吳 深，李杰超，管英杰，劉洪坤，劉建秀，樊江磊

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

軟磁復(fù)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(jīng)熱處理制備而成的一種磁性功能材料[1]。軟磁復(fù)合材料具有低的渦流損耗、高的磁導(dǎo)率、低的矯頑力、高的電阻率[2]，同時(shí)還兼具了金屬軟磁材料與軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)。與金屬軟磁材料相比，經(jīng)絕緣包覆后的軟磁復(fù)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(fù)合材料的磁通密度相對(duì)較高，更能滿足電子元器件小型化的要求[3]。此外，軟磁復(fù)合材料還具有三維各向同性和易于機(jī)械加工的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求制成相應(yīng)的形狀，如環(huán)形、E 型及U 型等。近年來，隨著國(guó)家大力發(fā)展綠色節(jié)能材料，具備上述優(yōu)良特性的軟磁復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于變壓器、互感器、電抗器等電力電子領(lǐng)域。第三代寬禁帶半導(dǎo)體的開發(fā)推動(dòng)了電力電子器件的升級(jí)以及能源利用效率的提升，也對(duì)基于電磁感應(yīng)效應(yīng)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(fù)合材料成為目前研究的重點(diǎn)。

衡量軟磁復(fù)合材料性能的參數(shù)較多，包括力學(xué)性能、磁導(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高頻下的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率以及磁損耗等，在實(shí)際應(yīng)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(duì)磁性粉末進(jìn)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(huì)極大地降低材料的磁導(dǎo)率。軟磁復(fù)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(nèi)部的殘余應(yīng)力和改善力學(xué)性能，須進(jìn)行后續(xù)的去應(yīng)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(dǎo)率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(shù)的優(yōu)化等方面的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文著重從包覆材料的開發(fā)、復(fù)合材料成形與燒結(jié)技術(shù)以及熱處理工藝三個(gè)方面進(jìn)行闡述，重點(diǎn)分析了包覆材料、成形技術(shù)和熱處理工藝對(duì)軟磁復(fù)合材料性能的影響，以期為后續(xù)研究獲得性能優(yōu)良的軟磁復(fù)合材料提供支撐。

1 絕緣包覆

軟磁復(fù)合材料在交流磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生一定的能量損失，這些能量損失統(tǒng)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(fù)合材料適用范圍內(nèi)，渦流損耗是其主要的損耗形式，渦流會(huì)阻止外加磁場(chǎng)向內(nèi)磁化軟磁材料，磁體內(nèi)部的磁場(chǎng)相當(dāng)于外加磁場(chǎng)與渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)之和，從而磁體會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)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(nèi)渦流損耗(微觀渦流)[4]，軟磁復(fù)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(duì)渦流損耗的特點(diǎn)，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(dāng)加入磁性包覆材料以減少磁稀釋現(xiàn)象，提高材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率，改善軟磁復(fù)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?zé)崽幚硐卤３址€(wěn)定不發(fā)生分解，從而充分釋放壓制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低磁滯損耗。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣包覆的研究主要集中在兩個(gè)方向:包覆工藝和包覆材料。

1.1 包覆工藝

在對(duì)軟磁復(fù)合材料進(jìn)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(guān)。絕緣包覆不完整會(huì)導(dǎo)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(shù)有物理包覆法、溶膠凝膠包覆法、原位生長(zhǎng)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(jī)械方式把絕緣材料與磁性基體混合均勻，如球磨包覆、機(jī)械攪拌等，在整個(gè)過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。物理包覆法操作簡(jiǎn)單，攪拌時(shí)間可控，適用于工業(yè)生產(chǎn)，但是機(jī)械攪拌的過程中難以實(shí)現(xiàn)絕緣介質(zhì)與磁性基體的均勻混合，導(dǎo)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(dǎo)率也會(huì)受到影響。Luo 等[5-6]利用機(jī)械攪拌法將Fe3O4和硅樹脂包覆在Fe 粉基體上，研究了軟磁復(fù)合材料的磁性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入Fe3O4能夠在一定程度降低磁稀釋效應(yīng)，但在攪拌過程中Fe3O4易出現(xiàn)大量團(tuán)聚現(xiàn)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(xué)試劑制成溶膠狀態(tài)，再經(jīng)干燥、燒結(jié)等制得軟磁復(fù)合材料，溶膠凝膠包覆法制備的包覆層相對(duì)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(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)溶膠凝膠包覆制備的軟磁復(fù)合材料相對(duì)于原始粉末，其電阻率提高了30 倍，這是因?yàn)榻?jīng)化學(xué)包覆的絕緣介質(zhì)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(fù)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(dǎo)率達(dá)到370，飽和磁化強(qiáng)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(zhǎng)，同時(shí)在凝膠中可能會(huì)產(chǎn)生微孔等問題，目前不適合大規(guī)模量產(chǎn)。

1.1.3 原位生長(zhǎng)法

原位生長(zhǎng)法作為一種制備復(fù)合材料的新方法，是在磁性基體上通過電化學(xué)或化學(xué)方法接枝、聚合或沉積另一種功能體，利用原位生長(zhǎng)可獲得均勻的包覆層，且與基體的結(jié)合效果好。鐘小溪等[9]通過表面氮化氧化技術(shù)在FeSiAl 粉末表面原位生成AlN-Al2O3復(fù)合絕緣層，絕緣層與粉末基體能夠保持良好的界面結(jié)合，有利于提高軟磁復(fù)合材料的機(jī)械性能與磁性能。浙江大學(xué)嚴(yán)密團(tuán)隊(duì)[10]通過H2O 和O2高溫下對(duì)鐵粉進(jìn)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(xiàn)象，與傳統(tǒng)磷酸鹽包覆軟磁復(fù)合材料相比，磁通密度得到提高，有效磁導(dǎo)率達(dá)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(lián)劑，研究了FeSiCr/SiO2軟磁復(fù)合材料的性能后發(fā)現(xiàn)，正硅酸乙酯添加量為12 mL時(shí)，SiO2包覆致密且均勻，此時(shí)電阻率為55.54 Ω·cm，功率損耗降低了78.4%，品質(zhì)因數(shù)達(dá)到185.75，但繼續(xù)添加正硅酸乙酯會(huì)導(dǎo)致SiO2包覆層厚度增加，與基體結(jié)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(tài)軟磁復(fù)合材料，研究了正硅酸乙酯的濃度對(duì)包覆層結(jié)構(gòu)的影響，如圖2 所示。利用正硅酸乙酯在基體表面原位生長(zhǎng)出SiO2絕緣包覆層，正硅酸乙酯濃度為0.1 mL/g 時(shí)，SiO2包覆層均勻致密，當(dāng)濃度為0.5 和1 mL/g 時(shí)，基體表面開始出現(xiàn)聚集體。研究結(jié)果表明，0.1 mL/g 濃度時(shí)，包覆層厚度僅為225.3 nm，樣品的磁性能最佳，有效磁導(dǎo)率穩(wěn)定在52，在200 kHz 時(shí)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(jìn)行有機(jī)包覆或有機(jī)-無機(jī)復(fù)合包覆時(shí)，一般需要對(duì)磁粉進(jìn)行表面改性處理，使磁粉和有機(jī)包覆劑之間建立連接的橋梁，以達(dá)到理想的包覆效果。常用的表面改性劑為硅烷偶聯(lián)劑，偶聯(lián)劑是具有兩性官能團(tuán)的有機(jī)分子，親水的基團(tuán)可以與基體(吸附水分結(jié)合形成-OH 基團(tuán))脫水固化形成牢固的共價(jià)鍵;而親油的有機(jī)長(zhǎng)鏈能與有機(jī)高分子反應(yīng)生成化學(xué)鍵，通過橋接作用，使二者之間產(chǎn)生良好的界面結(jié)合，從而改善基體與有機(jī)包覆材料的相容性。葉國(guó)維等[13]研究了磷酸處理和鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理對(duì)環(huán)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(lián)劑改性后磁粉芯的磁導(dǎo)率提高了25%，磁損耗降低了33%。Guan 等[14]采用KH550 偶聯(lián)劑對(duì)Fe-Si-Al 粉末表面改性，通過觀察微觀結(jié)構(gòu)和高頻下有效磁導(dǎo)率穩(wěn)定性的分析表明，改性后的粉末基體表面均勻包覆界面結(jié)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(duì)經(jīng)磷化處理后環(huán)氧樹脂包覆的鐵基軟磁復(fù)合材料(SMCs)電磁性能的影響，結(jié)果表明，初始磁導(dǎo)率在APTES 濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%時(shí)達(dá)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(qiáng)度如圖3 所示，相對(duì)未經(jīng)APTES 改性的羰基鐵粉材料，改性后的羰基鐵粉材料抗拉強(qiáng)度明顯提高，且隨著環(huán)氧樹脂含量的增加，改性后材料的抗拉強(qiáng)度由170 N 增加到220 N，隨后保持穩(wěn)定。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)锳PTES 可以改善羰基鐵粉與環(huán)氧樹脂的相容性，提高了羰基鐵粉與環(huán)氧樹脂的混合均勻性，從而達(dá)到改善軟磁復(fù)合材料電磁性能的目的。

圖3 未經(jīng)改性和經(jīng)0.8%APTES 表面改性磷化磁環(huán)的抗拉強(qiáng)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(chǎng)中的渦流損耗，然而，由于在顆粒之間存在非磁性絕緣層，會(huì)降低復(fù)合材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率。因此，為了獲得較高的磁導(dǎo)率，在保證包覆均勻的前提下，絕緣包覆材料含量應(yīng)盡可能低。目前對(duì)包覆材料的研究主要集中在有機(jī)包覆物、無機(jī)包覆物以及無機(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆物等方面。

1.2.1 有機(jī)包覆材料

有機(jī)包覆是最早使用的一種包覆方式，其應(yīng)用相對(duì)比較成熟，常見的有機(jī)包覆材料一般為熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等[16]。有機(jī)包覆工藝是將有機(jī)包覆材料溶于有機(jī)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(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致矯頑力增大，材料的磁滯損耗增大，內(nèi)應(yīng)力采用高溫?zé)崽幚韥硐F粉磁粉芯內(nèi)應(yīng)力完全釋放需要加熱到570～775 ℃[17]。傳統(tǒng)的有機(jī)包覆材料如環(huán)氧樹脂[18]、酚醛樹脂[19]等在300 ℃以上會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)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(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)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(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。有實(shí)驗(yàn)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?zé)崽幚頃?huì)使包覆層受熱分解，造成復(fù)合材料組織內(nèi)部產(chǎn)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(jī)包覆物不耐高溫這一特性，使得該種絕緣包覆材料的應(yīng)用受到一定的限制，目前針對(duì)有機(jī)包覆的研究主要集中在開發(fā)耐高溫的新型有機(jī)包覆材料。作者所在團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，硅酮樹脂耐熱溫度可達(dá)580℃，硅酮樹脂包覆的軟磁復(fù)合材料具有高的電阻率，在寬的頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率特性[22-23]。此外，還通過化學(xué)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(rùn)滑和絕緣作用[24-25]。在800 MPa 時(shí)，相比環(huán)氧樹脂包覆的復(fù)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(jī)包覆材料

無機(jī)包覆物具有耐高溫的特性，可以有效地彌補(bǔ)有機(jī)包覆材料耐熱性能的不足，為充分降低來自壓制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力對(duì)材料軟磁性能的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們開始把研究聚焦于無機(jī)包覆物。以磷酸鹽[26]、MgO[27-28]、Al2O3[30]等為代表的無機(jī)材料用于絕緣包覆，常見無機(jī)包覆材料、工藝和性能如表1所示，這些無機(jī)材料具有良好的耐高溫性能，在高溫[29]和SiO2下保持穩(wěn)定的同時(shí)，可以有效減少內(nèi)應(yīng)力對(duì)軟磁性能的影響，同時(shí)無機(jī)包覆能夠提高軟磁復(fù)合材料的電阻率，減小渦流損耗。

表1 無機(jī)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(jī)物由于自身的脆性較大，導(dǎo)致材料無法通過壓制獲得致密程度高的復(fù)合材料，因此，如何獲得致密程度高的軟磁復(fù)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(fù)合材料的制備、表征和磁性能。研究發(fā)現(xiàn)，V2O5玻璃狀顆粒在固結(jié)時(shí)保持了其優(yōu)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(jié)形成的軟磁復(fù)合材料相對(duì)密度較高(98.5%～99%)，同時(shí)可以獲得較低的矯頑力(79～100 A/m)，在1 kHz 時(shí)得到的有效磁導(dǎo)率(425～475)要高于其他軟磁復(fù)合材料，渦流損耗在一定程度上也得到了降低。

上述無機(jī)包覆材料大多數(shù)是非磁性的，加入無機(jī)包覆劑的同時(shí)會(huì)引入非磁性相，導(dǎo)致磁性相所占比例下降，降低了軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)率與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)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(guān)注。Streckova 等[38]研究了磁性鐵氧體Ni0.2Zn0.8Fe2O4包覆坡莫合金軟磁復(fù)合材料的磁性能，研究結(jié)果顯示，制備的軟磁材料具有相對(duì)較高的電阻率，復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率實(shí)部值高達(dá)52，在1 MHz 左右的高頻下工作具有較好的穩(wěn)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(dǎo)率。

圖4 (a) P-PFRB-0.8F 樣品經(jīng)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(jī)-有機(jī)復(fù)合包覆材料

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合包覆材料不僅能提供高的電阻率，還具有良好的粘結(jié)性和熱穩(wěn)定性[39]，從而可以提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還能通過高溫退火來釋放壓制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到改善軟磁復(fù)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(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備成有機(jī)-無機(jī)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(duì)比圖，其中0%，30%，50%為復(fù)合包覆材料中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該研究揭示了不同含量涂層的FeSiBPNbCr 非晶態(tài)粉末表面形貌的演變規(guī)律，氧化鋁/環(huán)氧納米復(fù)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(huán)氧樹脂作為包覆層，軟磁復(fù)合材料的磁損耗降低了40%，品質(zhì)因數(shù)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(fā)現(xiàn)單一鋅錳鐵氧體包覆FeSi 軟磁復(fù)合材料時(shí)，內(nèi)部過大的空隙率會(huì)導(dǎo)致材料的有效磁導(dǎo)率降低，利用有機(jī)物與磁性鐵氧體結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)合涂層包覆FeSi 粉末來制備軟磁復(fù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，制備出的軟磁復(fù)合材料孔隙率低，機(jī)械硬度和彎曲強(qiáng)度高，與單一的有機(jī)包覆或無機(jī)包覆相比，具有較高的磁導(dǎo)率實(shí)部值和良好的頻率穩(wěn)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(jī)物包覆的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度差的特點(diǎn)，限制了其在軟磁復(fù)合材料絕緣包覆中的應(yīng)用，開發(fā)新型耐高溫的有機(jī)材料是解決這個(gè)問題的關(guān)鍵所在;無機(jī)包覆雖然在一定程度彌補(bǔ)有機(jī)包覆無法進(jìn)行有效熱處理的不足，但無機(jī)絕緣材料脆性相對(duì)較大，絕緣層壓制時(shí)易破裂導(dǎo)致包覆不完全;有機(jī)-無機(jī)復(fù)合包覆兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為未來研究的重點(diǎn)，但有機(jī)-無機(jī)復(fù)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(huì)降低材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。隨著電子器件向高密度、高集成、高頻和小型化的方向發(fā)展，其內(nèi)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(fā)熱問題是直接影響其可靠性的關(guān)鍵所在，因此，降低高頻損耗發(fā)熱成為軟磁復(fù)合材料應(yīng)用中需要關(guān)注的問題。例如，可以利用熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、絕緣性能優(yōu)異的AlN 作為絕緣包覆材料，通過對(duì)包覆工藝的優(yōu)化，來滿足提高材料電阻率和傳導(dǎo)材料內(nèi)部熱量的雙重要求。

2 復(fù)合材料成形與燒結(jié)

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(fù)合材料制備過程中的一項(xiàng)核心技術(shù)，對(duì)材料的性能有重要影響。近年來，新型成形技術(shù)和快速燒結(jié)技術(shù)被用來制備軟磁復(fù)合材料，其中快速燒結(jié)包括放電等離子燒結(jié)和微波燒結(jié)。

2.1 成形技術(shù)

成形技術(shù)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(shù)，冷壓成形應(yīng)用比較廣泛，其中成形壓力對(duì)材料的磁性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。研究表明[45]，制備FeSiAl 磁粉芯時(shí)，隨著壓制壓力的增大，材料的磁導(dǎo)率會(huì)增大，但進(jìn)一步增大壓力，顆粒間間隙會(huì)隨之減小，但磁導(dǎo)率增大趨勢(shì)會(huì)相對(duì)變緩，此外，磁損耗也會(huì)隨著壓力的增大而減小，但當(dāng)壓力值超過一定值后，磁損耗反而會(huì)增加，這是由于過大的壓力導(dǎo)致包覆層破壞。通過冷壓成形制得的材料的密度相對(duì)較低，但生產(chǎn)效率較高，對(duì)模具的耐熱性不作要求，其操作簡(jiǎn)單，適合于大規(guī)模的量產(chǎn)。

溫壓成形技術(shù)是一種集加熱處理與壓制一體化的技術(shù)，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(dǎo)率[46]，其致密化的機(jī)理是由于壓制前期粉末內(nèi)顆粒重排和壓制后期塑性變形能力提高[47]。研究發(fā)現(xiàn)，采用400℃溫壓成形制備的Fe78Si9B13非晶磁粉芯有效磁導(dǎo)率達(dá)到最大值33.9(100 kHz)，磁損耗達(dá)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(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.3%的潤(rùn)滑劑時(shí)，磁粉芯密度達(dá)到最大值5.74 g/cm3，有效磁導(dǎo)率達(dá)到137.9(100 kHz)。選擇溫壓成形技術(shù)時(shí)，溫度和潤(rùn)滑劑含量對(duì)材料磁性能的影響較為重要，溫壓成形技術(shù)制備的材料具有高密度且密度分布均勻，制得生坯強(qiáng)度高，力學(xué)性能佳，但所需成本較高，同時(shí)需對(duì)粉體顆粒C、O、N 等元素含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

熱壓成形技術(shù)相對(duì)于冷壓、溫壓成形技術(shù)，所需壓力較小，胡超等[50]通過熱壓成形技術(shù)制備了Fe-Si-B-Cu-Nb 非晶軟磁復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與冷壓、溫壓成形相比，其磁粉芯密度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)較高，分別為6.8 g/cm3和1.34 T。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)轱柡痛鸥袘?yīng)強(qiáng)度與磁粉芯材料、密度關(guān)聯(lián)密切[51]。熱壓成形技術(shù)能夠降低材料的成形壓力，縮短燒結(jié)時(shí)間，但是對(duì)模具要求較高，需要模具具有耐高溫性，同時(shí)，生產(chǎn)效率較低，成品表面粗糙，不利于規(guī)?；a(chǎn)。

2.2 快速燒結(jié)技術(shù)

放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡(jiǎn)稱SPS)是在進(jìn)行壓制的過程中進(jìn)行燒結(jié)的一種全新技術(shù)，放電等離子燒結(jié)具有快速、低溫、高度致密化的優(yōu)點(diǎn)[52]，它可以利用其局域瞬時(shí)放電特性，固結(jié)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(jié)構(gòu)軟磁復(fù)合材料。趙占奎等[53]通過放電等離子燒結(jié)制備了Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4(MnO2)塊體樣品，并研究了氧化劑MnO2對(duì)軟磁復(fù)合材料磁性能和電阻率的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)MnO2添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%時(shí)，制得樣品的電阻率與飽和磁化強(qiáng)度分別提高了33.7%和6.9%。這是因?yàn)榉烹姷入x子燒結(jié)對(duì)界面氧化還原反應(yīng)有促進(jìn)作用，同時(shí)MnO2的添加使得界面Fe2+濃度降低，F(xiàn)e3+濃度升高，這使得軟磁復(fù)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(kuò)散的影響，制得復(fù)合材料的電阻率還有待進(jìn)一步提高。

微波燒結(jié)[54]是利用微波加熱對(duì)材料進(jìn)行致密化的一種技術(shù)，通過極性電磁場(chǎng)與物質(zhì)內(nèi)的基本單元耦合產(chǎn)生損耗實(shí)現(xiàn)微波能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，能夠有效地改善材料微觀結(jié)構(gòu)及均勻性，提高材料的性能。Bures 等[55]通過與傳統(tǒng)燒結(jié)方式對(duì)比，研究了微波燒結(jié)對(duì)FeSi 軟磁材料性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，由微波燒結(jié)得到的軟磁復(fù)合材料在較短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到比較理想的致密度。圖7 為兩種燒結(jié)方式下材料的SEM 形貌圖，從圖中可以看出，微波燒結(jié)可以使材料的致密度更高，經(jīng)微波燒結(jié)后的FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4樣品的磁導(dǎo)率實(shí)部數(shù)值為38，矯頑力為424 A/m，磁損耗為57 W/kg。微波燒結(jié)具有高效的節(jié)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(fù)合材料的磁性能，但是微波燒結(jié)技術(shù)所需設(shè)備復(fù)雜，成本較高，目前僅在實(shí)驗(yàn)室條件下使用。

圖7 (a)傳統(tǒng)燒結(jié)的FeSi/Mn0.8Zn0.2Fe2O4(800 ℃，60 min);(b)微波燒結(jié)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(tǒng)的冷壓成形技術(shù)對(duì)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(diǎn)，不易模壓成型，難以獲得高的壓坯密度。隨著成形技術(shù)的進(jìn)步，粉末注射成形技術(shù)、放電等離子燒結(jié)技術(shù)、微波燒結(jié)技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)等開始在軟磁復(fù)合材料制備中使用，但是這些制備技術(shù)成本較高限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。另外，軟磁復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)大多為核殼結(jié)構(gòu)，成形時(shí)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(diào)控復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)(粉末基體/包覆層界面結(jié)構(gòu)、孔洞間隙的分布等)以優(yōu)化軟磁性能，這些方面的問題還有待進(jìn)一步研究。

3 熱處理工藝

軟磁復(fù)合材料壓制成形后，由于內(nèi)應(yīng)力增大，會(huì)產(chǎn)生釘扎點(diǎn)，磁疇運(yùn)動(dòng)受阻，磁導(dǎo)率降低，同時(shí)矯頑力增大，導(dǎo)致磁滯損耗增加。而通過熱處理可以有效地消除內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)還能提高材料的機(jī)械性能。一般而言，軟磁復(fù)合材料的磁性能與熱處理溫度、時(shí)間和氣氛等有關(guān)，其中熱處理溫度的作用最明顯，隨著熱處理溫度的升高，內(nèi)應(yīng)力釋放就會(huì)越完全，磁導(dǎo)率也就越大[56]，但是過高的溫度會(huì)破壞絕緣層，使得渦流損耗的程度加劇[57]，品質(zhì)因數(shù)也隨之降低。常用的熱處理包括常規(guī)熱處理、磁場(chǎng)熱處理。

3.1 常規(guī)熱處理

熱處理可以釋放軟磁復(fù)合材料壓制產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減少畸變和位錯(cuò)密度，因此可以增大磁導(dǎo)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(fù)合材料，研究了不同的熱處理溫度對(duì)材料磁性能的影響。研究表明，樣品的磁導(dǎo)率在10～500 kHz 的頻率范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，隨熱處理溫度的增加，損耗先減小后增大，在1100 ℃時(shí)達(dá)到最小值，在該溫度下磁導(dǎo)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(shí)間對(duì)磷化處理的霧化鐵粉軟磁復(fù)合材料磁性能的影響。結(jié)果表明，加熱到500 ℃保溫30 min 后，有效磁導(dǎo)率為350，在頻率為1 kHz、磁化場(chǎng)強(qiáng)度為1 T 條件下磁損耗僅為145 W/kg，繼續(xù)增加熱處理時(shí)間，磁導(dǎo)率增長(zhǎng)不顯著，說明延長(zhǎng)熱處理時(shí)間對(duì)提高磁導(dǎo)率效果不明顯。作者所在團(tuán)隊(duì)[61]研究了熱處理溫度對(duì)Fe-SiO2軟磁復(fù)合材料磁性能的影響，不同熱處理溫度下磁導(dǎo)率實(shí)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(jīng)500 ℃熱處理后，相比未處理的樣品，磁導(dǎo)率實(shí)部提高了37.5%，其值在測(cè)試頻率范圍內(nèi)穩(wěn)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(jìn)行熱處理時(shí)溫度不宜過高，對(duì)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?yàn)楦邷叵聲?huì)破壞絕緣包覆層，降低軟磁復(fù)合材料的綜合性能。在進(jìn)行常規(guī)去應(yīng)力熱處理的過程中，針對(duì)不同的材料需要選擇合適的溫度，以優(yōu)化材料的磁性能。

圖8 熱處理溫度對(duì)SMCs 樣品磁導(dǎo)率實(shí)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(chǎng)熱處理

磁場(chǎng)熱處理可以提高材料的磁有序度，從而提高材料的磁導(dǎo)率，降低矯頑力。磁場(chǎng)熱處理可以細(xì)分為縱向、橫向以及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)處理。三種磁場(chǎng)熱處理方式都能有效地降低矯頑力，其中，橫向、縱向磁場(chǎng)熱處理能夠誘導(dǎo)磁性材料的磁各向異性，橫向磁場(chǎng)熱處理可以使某些軟磁材料(如非晶軟磁材料)的磁導(dǎo)率在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，同時(shí)可以降低矯頑力和磁損耗，縱向磁場(chǎng)熱處理能夠得到高的最大磁導(dǎo)率和矩形比的材料;旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)熱處理則抑制感生各向異性的產(chǎn)生，與橫向磁場(chǎng)處理相比，可以獲得較高的相對(duì)磁導(dǎo)率[62]。Dong 等[63-64]研究了不同溫度橫向磁場(chǎng)熱處理、縱向磁場(chǎng)熱處理對(duì)Fe78Si9B13非晶粉末磁粉芯磁性能的影響。結(jié)果表明，在橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5 T、熱處理溫度為400 ℃條件下，當(dāng)頻率為100 kHz 時(shí)磁導(dǎo)率最高為85，與常規(guī)熱處理相比，軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)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(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致的，之后隨溫度升高磁導(dǎo)率會(huì)下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是溫度的升高導(dǎo)致材料產(chǎn)生新的相，從而影響到磁性能。在縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度為2388 A/m、熱處理溫度為400 ℃時(shí)，磁粉芯的有效磁導(dǎo)率為66，磁損耗比常規(guī)熱處理時(shí)低，其值范圍為90～180 W/kg(50 mT，100 kHz)。周國(guó)華等[65]在進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理時(shí)發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)對(duì)軟磁復(fù)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(chǎng)強(qiáng)度先減小后增大，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為100 mT 時(shí)均達(dá)到最小值，這是因?yàn)榇艌?chǎng)熱處理使得疇壁方向和磁場(chǎng)方向一致，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，但是進(jìn)一步增大磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)改變磁疇分布，造成磁致伸縮系數(shù)增大。因此在對(duì)磁性材料進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理時(shí)，需要選擇合適的工藝參數(shù)，這樣可以使材料獲得較低的矯頑力和較大的磁導(dǎo)率。與常規(guī)熱處理相比，經(jīng)磁場(chǎng)熱處理后的材料脆性較低，對(duì)于橫向磁場(chǎng)熱處理與縱向磁場(chǎng)熱處理，可以根據(jù)對(duì)材料性能要求的不同進(jìn)行合理選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息通訊行業(yè)的飛速發(fā)展以及電子元器件趨向微型化與高頻化，對(duì)軟磁復(fù)合材料提出高頻、高磁導(dǎo)率和低損耗的要求。本文分別從絕緣包覆、成形技術(shù)與燒結(jié)和熱處理三個(gè)方面介紹了軟磁材料發(fā)展情況以及改善性能的方法，絕緣包覆將重點(diǎn)圍繞降低材料的磁損耗方面展開，側(cè)重于開發(fā)耐高溫、高電阻率的包覆材料，新型成形技術(shù)的引入，能夠有效提高材料的致密性，提升材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而選取合適的熱處理方式不僅能夠消除內(nèi)應(yīng)力帶來的影響，還能改善材料的磁導(dǎo)率與絕緣性能?；诖?，對(duì)軟磁復(fù)合材料今后的研究熱點(diǎn)作了以下幾個(gè)方面的預(yù)測(cè):(1)開發(fā)新型耐高溫的絕緣包覆材料及包覆技術(shù)，盡量降低顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的出現(xiàn)，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(fā)成形和燒結(jié)新工藝，提升軟磁復(fù)合材料致密化程度，平衡好電阻率、機(jī)械強(qiáng)度和磁性能之間的關(guān)系;(3)鑒于軟磁復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，微觀結(jié)構(gòu)對(duì)軟磁性能影響具有多樣性和復(fù)雜性，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、磁性能和制備工藝參數(shù)之間相互關(guān)系的研究還需進(jìn)一步深入，通過建立和不斷完善理論模型，指導(dǎo)新型復(fù)合材料及工藝的開發(fā)，縮短研發(fā)周期。