 h以上不發生沉降，油酸次之、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）效果最差，3種表面修飾劑的最佳修飾用量分別為5 wt%、3 wt%和3 wt%；制備出的鐵氧體粒子不易團聚，粒徑分布窄，平均粒徑達到7 nm；XRD分析表明，鐵氧體晶體的特征峰明顯，晶體結構完善；鐵氧體為順磁性；通過比較3種表面修飾劑修飾前后鐵氧體的紅外光譜發現，KH—570修飾后鐵氧體的特征峰發生了明顯的移動，從584 cm-1藍移到了578 cm-1，且出現了C—O—C伸縮振動及Si—O鍵變形振動峰，偶聯劑與鐵氧體之間為化學作用；這為研究新的納米顆粒分散工藝提供了很好的參考。對磁性塑料的微觀形態研究看出，同Ferrite/PS/PP直接共混法相比，以Ferrite/PS磁性微球的形式共混，能極大地改善納米鐵氧體在高分子基體中的分散性，Ferrite/PS磁性微球的含量直接影響磁性塑料的磁性能。

在電磁波吸波復合材料的研究領域，目前主要是將納米尖晶石鐵氧體與不同的聚合物（聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺和聚苯胺）復合，其中聚丙烯酸酯—鎳鋅銅鐵氧體復合物和聚丙烯酰胺—鎳鋅銅鐵氧體復合物都是以磁損耗為主，且磁損耗能力隨著復合物中磁性物質含量的增大而明顯提高；相同條件下后者的復合物中磁性物質的含量較大，復合效果明顯優于前者；聚苯胺/聚丙烯酰胺—鎳鋅銅鐵氧體復合物既有較好的磁損耗能力，且電損耗能力也明顯提高，并且隨著聚苯胺含量的增加，電損耗能力顯著增強。磁性納米尖晶石鐵氧體具有優異的機械、物理和生物醫學性質。可以依據其用途，控制合適的制備方法來獲取相關特性。將磁性納米顆粒嵌入到聚合物網絡后所得到的磁性聚合物納米復合材料，由于結合了無機材料（機械強度、穩定的化學性質以及熱穩定性等）和有機聚合物（韌性、介電性、延展性和易加工性等）的優異特性，從而表現出一些特殊功能，還可作為有機功能材料使用。

3 結束語

在這些基礎上，目前國內國際都在發展更加先進的磁晶材料填充聚合物復合材料，選擇各種先進的工藝使納米顆粒分散更加均勻，減少團聚，在體現納米復合磁性材料的優勢同時降低成本、提高生產效率。相信隨著更進一步的研究，這種集磁性材料、納米材料、復合材料優點于一身的新型材料在未來的高科技領域必將有廣闊的應用前景。