軟磁復合材料制備工藝的研究進展

吳 深，李杰超，管英杰，劉洪坤，劉建秀，樊江磊

(鄭州輕工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450002)

軟磁復合材料(Soft Magnetic Composites，SMCs)，又稱磁粉芯，是將絕緣包覆劑與磁性基體均勻混合，通過粉末冶金方式壓制成特定形狀后經熱處理制備而成的一種磁性功能材料[1]。軟磁復合材料具有低的渦流損耗、高的磁導率、低的矯頑力、高的電阻率[2]，同時還兼具了金屬軟磁材料與軟磁鐵氧體的優點。與金屬軟磁材料相比，經絕緣包覆后的軟磁復合材料具有較高的電阻率，可以有效降低高頻下材料的渦流損耗;與軟磁鐵氧體相比，軟磁復合材料的磁通密度相對較高，更能滿足電子元器件小型化的要求[3]。此外，軟磁復合材料還具有三維各向同性和易于機械加工的優點，可以根據應用場合的需求制成相應的形狀，如環形、E 型及U 型等。近年來，隨著國家大力發展綠色節能材料，具備上述優良特性的軟磁復合材料被廣泛應用于變壓器、互感器、電抗器等電力電子領域。第三代寬禁帶半導體的開發推動了電力電子器件的升級以及能源利用效率的提升，也對基于電磁感應效應的磁性電感元件提出了更高的要求，適用于高頻下的高飽和、低損耗軟磁復合材料成為目前研究的重點。

衡量軟磁復合材料性能的參數較多，包括力學性能、磁導率、飽和磁感應強度、高頻下的復數磁導率以及磁損耗等，在實際應用中要綜合衡量上述性能以選擇合適的材料與制備工藝。對磁性粉末進行絕緣包覆可以提高材料電阻率來降低渦流損耗，但非磁性絕緣包覆層的存在會極大地降低材料的磁導率。軟磁復合材料在制備過程中需采用較大的壓制壓力以獲得高的壓坯密度，為了釋放壓制成形后材料內部的殘余應力和改善力學性能，須進行后續的去應力熱處理，但熱處理溫度又受到絕緣包覆材料耐熱特性的限制。因此，如何平衡好磁導率、飽和磁感應強度和磁損耗等各性能就顯得尤為重要，絕緣包覆材料的選擇、包覆效果的控制和制備工藝參數的優化等方面的研究引起了國內外學者的廣泛關注。本文著重從包覆材料的開發、復合材料成形與燒結技術以及熱處理工藝三個方面進行闡述，重點分析了包覆材料、成形技術和熱處理工藝對軟磁復合材料性能的影響，以期為后續研究獲得性能優良的軟磁復合材料提供支撐。

1 絕緣包覆

軟磁復合材料在交流磁場中會產生一定的能量損失，這些能量損失統稱為磁芯損耗，磁芯損耗一般包括磁滯損耗、渦流損耗及剩余損耗。在軟磁復合材料適用范圍內，渦流損耗是其主要的損耗形式，渦流會阻止外加磁場向內磁化軟磁材料，磁體內部的磁場相當于外加磁場與渦流產生的磁場之和，從而磁體會產生趨膚效應與損耗。渦流損耗一般分為顆粒間渦流損耗(宏觀渦流)和顆粒內渦流損耗(微觀渦流)[4]，軟磁復合材料中的渦流路徑如圖1 所示[1]。

圖1 SMCs 渦流路徑示意圖[1]Fig.1 Schematic eddy currents paths in SMCs[1]

針對渦流損耗的特點，通常采用三種措施來降低磁芯損耗:(1)在磁粉顆粒表面覆蓋絕緣包覆層，來阻斷顆粒間的直接接觸，使材料的電阻率增大以降低渦流損耗;(2)適當加入磁性包覆材料以減少磁稀釋現象，提高材料的飽和磁感應強度和磁導率，改善軟磁復合材料的磁性能;(3)選擇耐高溫的絕緣包覆材料，使其在高溫熱處理下保持穩定不發生分解，從而充分釋放壓制時產生的內應力，降低磁滯損耗。目前，國內外學者對絕緣包覆的研究主要集中在兩個方向:包覆工藝和包覆材料。

1.1 包覆工藝

在對軟磁復合材料進行絕緣包覆的過程中，絕緣包覆層的均勻性和厚度與磁體磁性能息息相關。絕緣包覆不完整會導致顆粒之間直接接觸，從而無法有效地降低渦流損耗。常用的包覆工藝技術有物理包覆法、溶膠凝膠包覆法、原位生長法和表面改性處理等。

1.1.1 物理包覆法

物理包覆法是通過機械方式把絕緣材料與磁性基體混合均勻，如球磨包覆、機械攪拌等，在整個過程中沒有發生化學反應。物理包覆法操作簡單，攪拌時間可控，適用于工業生產，但是機械攪拌的過程中難以實現絕緣介質與磁性基體的均勻混合，導致絕緣層的包覆效果差，雖然可以在一定程度降低磁芯損耗，但材料的磁導率也會受到影響。Luo 等[5-6]利用機械攪拌法將Fe3O4和硅樹脂包覆在Fe 粉基體上，研究了軟磁復合材料的磁性能。結果發現，加入Fe3O4能夠在一定程度降低磁稀釋效應，但在攪拌過程中Fe3O4易出現大量團聚現象，影響絕緣材料的包覆效果。

1.1.2 溶膠凝膠包覆法

溶膠凝膠包覆法是在液相中加入軟磁基體和化學試劑制成溶膠狀態，再經干燥、燒結等制得軟磁復合材料，溶膠凝膠包覆法制備的包覆層相對較均勻。曲曉靜等[7]利用溶膠凝膠包覆法制備了Fe-6.5Si/MgO軟磁復合材料，研究發現，經溶膠凝膠包覆制備的軟磁復合材料相對于原始粉末，其電阻率提高了30 倍，這是因為經化學包覆的絕緣介質能夠更均勻地分布在基體顆粒表面，更好地隔絕顆?；w的接觸，有效地增大材料的電阻率。此外，Ren 等[8]利用溶膠凝膠包覆法制備了Fe76Si8B10P5/NiZnFe2O4非晶軟磁復合材料，在Fe76Si8B10P5顆粒間形成了均勻的厚度約400 nm 的NiZnFe2O4絕緣層，在10 kHz 條件下，有效磁導率達到370，飽和磁化強度為1.46 T。溶膠凝膠包覆雖然在一定程度上能夠有效使絕緣層均勻地包覆在基體表面，但工藝周期較長，同時在凝膠中可能會產生微孔等問題，目前不適合大規模量產。

1.1.3 原位生長法

原位生長法作為一種制備復合材料的新方法，是在磁性基體上通過電化學或化學方法接枝、聚合或沉積另一種功能體，利用原位生長可獲得均勻的包覆層，且與基體的結合效果好。鐘小溪等[9]通過表面氮化氧化技術在FeSiAl 粉末表面原位生成AlN-Al2O3復合絕緣層，絕緣層與粉末基體能夠保持良好的界面結合，有利于提高軟磁復合材料的機械性能與磁性能。浙江大學嚴密團隊[10]通過H2O 和O2高溫下對鐵粉進行表面氧化，原位生成了Fe3O4絕緣包覆層，由于Fe3O4具有鐵磁性，可以有效地減少磁稀釋現象，與傳統磷酸鹽包覆軟磁復合材料相比，磁通密度得到提高，有效磁導率達到90。任勁松等[11]以正硅酸乙酯(TEOS)為硅源，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為偶聯劑，研究了FeSiCr/SiO2軟磁復合材料的性能后發現，正硅酸乙酯添加量為12 mL時，SiO2包覆致密且均勻，此時電阻率為55.54 Ω·cm，功率損耗降低了78.4%，品質因數達到185.75，但繼續添加正硅酸乙酯會導致SiO2包覆層厚度增加，與基體結合效果變差。周幫等[12]制備了絕緣層厚度不同的FeSiBCCr@SiO2非晶態軟磁復合材料，研究了正硅酸乙酯的濃度對包覆層結構的影響，如圖2 所示。利用正硅酸乙酯在基體表面原位生長出SiO2絕緣包覆層，正硅酸乙酯濃度為0.1 mL/g 時，SiO2包覆層均勻致密，當濃度為0.5 和1 mL/g 時，基體表面開始出現聚集體。研究結果表明，0.1 mL/g 濃度時，包覆層厚度僅為225.3 nm，樣品的磁性能最佳，有效磁導率穩定在52，在200 kHz 時磁損耗僅為3.0 W/kg。

圖2 不同TEOS 濃度下磁性粉末的形貌圖[12]Fig.2 Morphology evolution of the magnetic powders with the increase of TEOS concentration[12]

1.1.4 表面改性法

在進行有機包覆或有機-無機復合包覆時，一般需要對磁粉進行表面改性處理，使磁粉和有機包覆劑之間建立連接的橋梁，以達到理想的包覆效果。常用的表面改性劑為硅烷偶聯劑，偶聯劑是具有兩性官能團的有機分子，親水的基團可以與基體(吸附水分結合形成-OH 基團)脫水固化形成牢固的共價鍵;而親油的有機長鏈能與有機高分子反應生成化學鍵，通過橋接作用，使二者之間產生良好的界面結合，從而改善基體與有機包覆材料的相容性。葉國維等[13]研究了磷酸處理和鈦酸酯偶聯劑表面處理對環氧樹脂包覆Fe-Cr-Si-B-C 非晶磁粉芯性能的影響。研究表明，相比磷酸處理，通過鈦酸酯偶聯劑改性后磁粉芯的磁導率提高了25%，磁損耗降低了33%。Guan 等[14]采用KH550 偶聯劑對Fe-Si-Al 粉末表面改性，通過觀察微觀結構和高頻下有效磁導率穩定性的分析表明，改性后的粉末基體表面均勻包覆界面結合良好的氧化硅絕緣層。Fan 等[15]研究了(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)表面改性對經磷化處理后環氧樹脂包覆的鐵基軟磁復合材料(SMCs)電磁性能的影響，結果表明，初始磁導率在APTES 濃度為質量分數0.8%時達到最大值，磁損耗也得到了明顯的降低。改性前后的軟磁材料抗拉強度如圖3 所示，相對未經APTES 改性的羰基鐵粉材料，改性后的羰基鐵粉材料抗拉強度明顯提高，且隨著環氧樹脂含量的增加，改性后材料的抗拉強度由170 N 增加到220 N，隨后保持穩定。出現這種現象是因為APTES 可以改善羰基鐵粉與環氧樹脂的相容性，提高了羰基鐵粉與環氧樹脂的混合均勻性，從而達到改善軟磁復合材料電磁性能的目的。

圖3 未經改性和經0.8%APTES 表面改性磷化磁環的抗拉強度示意圖[15]Fig.3 Tensile strength dependence on the epoxy resin content for the phosphatized iron powders without and after 0.8%APTES surface modification[15]

1.2 包覆材料

絕緣包覆的作用是通過隔絕顆粒間的直接接觸來提高材料的電阻率，從而減小材料在交流磁場中的渦流損耗，然而，由于在顆粒之間存在非磁性絕緣層，會降低復合材料的飽和磁感應強度和磁導率。因此，為了獲得較高的磁導率，在保證包覆均勻的前提下，絕緣包覆材料含量應盡可能低。目前對包覆材料的研究主要集中在有機包覆物、無機包覆物以及無機-有機復合包覆物等方面。

1.2.1 有機包覆材料

有機包覆是最早使用的一種包覆方式，其應用相對比較成熟，常見的有機包覆材料一般為熱固性樹脂，如環氧樹脂、酚醛樹脂等[16]。有機包覆工藝是將有機包覆材料溶于有機溶劑后加入磁性粉末，攪拌均勻，然后烘干。磁粉芯在壓制成型時內部會產生應力，導致矯頑力增大，材料的磁滯損耗增大，內應力采用高溫熱處理來消除，鐵粉磁粉芯內應力完全釋放需要加熱到570～775 ℃[17]。傳統的有機包覆材料如環氧樹脂[18]、酚醛樹脂[19]等在300 ℃以上會發生分解，導致內應力無法完全釋放。Streckova 等[20]通過SiO2改性酚醛樹脂來包覆鐵粉制備軟磁復合材料，研究發現，經改性后的酚醛樹脂完全分解溫度比未改性的提高70℃，但仍不足以有效地消除壓制時產生的內應力。有實驗表明，磁性粉末即使包覆聚酰亞胺和聚苯并咪唑等高溫聚合物，其熱處理溫度仍不能超過400 ℃[21]，高溫熱處理會使包覆層受熱分解，造成復合材料組織內部產生大量的空隙，破壞絕緣層的包覆效果，不能很好地起到降低渦流損耗的作用。

由于有機包覆物不耐高溫這一特性，使得該種絕緣包覆材料的應用受到一定的限制，目前針對有機包覆的研究主要集中在開發耐高溫的新型有機包覆材料。作者所在團隊研究發現，硅酮樹脂耐熱溫度可達580℃，硅酮樹脂包覆的軟磁復合材料具有高的電阻率，在寬的頻率范圍內具有良好的頻率特性[22-23]。此外，還通過化學氣相沉積方法在鐵粉表面成功包覆了parylene C 膜，其厚度約為300 nm，這種parylene C 膜具有良好的自潤滑和絕緣作用[24-25]。在800 MPa 時，相比環氧樹脂包覆的復合材料，parylene C 膜包覆的材料壓制密度提高了17.02%。

1.2.2 無機包覆材料

無機包覆物具有耐高溫的特性，可以有效地彌補有機包覆材料耐熱性能的不足，為充分降低來自壓制時產生的內應力對材料軟磁性能的影響，國內外學者們開始把研究聚焦于無機包覆物。以磷酸鹽[26]、MgO[27-28]、Al2O3[30]等為代表的無機材料用于絕緣包覆，常見無機包覆材料、工藝和性能如表1所示，這些無機材料具有良好的耐高溫性能，在高溫[29]和SiO2下保持穩定的同時，可以有效減少內應力對軟磁性能的影響，同時無機包覆能夠提高軟磁復合材料的電阻率，減小渦流損耗。

表1 無機包覆材料制備工藝及性能[31-36]Tab.1 Inorganic coating preparation process and performance[31-36]

但是無機物由于自身的脆性較大，導致材料無法通過壓制獲得致密程度高的復合材料，因此，如何獲得致密程度高的軟磁復合材料成為亟待解決的問題。Taghvaei 等[37]研究了基于 V2O5絕緣包覆的[(Fe0.7Co0.3)71.2B24Y4.8]96Nb4軟磁復合材料的制備、表征和磁性能。研究發現，V2O5玻璃狀顆粒在固結時保持了其優異的熱塑成形性能，在很大程度上可以解決無法獲得壓坯高密度的問題。燒結形成的軟磁復合材料相對密度較高(98.5%～99%)，同時可以獲得較低的矯頑力(79～100 A/m)，在1 kHz 時得到的有效磁導率(425～475)要高于其他軟磁復合材料，渦流損耗在一定程度上也得到了降低。

上述無機包覆材料大多數是非磁性的，加入無機包覆劑的同時會引入非磁性相，導致磁性相所占比例下降，降低了軟磁復合材料的磁導率與飽和磁感應強度。因此，近年來采用NiZn、MnZn 軟磁鐵氧體作為絕緣包覆材料受到研究者的關注。Streckova 等[38]研究了磁性鐵氧體Ni0.2Zn0.8Fe2O4包覆坡莫合金軟磁復合材料的磁性能，研究結果顯示，制備的軟磁材料具有相對較高的電阻率，復數磁導率實部值高達52，在1 MHz 左右的高頻下工作具有較好的穩定性。圖4 給出了P-PFRB-0.8F(坡莫合金-硼改性酚醛樹脂-0.8 鐵氧體)樣品的SEM 圖像以及AFM 圖像，坡莫合金顆粒被厚約3 μm 的鎳鋅鐵氧體包覆層隔開，AFM 圖像顯示具有鐵磁性的包覆層可以有效地疏通材料中的磁化通路，從而提升材料的磁導率。

圖4 (a) P-PFRB-0.8F 樣品經Ar 離子和FIB拋光后的SEM 圖像;(b)晶粒取向不同的P-PFRB-0.8F 樣品AFM 圖像[38]Fig.4 (a) SEM image of P-PFRB-0.8F sample after Ar ions and FIB polishing;(b) AFM image of P-PFRB-0.8F sample with misaligned orientation of grains[38]

1.2.3 無機-有機復合包覆材料

有機-無機復合包覆材料不僅能提供高的電阻率，還具有良好的粘結性和熱穩定性[39]，從而可以提供足夠的機械強度，同時還能通過高溫退火來釋放壓制時產生的內應力，以達到改善軟磁復合材料磁性能、減少損耗的目的。Zhang 等[40]通過將一種高填充度的納米氧化鋁/環氧樹脂復合材料制備成有機-無機絕緣包覆材料，用于包覆FeSiBPNbCr 非晶磁粉(AMPCs)。圖5 是絕緣包覆前后非晶磁粉的形貌對比圖，其中0%，30%，50%為復合包覆材料中氧化鋁的質量分數。該研究揭示了不同含量涂層的FeSiBPNbCr 非晶態粉末表面形貌的演變規律，氧化鋁/環氧納米復合包覆層隨氧化鋁含量增加而變得薄而均勻，以50%氧化鋁填充環氧樹脂作為包覆層，軟磁復合材料的磁損耗降低了40%，品質因數提高了13%。

圖5 (a)原始水霧化FeSiBPNbCr 非晶粉末與氧化鋁含量分別為(b) 0%，(c) 30%和(d) 50%包覆后的SEM 圖[41]Fig.5 (a) SEM micrograph taken from the water-atomized FeSiBPNbCr amorphous powders and the contents of Al2O3 are (b) 0%，(c) 30%，(d) 50%[41]

Lauda 等[41]研究發現單一鋅錳鐵氧體包覆FeSi 軟磁復合材料時，內部過大的空隙率會導致材料的有效磁導率降低，利用有機物與磁性鐵氧體結合作為包覆材料可以有效解決孔隙率大的問題。Füzer 等[42-44]利用硼改性酚醛樹脂和Ni0.3Zn0.7Fe2O4鐵氧體纖維結構復合涂層包覆FeSi 粉末來制備軟磁復合材料，圖6 給出了FeSi 磁粉和成型后塊體試樣剖面的形貌圖，從中可以看到FeSi 基體表面覆蓋有少量的鎳鋅鐵氧體纖維。研究結果發現，制備出的軟磁復合材料孔隙率低，機械硬度和彎曲強度高，與單一的有機包覆或無機包覆相比，具有較高的磁導率實部值和良好的頻率穩定性。

圖6 (a) FeSi/PFRB/0.24 鐵氧體SEM 圖;(b) FeSi/PFRB/0.24 鐵氧體截面SEM 圖[42]Fig.6 SEM images of (a) FeSi/PFRB/0.24 ferrite and(b) cross-section of FeSi/PFRB/0.24 ferrite with detail of coating[42]

有機物包覆的熱穩定性和機械強度差的特點，限制了其在軟磁復合材料絕緣包覆中的應用，開發新型耐高溫的有機材料是解決這個問題的關鍵所在;無機包覆雖然在一定程度彌補有機包覆無法進行有效熱處理的不足，但無機絕緣材料脆性相對較大，絕緣層壓制時易破裂導致包覆不完全;有機-無機復合包覆兼具兩者的優勢，將會成為未來研究的重點，但有機-無機復合包覆在使用的過程中，需要注意非磁性包覆物的添加量，過多的非磁性絕緣材料的加入會降低材料的飽和磁感應強度。隨著電子器件向高密度、高集成、高頻和小型化的方向發展，其內部積聚的熱量也隨之增加，器件的失效率隨著熱量的不斷積聚而直線上升。電子器件的發熱問題是直接影響其可靠性的關鍵所在，因此，降低高頻損耗發熱成為軟磁復合材料應用中需要關注的問題。例如，可以利用熱導率高、熱膨脹系數小、絕緣性能優異的AlN 作為絕緣包覆材料，通過對包覆工藝的優化，來滿足提高材料電阻率和傳導材料內部熱量的雙重要求。

2 復合材料成形與燒結

絕緣包覆后的粉末顆粒在高壓力下被壓制成高密度材料，成形工藝作為軟磁復合材料制備過程中的一項核心技術，對材料的性能有重要影響。近年來，新型成形技術和快速燒結技術被用來制備軟磁復合材料，其中快速燒結包括放電等離子燒結和微波燒結。

2.1 成形技術

成形技術包括冷壓、溫壓和熱壓成形，冷壓成形是在常溫下將粉末壓制成形的一種技術，冷壓成形應用比較廣泛，其中成形壓力對材料的磁性能會產生重要的影響。研究表明[45]，制備FeSiAl 磁粉芯時，隨著壓制壓力的增大，材料的磁導率會增大，但進一步增大壓力，顆粒間間隙會隨之減小，但磁導率增大趨勢會相對變緩，此外，磁損耗也會隨著壓力的增大而減小，但當壓力值超過一定值后，磁損耗反而會增加，這是由于過大的壓力導致包覆層破壞。通過冷壓成形制得的材料的密度相對較低，但生產效率較高，對模具的耐熱性不作要求，其操作簡單，適合于大規模的量產。

溫壓成形技術是一種集加熱處理與壓制一體化的技術，相比冷壓成形工藝，通過溫壓成形能夠提高材料的致密度和磁導率[46]，其致密化的機理是由于壓制前期粉末內顆粒重排和壓制后期塑性變形能力提高[47]。研究發現，采用400℃溫壓成形制備的Fe78Si9B13非晶磁粉芯有效磁導率達到最大值33.9(100 kHz)，磁損耗達到最小值82.52 W/kg(100 kHz)[48]。葉倡華等[49]通過溫壓成形制備FeSiAl 磁粉芯時發現，當添加質量分數1.3%的潤滑劑時，磁粉芯密度達到最大值5.74 g/cm3，有效磁導率達到137.9(100 kHz)。選擇溫壓成形技術時，溫度和潤滑劑含量對材料磁性能的影響較為重要，溫壓成形技術制備的材料具有高密度且密度分布均勻，制得生坯強度高，力學性能佳，但所需成本較高，同時需對粉體顆粒C、O、N 等元素含量進行嚴格控制。

熱壓成形技術相對于冷壓、溫壓成形技術，所需壓力較小，胡超等[50]通過熱壓成形技術制備了Fe-Si-B-Cu-Nb 非晶軟磁復合材料，結果發現，與冷壓、溫壓成形相比，其磁粉芯密度和飽和磁感應強度相對較高，分別為6.8 g/cm3和1.34 T。出現這種現象是因為飽和磁感應強度與磁粉芯材料、密度關聯密切[51]。熱壓成形技術能夠降低材料的成形壓力，縮短燒結時間，但是對模具要求較高，需要模具具有耐高溫性，同時，生產效率較低，成品表面粗糙，不利于規?；a。

2.2 快速燒結技術

放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，簡稱SPS)是在進行壓制的過程中進行燒結的一種全新技術，放電等離子燒結具有快速、低溫、高度致密化的優點[52]，它可以利用其局域瞬時放電特性，固結表面絕緣處理的鐵基磁性粉末，制備全致密的大尺寸微胞結構軟磁復合材料。趙占奎等[53]通過放電等離子燒結制備了Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4(MnO2)塊體樣品，并研究了氧化劑MnO2對軟磁復合材料磁性能和電阻率的影響。實驗表明，當MnO2添加量為質量分數0.5%時，制得樣品的電阻率與飽和磁化強度分別提高了33.7%和6.9%。這是因為放電等離子燒結對界面氧化還原反應有促進作用，同時MnO2的添加使得界面Fe2+濃度降低，Fe3+濃度升高，這使得軟磁復合材料的電阻率得以提升。雖然添加氧化劑(如MnO2)能在一定程度上提高材料的電阻率，但受SPS 放電條件下界面原子擴散的影響，制得復合材料的電阻率還有待進一步提高。

微波燒結[54]是利用微波加熱對材料進行致密化的一種技術，通過極性電磁場與物質內的基本單元耦合產生損耗實現微波能向內能轉化，能夠有效地改善材料微觀結構及均勻性，提高材料的性能。Bures 等[55]通過與傳統燒結方式對比，研究了微波燒結對FeSi 軟磁材料性能的影響規律。結果表明，由微波燒結得到的軟磁復合材料在較短時間內可以達到比較理想的致密度。圖7 為兩種燒結方式下材料的SEM 形貌圖，從圖中可以看出，微波燒結可以使材料的致密度更高，經微波燒結后的FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4樣品的磁導率實部數值為38，矯頑力為424 A/m，磁損耗為57 W/kg。微波燒結具有高效的節能性能，能夠提高材料的致密度，在快速升溫的條件下提高軟磁復合材料的磁性能，但是微波燒結技術所需設備復雜，成本較高，目前僅在實驗室條件下使用。

圖7 (a)傳統燒結的FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4(800 ℃，60 min);(b)微波燒結FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4(800 ℃，15 min)[55]Fig.7 (a)Conventional sintered FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4(800 ℃，60 min)，(b) Microwave sintered FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4(800 ℃，15 min)[55]

傳統的冷壓成形技術對塑性變形好的純鐵粉末較為適宜，但非晶和納米晶磁粉芯的粉末具有粒徑小、硬度高的特點，不易模壓成型，難以獲得高的壓坯密度。隨著成形技術的進步，粉末注射成形技術、放電等離子燒結技術、微波燒結技術、激光燒結技術等開始在軟磁復合材料制備中使用，但是這些制備技術成本較高限制了其大規模的應用。另外，軟磁復合材料的結構大多為核殼結構，成形時如何控制絕緣層的完整性和均勻性，如何確保材料具有最小的孔隙率和高的壓制密度且不破壞絕緣包覆層，如何調控復合材料的微觀結構(粉末基體/包覆層界面結構、孔洞間隙的分布等)以優化軟磁性能，這些方面的問題還有待進一步研究。

3 熱處理工藝

軟磁復合材料壓制成形后，由于內應力增大，會產生釘扎點，磁疇運動受阻，磁導率降低，同時矯頑力增大，導致磁滯損耗增加。而通過熱處理可以有效地消除內應力，同時還能提高材料的機械性能。一般而言，軟磁復合材料的磁性能與熱處理溫度、時間和氣氛等有關，其中熱處理溫度的作用最明顯，隨著熱處理溫度的升高，內應力釋放就會越完全，磁導率也就越大[56]，但是過高的溫度會破壞絕緣層，使得渦流損耗的程度加劇[57]，品質因數也隨之降低。常用的熱處理包括常規熱處理、磁場熱處理。

3.1 常規熱處理

熱處理可以釋放軟磁復合材料壓制產生的內應力，減少畸變和位錯密度，因此可以增大磁導率，降低磁損耗[58]。Yao 等[59]通過溶膠-凝膠方式制備了FeNiMo@Al2O3軟磁復合材料，研究了不同的熱處理溫度對材料磁性能的影響。研究表明，樣品的磁導率在10～500 kHz 的頻率范圍內非常穩定，隨熱處理溫度的增加，損耗先減小后增大，在1100 ℃時達到最小值，在該溫度下磁導率和磁損耗分別為87.61 和321.78 mW/cm3(50 kHz，100 mT)。Li 等[60]研究了熱處理時間對磷化處理的霧化鐵粉軟磁復合材料磁性能的影響。結果表明，加熱到500 ℃保溫30 min 后，有效磁導率為350，在頻率為1 kHz、磁化場強度為1 T 條件下磁損耗僅為145 W/kg，繼續增加熱處理時間，磁導率增長不顯著，說明延長熱處理時間對提高磁導率效果不明顯。作者所在團隊[61]研究了熱處理溫度對Fe-SiO2軟磁復合材料磁性能的影響，不同熱處理溫度下磁導率實部和磁損耗隨頻率變化情況如圖8 所示，從圖中可以看出，經500 ℃熱處理后，相比未處理的樣品，磁導率實部提高了37.5%，其值在測試頻率范圍內穩定在110 以上，而磁損耗在700 ℃熱處理后明顯增大。綜上分析，在進行熱處理時溫度不宜過高，對于一般包覆材料，如SiO2、磷酸鹽等，熱處理溫度最高不宜超過700 ℃，這是因為高溫下會破壞絕緣包覆層，降低軟磁復合材料的綜合性能。在進行常規去應力熱處理的過程中，針對不同的材料需要選擇合適的溫度，以優化材料的磁性能。

圖8 熱處理溫度對SMCs 樣品磁導率實部值(a)和損耗(b)的影響[61]Fig.8 The effect of heat treatment temperature on the(a) real value of permeability and (b) loss of SMCs samples[61]

3.2 磁場熱處理

磁場熱處理可以提高材料的磁有序度，從而提高材料的磁導率，降低矯頑力。磁場熱處理可以細分為縱向、橫向以及旋轉磁場處理。三種磁場熱處理方式都能有效地降低矯頑力，其中，橫向、縱向磁場熱處理能夠誘導磁性材料的磁各向異性，橫向磁場熱處理可以使某些軟磁材料(如非晶軟磁材料)的磁導率在一定磁場強度和頻率范圍內保持穩定，同時可以降低矯頑力和磁損耗，縱向磁場熱處理能夠得到高的最大磁導率和矩形比的材料;旋轉磁場熱處理則抑制感生各向異性的產生，與橫向磁場處理相比，可以獲得較高的相對磁導率[62]。Dong 等[63-64]研究了不同溫度橫向磁場熱處理、縱向磁場熱處理對Fe78Si9B13非晶粉末磁粉芯磁性能的影響。結果表明，在橫向磁場強度為0.5 T、熱處理溫度為400 ℃條件下，當頻率為100 kHz 時磁導率最高為85，與常規熱處理相比，軟磁復合材料的磁導率提高了5%左右，磁損耗降低了10%左右。這是由于材料磁疇結構的變化導致的，之后隨溫度升高磁導率會下降，出現這種現象的原因可能是溫度的升高導致材料產生新的相，從而影響到磁性能。在縱向磁場強度為2388 A/m、熱處理溫度為400 ℃時，磁粉芯的有效磁導率為66，磁損耗比常規熱處理時低，其值范圍為90～180 W/kg(50 mT，100 kHz)。周國華等[65]在進行磁場熱處理時發現磁場強度會對軟磁復合材料磁性能造成一定的影響，矯頑力以及磁滯損耗隨熱處理磁場強度先減小后增大，在磁場強度為100 mT 時均達到最小值，這是因為磁場熱處理使得疇壁方向和磁場方向一致，增大磁場強度導致磁疇結構趨于簡單化，剩余磁感應強度降低，但是進一步增大磁場強度會改變磁疇分布，造成磁致伸縮系數增大。因此在對磁性材料進行磁場熱處理時，需要選擇合適的工藝參數，這樣可以使材料獲得較低的矯頑力和較大的磁導率。與常規熱處理相比，經磁場熱處理后的材料脆性較低，對于橫向磁場熱處理與縱向磁場熱處理，可以根據對材料性能要求的不同進行合理選擇。

4 結束語

隨著信息通訊行業的飛速發展以及電子元器件趨向微型化與高頻化，對軟磁復合材料提出高頻、高磁導率和低損耗的要求。本文分別從絕緣包覆、成形技術與燒結和熱處理三個方面介紹了軟磁材料發展情況以及改善性能的方法，絕緣包覆將重點圍繞降低材料的磁損耗方面展開，側重于開發耐高溫、高電阻率的包覆材料，新型成形技術的引入，能夠有效提高材料的致密性，提升材料的磁感應強度，而選取合適的熱處理方式不僅能夠消除內應力帶來的影響，還能改善材料的磁導率與絕緣性能?；诖耍瑢洿艔秃喜牧辖窈蟮难芯繜狳c作了以下幾個方面的預測:(1)開發新型耐高溫的絕緣包覆材料及包覆技術，盡量降低顆粒團聚現象的出現，選擇合適的包覆劑含量，以有效地提高材料的電阻率，降低渦流損耗;(2)開發成形和燒結新工藝，提升軟磁復合材料致密化程度，平衡好電阻率、機械強度和磁性能之間的關系;(3)鑒于軟磁復合材料的結構復雜，微觀結構對軟磁性能影響具有多樣性和復雜性，對微觀結構、磁性能和制備工藝參數之間相互關系的研究還需進一步深入，通過建立和不斷完善理論模型，指導新型復合材料及工藝的開發，縮短研發周期。