金属软磁粉芯的研究进展

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金属软磁粉芯是通过将金属或合金软磁材料制成的粉末与绝缘添加物混合压制而成的一种复合软磁材料。由于铁磁性颗粒小，又被非磁性绝缘介质隔开，因此，金属软磁粉芯电阻率比金属及其合金要大的多，涡流损耗小，适用于较高频率。同时，由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率变化的稳定性好。金属软磁粉芯具有损耗低、磁导率高、饱和磁感强度高、电阻率高、优良的磁和热各向同性、工作频率范围较宽等特点，克服了铁氧体饱和磁感强度较低以及金属软磁合金高频下涡流损耗大的缺点，同时最大限度结合了两者的优点，可应用于传统软磁材料难以满足要求的领域。此外，金属软磁粉芯可以制备成各种形状的异形件，最大限度的满足各种特殊使用场合。金属软磁粉芯由于具有上述优良特性，被广泛用于电讯、雷达、电视、电源等技术中作为电感滤波器、调频扼流圈及开关电源主振铁芯[1]。随着现代通讯技术和计算机工业的迅猛发展，对金属软磁粉芯的性能提出了更高的要求，其需求量也在不断增长。

1 磁粉芯的发展历程

金属软磁粉芯的历史悠久，早在19世纪末，科研工作者将蜡均匀包覆在磨碎的铁粉外，制备了最早的纯铁磁粉芯。1921年，美国西方电气公司利用电解纯铁粉制备出用作电话传输线路中的负载电感磁粉芯。铁粉芯的电阻率较小，因而在高频下涡流损耗大，为了降低磁粉芯的高频损耗，科研工作者对其他材料组分的磁粉芯进行了研究。1923年英国专家Amold和Elmen[2]开始对Fe含量为35%～80%的Fe-Ni坡莫合金磁粉芯进行了研究并发表了相关论文，此后人们采用铁镍合金粉末经压制成型制成铁镍磁粉芯，提高了磁粉芯的磁导率和降低了高频损耗。由于铁镍磁粉芯含有贵金属镍，成本较高。20世纪40年代，日本东北大学开发了铁硅铝合金，到20世纪80年代初期，铁硅铝磁粉芯被开发出来并商业化，该类磁粉芯损耗介于铁粉芯和铁镍磁粉芯之间，价格适中，性价比较高。1940年美国贝尔实验室成功开发了钼坡莫合金磁粉芯，在铁镍磁粉芯的基础上添加了2%的Mo，从而增大电阻率，进一步降低涡流损耗。1984年美国联合公司用FeSiB非晶带制作成粉末，然后压制成非晶磁粉芯。1988年，Yoshizawa等人报导了纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金[3]，它具有高饱和磁感应强度、高磁导率、较好的稳定性，热处理后带材变脆而容易加工成合金粉等特点，利用它可以制成一种新型的超微晶磁粉芯[4]。非晶和纳米晶磁粉芯的开发为金属软磁粉芯的发展开启了新的篇章。

2 磁粉芯的分类

铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。金属软磁材料就是以这三种元素为主要部分，或是它们中的单一金属，或是它们中的两种乃至三种的适当组分配合，或是在此基础上再添加一种或多种别的元素组合而成的[5]。按照金属软磁粉芯的组成和性能特点主要分为铁粉芯(Iron)、铁硅铝磁粉芯(Sendust )、高通量磁粉芯（High Flux）、钼坡莫磁粉芯(MPP)、非晶及纳米晶磁粉芯(APH&APM)。表1为金属软磁粉芯与铁氧体的性能比较。

表1 材料性能比较[6]Table 1 Material property comparison

2.1 铁粉芯

铁粉芯是以铁粉和绝缘介质混合压制而成，其生产工艺简单，在金属软磁粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.0～1.2T左右，初始磁导率随频率变化稳定性好，直流叠加性能好，广泛应用于高频整流器件和电动汽车领域。虽然铁粉芯具有明显的价格优势，但由于其电阻率低，在高频下涡流损耗高，因此难以应用于高频率范围。

2.2 铁硅铝磁粉芯

铁硅铝磁粉芯是由铁硅铝合金粉末和绝缘介质混合压制而成，该磁粉芯的损耗比铁粉芯低，饱和磁感强度在1.0T左右，磁致伸缩系数接近零。铁硅铝合金磁粉芯原材料中不含Ni、Mo等贵金属，成本低于高磁通粉芯和铁镍钼磁粉芯，高于铁粉芯，具有较高的性价比。铁硅铝磁粉芯是一种低损耗和相对高饱和度的材料，所以非常适用于功率因数校正电路[7]，以及单向驱动器应用，例如脉冲变压器和回扫变压器。由于接近零磁致伸缩，铁硅铝磁粉芯是消除在线噪音滤波器和电感器中的可听频率噪声的最佳选择[8]。

2.3 高磁通磁粉芯

高磁通磁粉芯是由铁镍合金粉和绝缘介质混合压制而成，其最大的特点是饱和磁感强度非常高，约1.5T，在较大的磁化场下难以饱和，可应用于较大的功率器件。高通量磁粉芯不但饱和磁感强度高，而且直流偏磁特性好，在较大的直流偏场下可保证电感值的最小直流漂移。在所有粉末磁芯材料中，高磁通具有最佳的偏置能力。高饱和磁通密度和低磁芯损耗的特性，使高磁通非常适用于高频率下高功率，高直流或交流偏置的应用。如开关调节电感器、在线噪音滤波器、回扫变压器、功率因数校正和脉冲变压器等。

2.4 钼坡莫磁粉芯

钼坡莫磁粉芯由镍铁钼合金粉和绝缘介质混合压制而成，其磁芯损耗低于铁硅铝磁粉芯和高磁通磁粉芯，但由于镍含量高，价格昂贵。该磁粉芯的饱和磁感强度约0.75T左右，具有电阻率高、温度稳定性好、高直流偏场下电感的稳定性好等优点。其优良的磁电性能和高的稳定性、可靠性和昂贵的价格，决定了钼坡莫磁粉芯一般应用于军工和重要的储能元件[9]，如高品质因数电感器、低损耗滤波器、无载线圈、变压器等。

2.5 非晶及纳米晶磁粉芯

在20世纪80年代中期D．Raybould等用Metglass (FeSiB) 非晶以简单的压制方法制成了非晶磁粉芯[10]。非晶磁粉芯及纳米晶磁粉制备的原料主要有非晶FeSiB和纳米晶FeCuNbSiB粉末，该类粉末可采用机械破碎法或雾化法等工艺制得。机械破碎法是通过将非晶或纳米晶带材的带头、带尾等废料破碎制成非晶或纳米晶粉末，该方法将不合格的带材变废为新，工艺相对简单，制备成本低。雾化法是将母合金熔融，与高速气流或水流相遇被雾化为细小液滴，快速冷凝成合金粉末，该制粉设备较昂贵，成本较高。

非晶及纳米晶磁粉芯作为近年来开发出来的新型磁粉芯材料，具有高饱和磁感强度(约1.5T)、高频损耗低和良好的偏磁性能，特别适用于电子产品的小型化、高频化和高效化设计，可用于替代H-Flux(Fe-Ni)及MPP(Fe-Ni-Mo)相同磁导率磁芯使用，用于替代Sendust（Fe-Si-Al）粉芯时可减小体积，因此被广泛用于现代通讯、电力电子、电磁兼容和传感器等高新产业以及各种工业磁性元器件的更新换代，具有非常良好的发展前景。韩国Amogreentech公司的APH非晶磁粉芯以其优异的抗直流偏置性能及良好的经济效益基本实现了对市场现有High-Flux系列磁粉芯的替代，已被广泛应用，而且最近新推出的APM系列的纳米晶磁粉芯，克服了原来非晶粉末磁芯强度差和有噪音的问题，且损耗进一步降低，达到了MPP的标准[11]。

3 磁粉芯的主要特性及其影响因素

磁导率和损耗是金属软磁粉芯关键的性能参数，磁粉芯的磁性能取决于磁粉末的纯度、尺寸、形状、含量以及的磁粉芯绝缘包覆、压制和热处理等制备工艺。

3.1 磁导率及其影响因素

磁导率是表示物质的磁性和导磁性强弱及磁化难易程度的一种磁学量。磁粉芯的磁导率与磁粉末含量（绝缘剂含量）、磁粉粒度、压制成型、热处理工艺有关。

（1）磁粉末含量增大（绝缘剂含量减少）可提高磁粉芯磁导率。R.Nowosielski[12]研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶磁粉芯性能，随着磁粉末含量的增大，磁导率逐渐提高，具体可见图1。王红忠等研究了绝缘剂含量对2Mo81Ni17Fe磁粉芯磁导率的影响，由于磁粉芯的包覆工艺中添加的绝缘剂是非磁性物质，绝缘剂的增加将导致磁导率的降低[13]。

（2）减小粉末粒度，会降低磁粉芯磁导率，但同时也提高了磁导率的频率稳定性。R.Nowosielski等[12]发现Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶磁粉末颗粒越小，该磁粉芯磁导率越低，主要是由于粒径细小的粉末具有较高的退磁因子。H.Shokrollahi等[14]研究发现铁粉芯中铁粉尺寸越小，磁粉芯的初始磁导率对频率的稳定性越好，如图2所示。可见选取合适的粉末粒度非常重要。

图1 粉末的含量对磁粉芯磁导率的影响[12](测试条件：H=3kA，f=50Hz)Fig.1 Inf l uence of the content of powder particles on the magnetic permeability of composite cores

图2 粉末尺寸对初始磁导率的影响[14]Fig.2 The effect of powder size on the initial permeability

（3）压制成形是获得高密度磁粉芯的关键步骤，成型压力与磁导率有着密切关系。一般而言，压力增大，磁芯越密实，磁导率增大。文献[15]中对纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9磁粉芯的磁导率与成型压力的关系进行了研究，随着成型压力的增大，有利于磁粉芯致密度的提高，从而提高了磁导率。但当压力达到某一数值会，磁导率达到极限值后就不再增加。

（4）热处理工艺对磁粉芯磁导率的影响较为复杂，选择合适的热处理温度非常重要。Maryam Yaghtin等[16]研究了热处理对包覆有氧化铝绝缘层的铁粉芯磁导率的影响。在较低频率范围内，磁导率随着退火温度的升高而增大，其原因是热处理可以减小磁粉芯在压制过程中磁粉末颗粒内部的缺陷，从而提高了磁导率；而在较高频率范围内，磁导率随着热处理温度的升高而减小，这是因为热处理减小了磁粉末的畸变、位错密度和残余应力而使电阻率降低，导致涡流增大和磁导率减小。因此，热处理对磁导率的影响与磁粉芯应用的频率范围有关。另外，热处理温度不能过高，否则会导致绝缘层的分解及破坏，降低磁粉芯性能。

3.2 磁芯损耗及其影响因素

磁芯损耗是指用作磁芯（或铁芯）的磁性材料将从交变电磁场中吸收能量中以热的形式耗散掉的那部分能量，它由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成[17]。其中，剩余损耗是磁损耗中除了磁滞和涡流损耗之外的所有其它损耗的总称，它包括各种磁化弛豫过程所引起的损耗。由于剩余损耗在金属软磁粉芯损耗中所占比重较小，下面对磁粉芯磁滞损耗和涡流损耗进行重点分析讨论。

磁滞损耗是由磁畴壁的不可逆位移和磁矩的不可逆转动而引起的能量损耗，它等于静态磁滞回线包围的面积。低频时，磁滞损耗是磁芯损耗的主要部分。磁滞损耗主要取决于磁粉芯中金属材料的成分和内部结构。可通过材料的新成分设计、提高磁粉芯压实密度、减小残余应力等方法获得低矫顽力的磁粉芯，减小其磁滞损耗。Maryam Yaghtin等[16]对添加了氧化铝绝缘剂的铁粉芯的性能进行了研究，退火热处理有助于消除压制过程中的产生的应力，从而降低了磁滞损耗。

涡流损耗是作用于铁磁体的外加磁场发生变化时在材料内部引起涡流而造成的能量损耗。磁粉芯的涡流损耗包含磁粉颗粒内部和磁粉颗粒间的涡流损耗，如图3所示[18]。一般认为高频条下涡流损耗在总损耗中占主导地位。磁粉颗粒内部的涡流损耗主要取决于磁粉末粒度和电阻率。涡流损耗与粉粒直径的平方成正比，因此降低涡流损耗首先可考虑细化粉末颗粒。热处理对磁粉芯的电阻率有一定影响，从而影响了涡流损耗。Maryam Yaghtin等[16]对铁粉芯退火热处理进行研究，发现热处理过程中减少了磁粉末内部的畸变、位错密度和残余应力而使电阻率下降，从而增大涡流损耗。可见，热处理可以减少磁滞损耗的同时，增大了涡流损耗，因此需根据实际使用需要合理选择退火热处理工艺。此外，热处理温度不宜过高，否则会导致绝缘层破坏，增加涡流损耗。磁粉颗粒间的涡流损耗主要取决于颗粒之间绝缘性。采用电阻率高的绝缘层可以减小磁粉颗粒间的涡流损耗。文献[19]分别采用磷酸丙酮溶液、纳米SiO2、高岭土和 Na2SiO3四种包覆剂对Fe-Si-B非晶粉末进行绝缘处理，经由磷酸丙酮溶液处理后的非晶磁粉芯电阻率最大，因而损耗最低。绝缘层的厚度越大，涡流损耗也越小，但非磁性成分的增加会导致磁导率的减小，因此要控制合适的绝缘层厚度来获得最佳的性能。

图3 磁粉芯中颗粒内部和颗粒之间的涡流[18]Fig.3 Inter-particle and intra-particle eddy currents in SMC

唐坚等研究了成型压力对非晶Fe78Si9B13磁粉芯损耗的影响[20]，随着压力的增加磁粉芯损耗有所降低，一方面随着压力的增加磁粉之间的间隙减小，磁粉的体积分数逐渐增大，由Hc（x）=Hc（0）[1-x](x为磁粉体积分数)可知磁粉芯的矫顽力降低，矫顽力与磁粉芯的磁滞损耗成正比[21]，所以损耗也呈逐渐减小的趋势；另一方面，随着压力的增加，磁粉芯密度不断增大，绝缘材料被紧密包覆于粉末表面，达到最佳绝缘效果，因此涡流损耗降低。当压力达到一定值以后损耗变化不那么明显，而过高压力会破坏绝缘层及损伤磨具，因此需选择适当的压力大小。

4 结束语

随着磁性元器件小型化、高频化和高效化的不断发展，对金属软磁粉芯的性能要求也越来越高。非晶及纳米晶磁粉芯作为新型金属软磁粉芯材料，具有饱和磁通密度高、高频损耗低和偏磁性能优异等特性，同时由于不含镍等贵金属且可采用非晶及纳米晶废带材为原料，成本较低，特别适用于磁性器件的小型化、高频化和高效化要求。因此，非晶及纳米晶磁粉芯将成为未来金属软磁粉芯研究的热点。目前我国的金属软磁粉芯的开发已取得了较大进展，但与国外还有一定的差距，我国科研技术人员需进一步深入研究，以满足磁性元器件的更高的性能和降低成本。