作為電力電子功率變換設(shè)備中的關(guān)鍵性材料，軟磁材料是一類具有良好磁性能的材料，它們在外加磁場的作用下能夠達(dá)到飽和磁化狀態(tài)，并且在去除外部磁場后能夠迅速失去磁性，可用于實(shí)現(xiàn)電能的變化與傳輸。隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，新型電力電子設(shè)備及器件體積減小，對軟磁材料的主要性能指標(biāo)也提出了具體要求：

（1）高飽和磁化強(qiáng)度：以保證磁性元件具有較小的體積

（2）高的磁導(dǎo)率和較低的矯頑力：以保證磁性元件單位體積的高儲能和對外界具有靈敏的響應(yīng)。

（3）磁性能穩(wěn)定性好：包括頻率穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，確保設(shè)備的可靠性

（4）低的功率損耗 ：降低設(shè)備的功率損耗，并避免因元器件發(fā)熱引起的額外損耗和故障

軟磁材料發(fā)展歷程（來源：東方證券）及軟磁粉芯

軟磁材料的發(fā)展歷經(jīng)了硅鋼片、鐵氧體以及非晶、納米晶軟磁材料、磁粉芯4個階段，其中磁粉芯是將金屬或合金軟磁材料制成粉末顆粒，并與絕緣材料混合后壓制成型制備成的一類復(fù)合軟磁材料，相比其他軟磁材料，磁粉芯的軟磁性能可在一個很大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要通過選擇合適成分的軟磁合金粉末、無磁絕緣介質(zhì)包覆工藝以及調(diào)整軟磁顆粒的形貌粒度等來實(shí)現(xiàn)。

磁粉芯性能主要影響因素

一、成分

粉末的化學(xué)成分直接影響了其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和飽和磁化強(qiáng)度大小，根據(jù)金屬軟磁粉芯磁粉合金成分的不同，目前可以將金屬軟磁粉芯主要分為五大類：純鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、鐵硅粉芯、鐵鎳粉芯和非晶/納米晶粉芯。

1、純鐵磁粉芯——高性價比

是所有磁粉芯中制造成本最低的磁粉芯，其磁導(dǎo)率的頻率穩(wěn)定性和直流疊加性能好，但缺點(diǎn)是由于純鐵粉末電阻率比較低，在高頻下應(yīng)用時其渦流損耗較大，廣泛用于濾波電感、儲能電感和汽車點(diǎn)火線圈中。

2、鐵硅鋁磁粉芯——噪音小

相比純鐵粉芯，鐵硅鋁粉芯的價格略高，但磁損耗低 80%左右。因其磁致伸縮系數(shù)接近于 0，在工作時的噪音較小，在很多對于噪音有要求的電力電子工業(yè)的應(yīng)用場合具有不錯的前景，但其飽和磁通密度較低，在高的直流偏置場合中的應(yīng)用受到限制。

3、鐵鎳磁粉芯——高飽和磁化強(qiáng)度、直流偏置特性佳

摻雜鐵磁性元素鎳能夠制備高飽和磁化強(qiáng)度鐵鎳磁粉芯，它具有磁粉芯中最佳的直流偏置特性，但是其工藝復(fù)雜且渦流損耗很高，因此在電力電子和電機(jī)中并不常見，主要用于一些對直流偏置特性要求較高的設(shè)備中。

4、鐵鎳鉬磁粉芯——綜合性能好

往鐵鎳合金中摻雜鉬元素，可增加電阻，降低鐵鎳磁粉芯的損耗，并減小其飽和磁滯伸縮系數(shù)和磁晶各向異性常數(shù)，是綜合軟磁性能極佳的一種軟磁粉芯，但是，由于貴金屬 Ni、Mo 的含量很高以及生產(chǎn)工藝復(fù)雜，鐵鎳鉬磁粉芯的生產(chǎn)成本很高，主要應(yīng)用于一些高端設(shè)備中。

幾種常見金屬磁粉心的電磁性能

二、軟磁粉形貌粒度

磁粉顆粒的形貌對磁粉芯的性能有很大影響，一般包括球形和不規(guī)則形狀，球形粉末主要由霧化法中的氣霧化法制備，通過使用高速噴射的氣流將熔融的液態(tài)合金打散成小液滴，并凝固成粉末，由于球形粉末表面光滑，有利于后續(xù)實(shí)現(xiàn)更均勻的絕緣包覆。除了氣霧化法，霧化法還包括了以水為霧化介質(zhì)的水霧化法，一般來說水霧化合金粉末的形狀不規(guī)則、內(nèi)應(yīng)力較低，可直接壓制成型，故制備的磁粉芯磁導(dǎo)率較高，但因包覆性不好，絕緣性較差。此外，機(jī)械破碎法也是軟磁合金粉末常用的制備方法，這種方法工藝簡單，成本較低，制備出的粉末呈不規(guī)則片狀，是這幾種方法制備的粉末中壓制性最好的，制備的磁粉芯初始磁導(dǎo)率較霧化法的更高，但是其包覆性也更差，且粉末內(nèi)應(yīng)力過大，需進(jìn)行后續(xù)去應(yīng)力退火。

不同方法制備的粉末形貌：(a)水霧化法制備的類橢圓形不規(guī)則粉末，(b)氣霧化法制備的球形粉末，(c)機(jī)械破碎法制備的片狀不規(guī)則形粉末 

不同制備方式制備的粉末性能對比

除了形貌，粉末粒度也與磁粉芯的軟磁性能有密切的關(guān)系。一般粒度較大的磁粉芯粉末，在壓制過程中不容易搭橋，粉芯的生坯密度較大，制備的磁粉芯磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較高，但與此同時，磁粉芯的渦流損耗也較大。因此，可通過不同粒徑的合金粉末搭配使用，有效有效降低粉芯內(nèi)孔隙和提高粉芯性能。

三、絕緣介質(zhì)選擇

隨著高頻逆變技術(shù)的發(fā)展，電子元件逐漸向微型化和高頻化發(fā)展，因此降低高頻損耗就成了亟待解決的問題。包覆絕緣介質(zhì)的作用就是把鐵磁顆粒隔絕開來，阻止或減弱顆粒之間大渦流，從而使磁粉芯具有高頻低損的特點(diǎn)。

磁粉芯的絕緣介質(zhì)可分為有機(jī)和無機(jī)兩種，有機(jī)絕緣劑主要是指一些熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂等，由于大多數(shù)樹脂本身是一種較好的粘結(jié)劑，利用其進(jìn)行包覆后可提高壓制后樣品的強(qiáng)度，但是其耐熱性能較差，高溫下易碳化的同時，無法在壓制后進(jìn)行較高溫度的去應(yīng)力退火。無機(jī)絕緣劑主要包括云母、滑石、石英、磷酸鹽、氧化物層等，與有機(jī)絕緣劑相比，其熔點(diǎn)較高，可在后續(xù)熱處理過程中提高溫度，充分釋放內(nèi)應(yīng)力，從而降低磁損，但用無機(jī)包覆的磁粉芯壓制性能、壓制密度不如有機(jī)包覆。

純 Fe 粉末經(jīng)有機(jī)硅樹脂包覆前后的 SEM 照片：(a)包覆前，(b)包覆后

純 Fe 粉末包覆無機(jī)磷酸鹽后的 SEM 照片：(a)包覆后 (b)包覆后放大

此外，不管是有機(jī)還是無機(jī)絕緣包覆，包覆用量都對磁電性能有很大的影響。 包覆用量增多會使磁粉的絕緣層變厚，雖然會降低粉芯的渦流損耗，提高粉芯的直流偏置能力，但是會使磁粉芯的有效密度減小,進(jìn)而降低磁粉芯的有效磁導(dǎo)率，所以需要針對粉芯的具體應(yīng)用場合調(diào)整包覆用量，實(shí)現(xiàn)磁電性能與實(shí)際的應(yīng)用需求相符。

絕緣劑含量對磁粉芯有效磁導(dǎo)率μe及品質(zhì)因數(shù)Q的影響

小結(jié)

磁粉芯材料具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率和低損耗，契合了當(dāng)今的電子元器件都向著小型化、高頻化和高能量密度化的方向發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備和高性能的電子功能器件中。磁粉芯的軟磁性能通常可在一個大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在選擇應(yīng)用時，需要根據(jù)實(shí)際需求和應(yīng)用場景選擇合適成分、形貌、粒度的軟磁合金粉末以及無磁絕緣介質(zhì)制備的軟磁粉芯。

參考文章：

1、賀泓鑫,侯海彬,李奇等.磁粉芯的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].磁性材料及器件.

2、孟慶珅. 高頻功率電感用金屬軟磁粉芯的制備與磁性能研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).

3、賈許亮. 純鐵軟磁復(fù)合材料的絕緣包覆及性能研究[D].廣東工業(yè)大學(xué).

4、劉國忠,楊嘯峰,張公平等.金屬磁粉芯絕緣包覆研究進(jìn)展[J].磁性材料及器件.

5、張瑞標(biāo),朱小輝,杜成虎等.金屬磁粉心的研究與發(fā)展[J].磁性材料及器件.

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