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CN108511143B - 一种高性能电磁铁 - Google Patents

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CN108511143B CN201810136358.5A CN201810136358A CN108511143B CN 108511143 B CN108511143 B CN 108511143B CN 201810136358 A CN201810136358 A CN 201810136358A CN 108511143 B CN108511143 B CN 108511143B
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Abstract

本发明涉及一种高性能电磁铁,属于磁性合金材料技术领域,该电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,其中磁性铁芯的原料组成为Fe78Nb1.5Cu1AlxB12Ge7.5‑x(配比按质量百分比计,其中1≤x≤5)。将磁性铁芯的组分原料进行球磨获得纳米晶磁性合金粉末,再经过绝缘包覆、高温压制、固化处理等简单的工艺过程,最终制得饱和磁感强度和磁导率较高、矫顽力和铁损值以及磁晶各向异性和磁致伸缩较小的磁性铁芯,用该磁性铁芯制备的电磁铁具有优良的综合性能。

Description

一种高性能电磁铁
技术领域
本发明涉及一种高性能电磁铁,属于磁性合金材料技术领域。
背景技术
电磁铁是通电产生电磁的一种装置,其在生产和生活中的应用十分广泛,如电磁起重机、电磁继电器、电铃、电磁选矿机、磁悬浮列车、扬声器、家用电器等等。电磁铁的基本工作原理为:当电流通过螺线管时,则会在螺线管内产生均匀磁场,若在螺线管的中心置入铁磁性物质,则此铁磁性物质会被磁化,磁化后的铁芯也变成了一个磁体,这样由于两个磁场互相叠加,从而使螺线管的磁性大大增强。
为了使电磁铁断电立即消磁,往往采用消磁较快的的软铁材料作为铁芯,这样的电磁铁在通电时有磁性,断电后磁性就随之消失。软磁材料包括晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。晶态软磁材料的电阻率比较低,在使用频率较高时会引起大的涡流损耗,在更高的频率下会导致趋肤效应,这就严重限制了电磁铁在高频段的应用。非晶态软磁材料虽结构上不存在规则点阵,不存在磁晶各向异性,但要想获得较低的磁致伸缩系数十分困难。纳米晶软磁材料因纳米量级(一般<50nm)的晶粒尺寸而具有高起始磁导率和低矫顽力,此类软磁合金材料还具有低损耗,成本廉价等优点。
现有技术中纳米晶软磁材料的制备方法通常为非晶晶化法及机械合金化法。现有公开号为CN1450570A公开了一种纳米晶软磁薄带的制备方法,其主要是通过单辊急冷技术获得非晶前驱物,再施以等温热处理制备纳米晶软磁薄带,该非晶转化法虽工艺简单,磁导率较高,但急冷使得材料三维尺寸受限,难以满足实际应用中对块状或不规则形状材料的需求。公开号为CN1392573A公开了一种纳米晶软磁材料及其制备方法,其合金的化学成分包括Fe、Ni、P、B、Cu和Nb,生产工艺采用机械球磨法,以不同转速球磨30-80小时,然后在惰性气体氛围中加热至晶化温度和高于晶化温度30℃之间的任意温度并保温0.5-1小时,所得合金的饱和磁感应强度不高,铁损较高,且工艺也比较复杂。因此,开发和筛选一种工艺简单、具有高的饱和磁感强度和磁导率、低的矫顽力和铁损值以及小的磁晶各向异性和磁致伸缩且切割性能良好的磁性铁芯,对于电磁铁的综合性能和广泛应用有着至关重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题,提供一种具有高的饱和磁感强度和磁导率、低的矫顽力和铁损值以及小的磁晶各向异性和磁致伸缩且切割性能良好的磁性铁芯,该磁性铁芯使电磁铁具有良好的综合性能。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现:一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯的原料组成为Fe78Nb1.5Cu1AlxB12Ge7.5-x(配比按质量百分比计,其中1≤x≤5)。
本发明配方中少量Cu的加入可以降低合金粉末的第一晶化温度并提高其第二晶化温度,从而扩大了其间的温度差,有利于α-Fe相的成核,Nb则阻止晶粒长大,两者共同作用可形成稳定单一的α-Fe相纳米晶结构。配方中Ge在Al中的溶解度很高,二者形成稳定的共晶物,可显著提高磁性合金的流动性,且Ge具有较小的磁致伸缩,可以有效降低磁性铁芯的磁致伸缩,Ge与Al在配方中相互依存,相互制约,当Ge含量过高,Al含量过低时,Ge来不及溶解就与Al形成Ge-Al粗大的颗粒,影响磁性合金的均匀性和致密度,进而降低磁性铁芯的饱和磁感强度和磁导率,当Ge含量过低,Al含量过高时,磁性铁芯的磁致伸缩基本不变,且过量的A1原子富集于α-Fe相晶粒形成Fe3A1,增加了纳米晶合金粉末间的内应力各向异性,而影响磁性铁芯的磁导率;再者,配方中的Al还可与Cu形成Al2Cu相,对铁基磁性合金起到显著的时效强化作用,有效增加铁芯的电阻率,减少涡流损耗。
在上述高性能电磁铁中,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
S1、按上述磁性铁芯的原料组成称取配料,将其混合均匀放入球磨机中进行球磨,得纳米晶合金粉末;
S2、向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量5-8%的正硅酸乙酯、1-3%的硅溶胶、15-20%的酒精、5-8%的去离子水、0.005-0.02%的硝酸、0.5-3%的硬脂酸酰胺,超声搅拌、烘干、研磨、过筛;
S3、将经过步骤S2处理的纳米晶合金粉末压制成坯体;
S4、将坯体在保护气氛下,以20-30℃/min的升温速率升温至500-700℃进行退火热处理,保温1-3h后随炉冷却;
S5、将经过退火热处理的坯体浸渍于固化乳液中固化,得磁性铁芯成品。
球磨过程中,原料粉末在机械力作用下产生大量变形,粉体内部形成位错网络,当位错密度增加到一定程度时,“位错胞”机制启动将晶粒分割成许多亚晶粒,通过反复的被挤压、变形、断裂和焊合,亚晶粒成为组织成分均匀分布的纳米晶,与现有技术将铁基非晶薄带施加张应力真空退火制得纳米晶薄带并对其进行破碎获取纳米晶金属粉末相比,本发明球磨过程更易于控制,且获得的纳米晶合金粉末组织结构更加均匀。本发明制备步骤S2中正硅酸乙酯在酒精和去离子水的作用下发生水解反应生成羟基化合物硅酸,而硅酸在硅溶胶的作用下,迅速发生缩合反应生成胶状混合物,该胶状混合物具有高的绝缘性和较低的价电损耗,在硝酸的钝化作用下形成绝缘膜包覆在粉末颗粒表面,有效阻碍了粉末颗粒之间的直接接触,降低了粉末颗粒间所产生的涡流损耗,进而降低了电磁铁在使用过程中的总损耗,同时适量硬脂酸酰胺的加入,降低了绝缘膜与粉末颗粒间的摩擦,提高了绝缘包覆效果,还有利于降低压制成型过程中的脱模力。与现有技术中的包覆工艺相比,本发明包覆工艺简单,有效减少了混合过程中杂质的引入,防止粉末被氧化,且所用试剂安全环保,配伍合理。
在压制成型过程中会产生一些内应力和位错等缺陷,从而恶化坯体的磁性能,为了减小这种不良影响,本发明对坯体进行了退火热处理。随着热处理温度的升高,有助于提高坯体的磁导率,降低其损耗,但过高的热处理温度(超过700℃)会破坏坯体的内部结构,使磁导率下降,涡流损耗增加。随着热处理时间的延长,坯体在压制过程中产生的内应力不断释放,内部缺陷逐渐减少,磁畴移动和畴壁转动的阻碍减小,磁导率增大,但热处理时间过长(超过3h)会导致粉末颗粒之间的绝缘膜被烧蚀,粉末颗粒之间直接接触,使得涡流增大,涡流损耗上升,从而导致品质因数有所下降。由于纳米晶材料呈薄带状,材料较脆,易折断,因此需要对热处理后的坯体进行固化处理,使其具有良好的抗拉强度,同时在固化过程中因受内应力作用铁芯的损耗降低、磁导率增加。
在上述高性能电磁铁中,所述球磨机转速为250-300r/min,球磨时间为30-40h,球料比为(10-15):1。
本发明原料粉球磨时间较长,因为随着球磨时间的增加,粉末被加工硬化,脆性增加而发生破碎,使得颗粒细化;同时,由于新的洁净表面的增加有利于冷焊合的发生,颗粒形成层状结构,当焊合和破碎趋于平衡的时候,粒子的尺寸分布稳定在较窄的范围内,有利于纳米级α-Fe相的形成,进而获得纳米晶合金粉末。球磨过程中控制球料比的大小也很重要,当球料比过大将增加磨球的损耗,并影响磨球的加速碰撞;而球料比太小时,球与粉的碰撞几率减小,球磨效率降低。
在上述高性能电磁铁中,所述超声频率为20-30Hz。在绝缘包覆时,形成的胶状混合物粘度较大,流动性不佳,施加20-30Hz的超声波,可以促进胶状物的流动,使其与磁性合金粉末充分接触,在更多粉末表面形成绝缘膜,提高绝缘包覆效果。
在上述高性能电磁铁中,所述压制压力为3-4.5GPa。
压制压力的大小会直接影响到坯体致密度,压制压力越大,颗粒填充越充分,压坯的空隙越少,致密度越高,纳米晶合金粉末所占比例增大,所得磁性坯体的磁导率越大,磁感应强度也越大。在本发明中若压制压力小于2.8GPa,磁性粉末填充密度较小,α-Fe相晶粒之间通过界面的交换耦合作用受到限制,所得坯体的矫顽力较高,但压制压力增大到一定程度(超过4.6GPa),纳米晶体内会产生大量的位错缺陷和较大的内应力,使得畴壁移动阻力加大,磁畴的转动变得困难,同样导致矫顽力增大,同时颗粒开始发生塑性剪切变形,产生加工硬化,部分绝缘层被破坏,磁性铁芯损耗增大。
在上述高性能电磁铁中,所述保护气氛为氢气和氩气的混合气。二者混合使用可以还原微量被氧化的铁,防止磁性材料再度氧化,同时还可以促进磁性合金组分中各原子的迁移,最终形成分布均匀,化学性质稳定的磁芯材料。
在上述高性能电磁铁中,所述固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂60-70%、N,N-二乙氨环氧丙烷5-10%、烷基酚聚氧乙烯醚0.1-0.5%、二氧化硅20-30%。
环氧树脂因其较低的固化应力及良好的流动性被本发明用作固化剂,但其在常温下粘度较大,高温下又不够稳定,单独使用固化效果有限,而N,N-二乙氨环氧丙烷含有叔胺基团,可催化环氧树脂开环形成稳定的三维网状结构的不溶不熔聚合物,该聚合物具有良好的粘度和固化稳定性;同时,N,N-二乙氨环氧丙烷又是带有环氧基的小分子化合物,可对固化乳液起到活性稀释剂作用,且开环可生成柔顺的聚醚链,对固化乳液起到良好的增韧作用;本发明还在固化乳液中添加了适量的二氧化硅,二氧化硅具有较大比表面积和高表面能,与烷基酚聚氧乙烯醚协同作用,降低了固化乳液的固化应力,促使N,N-二乙氨环氧丙烷催化环氧树脂形成的具有三维网状结构的聚合物充分地吸附于固化物表面,强化固化效果,提高了粘接强度。但二氧化硅添加量过多时(超过30%),彼此间的吸附作用增强,甚至发生团聚现象,使整个固化乳液体系的粘度变大,浸润性变差,进而降低固化乳液的综合性能,影响固化效果。
在上述高性能电磁铁中,所述固化时间为0.5-1.5h,固化温度为100-150℃。
本发明中固化时间较短时,固化剂得不到完全固化,铁芯内部存在较大的粘滞应力,导致磁性能变化异常;而固化时间较长时,固化剂出现内硬化现象,易产生局部收缩应力,同样影响铁芯性能。固化温度会影响固化剂的综合性能,当固化温度较低时,固化剂流动性较差,不利于固化剂浸透磁性铁芯,随着固化温度的升高,固化应力逐渐增强,当达到一定温度值时,磁性铁芯的磁导率急剧下降,损耗急剧上升。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明配方合理,包覆工艺简单,有效减少了混合过程中杂质的引入,防止粉末被氧化,且包覆所用试剂安全环保,配伍合理,超声搅拌使更多粉末颗粒间形成了较薄的绝缘膜,提高了绝缘包覆效果,大幅度降低了金属粉末颗粒间所产生的涡流损耗及压制成型过程中的脱模力。通过优选固化乳液的固化,纳米晶磁性铁芯内应力降低,磁导率增加,抗拉强度增加,切割性能优良。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例,并说明对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al3B12Ge4.5称取配料,将其混合均匀放入转速为270r/min球磨机中球磨35h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为12:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量6.5%的正硅酸乙酯、2%的硅溶胶、17.5%的酒精、6.5%的去离子水、0.01%的硝酸、1.8%的硬脂酸酰胺,在25Hz超声条件下搅拌15min,烘干、研磨、过筛,然后在4GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气和氩气混合气氛下,以25℃/min的升温速率升温至600℃进行退火热处理,保温2h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于125℃的固化乳液中固化1h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂67%、N,N-二乙氨环氧丙烷7.5%、烷基酚聚氧乙烯醚0.3%、二氧化硅25.2%。
实施例2
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al2B12Ge5.5称取配料,将其混合均匀放入转速为260r/min球磨机中球磨32h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为11:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量6%的正硅酸乙酯、1.5%的硅溶胶、16%的酒精、6%的去离子水、0.008%的硝酸、1%的硬脂酸酰胺,在23Hz超声条件下搅拌13min,烘干、研磨、过筛,然后在3.2GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气和氩气混合气氛下,以23℃/min的升温速率升温至550℃进行退火热处理,保温1.5h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于120℃的固化乳液中固化0.6h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂67%、N,N-二乙氨环氧丙烷6%、烷基酚聚氧乙烯醚0.2%、二氧化硅26.8%。
实施例3
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al4B12Ge3.5(质量百分比)称取配料,将其混合均匀放入转速为280r/min球磨机中球磨36h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为13:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量7%的正硅酸乙酯、2.2%的硅溶胶、17%的酒精、6%的去离子水、0.014%的硝酸、1.5%的硬脂酸酰胺,在26Hz超声条件下搅拌16min,烘干、研磨、过筛,然后在3.6GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氩气氛下,以26℃/min的升温速率升温至620℃进行退火热处理,保温2h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于130℃的固化乳液中固化0.8h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂68.2%、N,N-二乙氨环氧丙烷9%、烷基酚聚氧乙烯醚0.3%、二氧化硅22.5%。
实施例4
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al0.5B12Ge7称取配料,将其混合均匀放入转速为250r/min球磨机中球磨30h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为10:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量5%的正硅酸乙酯、1%的硅溶胶、15%的酒精、5%的去离子水、0.005%的硝酸、0.5%的硬脂酸酰胺,在20Hz超声条件下搅拌10min,烘干、研磨、过筛,然后在3GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气氛下,以20℃/min的升温速率升温至500℃进行退火热处理,保温1h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于100℃的固化乳液中固化0.5h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂61.4%、N,N-二乙氨环氧丙烷10%、烷基酚聚氧乙烯醚0.1%、二氧化硅28.5%。
实施例5
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al6B12Ge1.5(质量百分比)称取配料,将其混合均匀放入转速为290r/min球磨机中球磨38h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为14:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量7.5%的正硅酸乙酯、2.8%的硅溶胶、19%的酒精、7%的去离子水、0.018%的硝酸、2.5%的硬脂酸酰胺,在28Hz超声条件下搅拌18min,烘干、研磨、过筛,然后在4.2GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气和氩气混合气氛下,以28℃/min的升温速率升温至650℃进行退火热处理,保温2.5h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于140℃的固化乳液中固化1.2h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂69%、N,N-二乙氨环氧丙烷8.6%、烷基酚聚氧乙烯醚0.4%、二氧化硅22%。
实施例6
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al7.5B12Ge0(质量百分比)称取配料,将其混合均匀放入转速为300r/min球磨机中球磨40h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为15:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量8%的正硅酸乙酯、3%的硅溶胶、20%的酒精、8%的去离子水、0.02%的硝酸、3%的硬脂酸酰胺,在30Hz超声条件下搅拌20min,烘干、研磨、过筛,然后在4.5GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气氛下,以30℃/min的升温速率升温至700℃进行退火热处理,保温3h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于150℃的固化乳液中固化1.5h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂70%、N,N-二乙氨环氧丙烷9.5%、烷基酚聚氧乙烯醚0.5%、二氧化硅20%。
实施例7
一种高性能电磁铁,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
按原料组成Fe78Nb1.5Cu1Al0B12Ge7.5(质量百分比)称取配料,将其混合均匀放入转速为260r/min球磨机中球磨35h,得纳米晶合金粉末,其中球料比为13:1;
向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量6%的正硅酸乙酯、1.5%的硅溶胶、16%的酒精、5.5%的去离子水、0.01%的硝酸、2.6%的硬脂酸酰胺,在30Hz超声条件下搅拌20min,烘干、研磨、过筛,然后在3.5GPa压力下压制成坯体;
将坯体在氢气氛下,以24℃/min的升温速率升温至630℃进行退火热处理,保温2h后随炉冷却;
将经过退火热处理的坯体浸渍于120℃的固化乳液中固化1.5h,得磁性铁芯成品,其中固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂66%、N,N-二乙氨环氧丙烷7.5%、烷基酚聚氧乙烯醚0.2%、二氧化硅26.3%。
对比例1
本对比例与实施例7的区别仅在于,通过对铁基非晶薄带施加张应力真空退火制得纳米晶薄带并对其进行破碎获取纳米晶金属粉末。
对比例2
本对比例与实施例7的区别仅在于,未对纳米晶磁性合金粉末进行绝缘包覆处理,即未用正硅酸乙酯、硅溶胶、酒精、去离子水、硝酸、硬脂酸酰胺。
对比例3
对比例与实施例7的区别仅在于,仅用硅溶胶进行绝缘包覆处理。
对比例4
本对比例与实施例7的区别仅在于,未对纳米晶磁芯进行固化处理。
对比例5
本对比例与实施例7的区别仅在于,固化乳液为环氧树脂单一组分。
对比例6
现有技术中普通市售铁基非晶磁芯。
将实施例1-7和对比例1-6中所述的纳米晶磁性铁芯进行性能测试的结果如表1所示。
表1:实施例1-7和对比例1-6中纳米晶磁性铁芯性能测试结果
综合以上因素,本发明配方合理,球磨获得均匀纳米晶磁性粉末,通过优选试剂对粉末进行超声绝缘包覆,再用优选的固化乳液对坯体进行固化,最终获得饱和磁感强度和磁导率较高、矫顽力和铁损值以及磁晶各向异性和磁致伸缩较小的磁性铁芯,用该磁性铁芯制备的电磁铁具有良好的综合性能。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案,同样都在本发明要求保护的范围内,并且本发明方案所有涉及的参数间如未特别说明,则相互之间不存在不可替换的唯一性组合。

Claims (5)

1.一种高性能电磁铁,其特征在于,所述电磁铁由线圈和磁性铁芯组成,所述的磁性铁芯的原料组成为Fe78Nb1.5Cu1AlxB12Ge7.5-x,配比按质量百分比计,其中1≤x≤5;
所述的磁性铁芯通过如下方法制得:
S1、按磁性铁芯原料组分称取配料,将其混合均匀放入球磨机中进行球磨,得纳米晶合金粉末;
S2、向纳米晶合金粉末中加入占纳米晶合金粉末总量5-8%的正硅酸乙酯、1-3%的硅溶胶、15-20%的酒精、5-8%的去离子水、0 .005-0 .02%的硝酸、0 .5-3%的硬脂酸酰胺,超声搅拌、烘干、研磨、过筛;
S3、将经过步骤S2处理的纳米晶合金粉末压制成坯体;
S4、将坯体在保护气氛下,以20-30℃/min的升温速率升温至500-700℃进行退火热处理,保温1-3h后随炉冷却;
S5、将经过退火热处理的坯体浸渍于固化乳液中固化,得磁性铁芯成品。
2.根据权利要求1所述的高性能电磁铁,其特征在于,所述球磨机转速为250-300r/min,球磨时间为30-40h,球料比为(10-15):1。
3.根据权利要求1所述的高性能电磁铁,其特征在于,所述压制压力为3-4 .5GPa。
4.根据权利要求1所述的高性能电磁铁,其特征在于,所述的固化乳液由以下按质量百分比计的组分组成:环氧树脂60-70%、N ,N-二乙氨环氧丙烷5-10%、烷基酚聚氧乙烯醚0.1-0 .5%、二氧化硅20-30%。
5.根据权利要求1所述的高性能电磁铁,其特征在于,所述固化时间为0 .5-1 .5h,固化温度为100-150℃。
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