金屬軟磁粉芯包覆工藝研究進展

＊鄒中秋 冀翼 張鑫 張華

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金屬軟磁粉芯從誕生至今，隨同電子器件經歷了一代又一代的發展。軟磁粉芯的研究離不開包覆工藝，因為大部分的軟磁粉芯的工作環境都是交變磁場，這就要求粉芯有較好的靜態磁性能，以保證粉芯的頻率穩定性和溫度穩定性[1]。絕緣包覆層對軟磁粉芯的作用可以分為兩個方面，首先，非磁性絕緣層能增大粉芯內部的有效退磁場，使粉芯的直流偏置性能增強，增加粉芯的抗飽和性能。其次，磁粉末表層的絕緣包覆層可以阻斷交變磁場下產生的渦流通路，降低粉芯在高頻下產生的渦流損耗。

1.軟磁粉芯包覆工藝的發展歷程

19世紀末，磁性材料工作者就在破碎的鐵粉上均勻地涂上蠟，制備出最早蠟包覆的鐵磁粉芯[2]。隨著科技的發展，電子器件的應用頻率不斷提高，軟磁粉芯的工作溫度也不斷升高，新的絕緣包覆工藝也不斷問世。傳統磁粉包覆方法主要有：第一種是將磁粉末用弱酸鈍化后添加水玻璃進行絕緣包覆，最后再添加高嶺土和滑石粉混合均勻。此種方法制備的粉芯的頻率穩定性和溫度穩定性較好；第二種是直接用高溫樹脂對磁粉進行包覆。這種方法的優點是工藝簡單，成本低；第三種方法是化學包覆法，將處理后的粉末加入弱酸性溶液中同時加入堿性的硅酸鹽后攪拌烘干。這種方法制備的粉芯的頻率穩定性和溫度穩定性好，工藝也較為簡單[3]。目前，軟磁粉芯的包覆工藝技術逐漸成熟，軟磁粉芯面向各種應用環境都有其特定的包覆工藝。

2.軟磁粉芯包覆工藝的分類

在科研工作者不懈努力下，軟磁粉芯包覆工藝層出不窮。目前，軟磁粉芯包覆工藝主要分為以下幾類：

（1）單層無機包覆。單層無機包覆是指利用弱酸或氧化物在金屬軟磁粉末表層均勻的包覆上一單層無機物。弱酸中比較典型的是H3PO4鈍化，氧化物中典型的是Al2O3、SiO2和MgO等。

H3PO4鈍化是目前應用研究最多、市場上最常用的包覆工藝。利用H3PO4和溶劑按照一定比例配置成鈍化液，后將磁粉倒入鈍化液中不斷的“翻炒”，使磁粉表面與鈍化液反應，生成一層均勻的磷酸鹽。常用的鈍化液溶劑有乙醇和丙酮，優點是溶解H3PO4速度快、易揮發，可縮短工藝時間[4]。H3PO4鈍化后磁粉末的掃描電子顯微鏡（SEM）圖片如圖1所示，可以觀察到不同磷酸量鈍化后粉末表面形貌不相同，H3PO4含量較低時，由于H3PO4量不足，粉末表面因鈍化不均勻顯得粗糙。H3PO4量適合時，粉末表面鈍化層均勻，且H3PO4耗盡，反應停止。H3PO4含量繼續增加，粉末表面再次變粗糙。由此可見，鈍化液用量影響粉末表面包覆層形態，進而會對粉芯的磁性能有影響。

圖1 不同磷酸量鈍化的磁粉末表面掃描子顯微鏡圖片

Al2O3包覆磁粉末制備軟磁粉芯的優點是Al2O3具有高電阻率和致密性，可以提高軟磁粉芯的電阻率，降低高頻磁損耗。包覆方法一般分為三種，第一種是軟磁粉末與納米Al2O3顆粒經球磨混合，這種方法工藝簡單，可縮短工藝時間，包覆層均勻性較差，不能完全覆蓋顆粒表面各處。第二種是采用Al3+水解法制備Al2O3包覆層，原理先是通過Al3+水解，使粉末表面均勻的包覆一層Al(OH)3，后通過熱處理粉末使表面Al(OH)3分解成Al2O3。原料一般是強酸弱堿鋁鹽，如硝酸鋁等。此種方法制備的包覆層致密且均勻性較好，缺點是工藝較為復雜，需經過高溫熱處理[5-6]。第三種方法是共沉淀法，制備原理是將磁粉末浸沒在鋁鹽溶液中，再向混合液中加入堿性物質，生成Al(OH)3附著在磁粉表面，后經熱處理使Al(OH)3分解成Al2O3[7]。此種方法制備的包覆層均勻性較溶膠凝膠法差，但工藝時間大大縮短。圖2展示了Al3+水解法制備的Al2O3包覆的磁粉末表面SEM，可以觀察到當Al2O3含量較少時，粉末表面包覆層不均勻，鱗片狀結構可見。Al2O3含量增加到1.0wt%，包覆層均勻，此時部分區域出現孔洞。Al2O3含量繼續增加到2.0wt%，磁粉末表面包覆層出現大量孔洞。

圖2 不同Al2O3量包覆的磁粉末表面掃描電子顯微鏡圖片

SiO2包覆磁粉末制備軟磁粉芯是目前比較常用的方法，原因是SiO2具有高電阻率，可以降低粉芯高頻磁損耗，且制備工藝簡單。目前，制備SiO2包覆層的方法有兩種，第一種是水解法，采用的原料通常為正硅酸乙酯（TEOS）和硅烷偶聯劑（APTES）[8]。與Al3+水解法制備Al2O3包覆層相比，這種方法制備的SiO2包覆層不需要經過高溫熱處理，大大縮短了工藝時間。但是，這種方法對粉末表面活性要求比較嚴格，通常要對粉末表面進行改性，目的是使SiO2更易在粉末表面生長。第二種方法采用納米SiO2粉末與磁粉末經球磨直接混合，這種方法與Al2O3包覆一樣，包覆工藝簡單但包覆層不均勻。圖3展示了不同TEOS量水解生成SiO2包覆磁粉表面SEM圖片，可以觀察到TEOS量合適時，包覆層非常均勻。TEOS量增加，包覆層逐漸增厚，當包覆量超過一定程度后，SiO2在磁粉末表面堆積，生成絮狀結構包覆層，惡化粉芯的磁性能。

圖3 不同TEOS量水解生成SiO2包覆的磁粉末表面掃描電子顯微鏡圖片

采用MgO作為磁粉末包覆層的優點是MgO具有耐高溫性，并且電阻率也較高，大壓力成型后退火包覆層不會發生分解，能提有效隔絕高頻下粉芯內部產生的渦流，降低高頻磁損耗。由于Mg2+水解能力微弱，因此MgO包覆層的制備方法主要有共沉淀法和納米顆粒球磨混合法。共沉淀法是先將磁粉末與鎂鹽溶液混，加入堿性物質生成Mg(OH)2沉淀于粉末表面，后通過高溫熱處理使Mg(OH)2分解生成MgO[9]。這種方法制備的MgO包覆層比納米粉末球磨混合法均勻，但需高溫處理，工藝時間較長。共沉淀法制備的MgO包覆磁粉末表面SEM如圖4所示，可以觀察到與Al2O3和SiO2包覆層不同的是，磁粉末表面MgO包覆層呈現出顆粒狀，隨著MgO含量增加，顆粒在表面堆積、團聚。

圖4 不同MgO量包覆的磁粉末表面掃描電子顯微鏡圖片

（2）單層有機包覆。單層有機包覆是指在磁粉末表層均勻的包覆一層樹脂，以達到隔絕渦流通路效果。目前，常用的樹脂有環氧樹脂[10]等，如圖5所示。這種方法制備工藝簡單，工藝時長短，并且一般采用的樹脂是液態，可以對磁粉末實現完整均勻的包覆。制備步驟是將樹脂分散在溶劑中，后將磁粉末加入樹脂混合液，攪拌至溶劑完全揮發。但是，由于包覆層是有機物，不耐高溫，在粉芯的退火過程中樹脂易分解。因此，采用樹脂包覆的軟磁粉芯退火溫度不能太高，這又會導致粉芯內部的應力不能完全釋放，增大了粉芯的矯頑力和磁損耗。

圖5 環氧樹脂包覆的磁粉末表面掃面電子顯微鏡圖片圖片

（3）無機-無機復合包覆。無機-無機復合包覆是指用雙層無機物對磁粉末進行絕緣包覆，一般內層采用弱酸鈍化或氧化物，外層選擇氧化物。選擇這種包覆方法優點是可以避免單層無機包覆缺點，能更有效的隔絕渦流通路。例如，劉東等人[11]為了解決磷酸鹽在高溫下結晶或分解，熱處理導致粉芯的電阻率降低問題，研究了磷酸和氧化鋁復合包覆Fe-Si-Al軟磁粉芯。他們首先采用磷酸和乙醇作為鈍化液制備了磷酸鹽包覆層，后通過溶膠凝膠法在磷酸鹽包覆層基礎上制備了氧化鋁包覆層。通過測試高溫熱處理包覆層的轉變和磁性能的變化，得出磷酸-氧化鋁復合包覆層具有優異的耐高溫性能，磁損耗比單層磷酸鹽包覆或氧化鋁包覆低結論。羅凡等人[12]為了降低高頻磁損耗，提高粉芯的頻率穩定性，制備出MnO/Al2O3復合包覆層，包覆后的磁粉末表面SEM如圖6所示。他們通過球磨混合法使Fe-Si-Al磁粉末表面包覆上MnO，后通過燒結使粉末表面Al元素置換出，生成MnO/Al2O3復合包覆層，實驗證明這種復合包覆層可有效地提高粉芯的頻率穩定性，提高粉芯的電阻率，降低粉芯在高頻下的渦流磁損耗。

圖6 不同MnO量包覆的磁粉末表面掃描電子顯微鏡圖片

（4）無機-有機復合包覆。無機-有機復合包覆是指利用有機樹脂的流動性和粘性，使無機物均勻的包覆在磁粉表面。這種方法的目的是為了增強磁粉表面與無機物的相容性，提高包覆層的質量。比較典型的是關婉婉等人利用環氧樹脂和SiO2絕緣包覆Fe-Si-Al磁粉末，他們首先將磁粉末用環氧樹脂包覆，后利用KH550水解特性在磁粉表面又包覆了一層SiO2，SEM圖片如圖7所示。實驗證明采用此種絕緣包覆方法能夠有效地隔絕軟磁粉芯內部的渦流，降低高頻渦流損耗，提升頻率穩定性，并增加直流偏置性能。此外，陳艷等人研制出磷酸鹽-聚酰亞胺復合絕緣包覆層，他們先將水霧化鐵粉用磷酸鈍化，制備成磷酸鹽包覆的鐵粉末，后將可溶性聚酰胺酸溶解在二甲基乙酰胺中，倒入磁粉末制備成磷酸鹽-聚酰亞胺復合絕緣包覆的鐵粉末。實驗證明，包覆0.1wt%的磷酸和1.5wt%的聚酰亞胺能夠有效地提升粉芯的磁性能，并且這種方法能夠有效提高粉芯的抗腐蝕能力，為等易腐蝕軟磁粉芯如Fe-Si粉芯的包覆提供有利參考。

圖7 （a）原Fe-Si-Al粉末；（b）單個原始Fe-Si-Al顆粒；（c）單個絕緣Fe-Si-Al顆粒的SEM圖像

3.問題與展望

隨著軟磁粉芯的應用頻率和功率不斷提高，優質絕緣包覆層成為當下研究熱點。從近幾年磁性材料工作者的研究中可以看出，高電阻率、耐高溫性好的絕緣層將成為未來應用熱門。但是，目前包覆工藝還存在以下問題：

（1）高電阻率氧化物包覆工藝不夠完善。球磨混合法制備的氧化物包覆層不能均勻覆蓋磁粉表面，渦流通路不能完全阻隔。水解法和共沉淀法制備工藝時間過長，并且需對粉末熱處理，成本較高。

（2）對于復合絕緣包覆研究相對較少。復合絕緣包覆能夠彌補不同物質之間缺點，從而達到改善絕緣層質量目的。當前對于復合絕緣包覆僅限于幾種常見的無機物或高溫樹脂，缺乏對于包覆層的開發和不同物質的搭配研究。

總的來說，軟磁粉芯的發展將沿著高飽和磁感應強度、高磁導率、高居里溫度、低損耗、低矯頑力方向發展，對軟磁粉芯的包覆工藝研究是提升軟磁粉芯性能的核心。研發新型包覆材料，完善當前包覆材料不足，是拓寬軟磁粉芯應用領域最有效途徑之一。