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CN111590065B - 负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法 - Google Patents

负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法。制备方法包括以下步骤：将软磁金属粉末真空热处理；制备纳米氢氧化锆溶液、纳米钨酸铝溶液、磷酸二氢铝溶液并混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3‑4，得到混合溶液；将真空热处理后的软磁金属粉末加入混合溶液内，超声波处理45‑90分钟，加热至110℃，搅拌，得到预成品；将预成品进行气氛保护热处理，处理温度为500‑650℃，时间为3‑6小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。本发明通过复合反应，制备了具有负热膨胀系数的软磁金属粉末，可以降低粉末及产品的热膨胀问题，同时也在粉末表面更好地形成包覆绝缘层，大幅提升了粉末的绝缘特性。

Description

负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于磁性功能材料领域，特别涉及负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法。
背景技术
磁性材料广泛应用于电子、电气产品，是材料行业的基础材料之一。其具有能量转换、存储等特殊功能。目前通过在铁磁颗粒表面包覆绝缘膜得到的软磁复合材料，其与传统叠片刚磁芯相比具有一系列独特的性能，例如三维各向同性磁性能、极低的涡流损耗、灵活的磁芯结构设计等，正是由于这些特性的存在使得软磁复合材料具有广阔的应用前景。但是，由软磁材料制备的电子产品在焊接于PCB板材的过程中会受到250±5℃的高温冲击，在此温度急速升高的过程中，由于粉末及包覆膜的热膨胀特性，会使产品出现开裂的危险，为解决这一问题，国内外对此都做出了大量的研究，例如公开号为CN103555246A的用于电子元器件一体成型技术的环氧胶黏剂及其制备方法，发明了比传统胶黏剂具有更高本体强度、高模量、高Tg、高粘接强度的胶黏剂配方，公开号为CN107674625A的电子元器件一体成型用胶黏剂及其制备方法，也是开发了新的具有高强度的胶黏剂配方，但是这些方法只是把重心放在了提升胶黏剂强度，而没有考虑到材料热膨胀性的本质问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法，以解决通过现有的软磁金属粉末制备方法制得的软磁金属粉末受热易膨胀、易导致产品开裂，同时粉末包覆效果不佳，绝缘特性较差的问题。
一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，包括以下步骤：
将软磁金属粉末进行真空热处理；
制备质量分数为0.5％-1％的纳米氢氧化锆溶液，质量分数为0.5％-1％的纳米钨酸铝溶液，质量分数为0.5％-2％的磷酸二氢铝溶液以及分析纯磷酸液体；
将纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝三种溶液混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3-4，得到混合溶液；
将真空热处理后的软磁金属粉末加入所述混合溶液内，超声波处理45-90分钟，加热至110℃，边加热边机械搅拌，直至反应物完全烘干后停止加热和搅拌，得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品；
将所述负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品进行气氛保护热处理，处理温度为500-650℃，处理时间为3-6小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。
纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝等几种物质混合、反应之后的生成物具有负热膨胀系数，每一种材料的质量分数控制在0.5％-2.0％之间是因为添加的过少会导致包覆效果不理想，添加过多的话，会使粉末磁导率降低，无法满足磁特性要求。
更进一步地，所述热处理的条件为800～1000℃，真空度4×10-3Pa，控温精度±0.1℃。
更进一步地，在对软磁金属粉末进行热处理的同时添加磁场，所述磁场强度为0～4kA/m。
更进一步地，所述纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝的质量比为(3-5)：(2-8)：(1-5)。
通过控制纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝的质量比为(3-5)：(2-8)：(1-5)，能够使整个反应体系的效果达到最佳，反应更加充分彻底，反应残余物料较少，从而达到节约成本、高效生产的目的。
更进一步地，所述软磁金属粉末的质量为所述混合溶液质量的3-5倍。
在实际操作中，如果混合溶液的量过多，会造成液体的浪费、后续干燥的困难；如果混合溶液的量过少，则可能导致粉体与溶液难以充分接触，无法做到均匀包覆。控制软磁金属粉末质量为混合溶液质量的3-5倍，同时配合本发明中超声波的处理方式，可以使软磁金属粉末与混合溶液内的物质更均匀的接触，达到最佳的包覆效果。
更进一步地，所述纳米氢氧化锆溶液为纳米氢氧化锆乙醇溶液、纳米钨酸铝溶液为纳米钨酸铝溶液乙醇溶液、磷酸二氢铝溶液为磷酸二氢铝蒸馏水溶液。
更进一步地，所述气氛为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的任意一种。
更进一步地，所述软磁金属粉末为羰基铁粉、铁硅合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅铝合金粉中的一种或几种。
更进一步地，所述边加热边机械搅拌过程中搅拌速度为30-50rad/s。
本发明还提供一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末，由上述制备方法制备得到。
本发明的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末及其制备方法，通过复合反应，制备了具有负热膨胀系数的软磁金属粉末，可以成功降低粉末及产品的热膨胀问题，同时也在粉末表面更好地包覆绝缘层，大幅提升了粉末的绝缘特性，该制备方法操作简单，适应于工业生产。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明制备负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1示出了本发明制备负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的流程示意图。如图1所示，负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法包括以下步骤：
将软磁金属粉末进行真空热处理，其中，所述热处理的条件为800～1000℃，真空度4×10-3Pa，控温精度±0.1℃；在对软磁金属粉末进行热处理的同时添加磁场，所述磁场强度为0～4kA/m。
制备质量分数为0.5％-1％的纳米氢氧化锆溶液，质量分数为0.5％-1％的纳米钨酸铝溶液，质量分数为0.5％-2％的磷酸二氢铝溶液以及分析纯磷酸液体；
其中，所述纳米氢氧化锆溶液为纳米氢氧化锆乙醇溶液、纳米钨酸铝溶液为纳米钨酸铝溶液乙醇溶液、磷酸二氢铝溶液为磷酸二氢铝蒸馏水溶液；
将纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝三种溶液混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3-4，得到混合溶液，所述纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝的质量比为(3-5)：(2-8)：(1-5)；
将热处理后的软磁金属粉末加入所述混合溶液内，所述软磁金属粉末的质量为所述混合溶液质量的3-5倍，超声波处理45-90分钟，加热至110℃，边加热边机械搅拌，搅拌速度为30-50rad/s，直至反应物完全烘干后停止加热和搅拌，得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品；
将所述负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品进行气氛保护热处理，处理温度为500-650℃，处理时间为3-6小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。
其中，所述气氛包括但不限于氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。
通过上述制备方法制备一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末，并对其性能进行检测。
实施例一
将2500g羰基铁粉末进行真空热处理，所述热处理的条件为800℃，真空度4×10- 3Pa，控温精度±0.1℃，在对软磁金属粉末进行热处理的同时添加磁场，所述磁场强度为3kA/m；
制备质量分数为0.5％的纳米氢氧化锆乙醇溶液500g，质量分数为0.6％的纳米钨酸铝乙醇溶液500g，质量分数为0.5％的磷酸二氢铝蒸馏水溶液500g以及分析纯磷酸液体100g；
将400g纳米氢氧化锆、200g纳米钨酸铝、100g磷酸二氢铝三种溶液混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3，得到混合溶液；
将热处理后的羰基铁粉末加入所述混合溶液内，超声波处理90分钟，加热至110℃，边加热边以搅拌速度30-50rad/s机械搅拌，直至反应物完全烘干后停止加热和搅拌，得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品；
将所述负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品进行气氛保护热处理，处理温度为550℃，处理时间为4小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。
本实施例中，纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝在磷酸溶液条件下，会与羰基铁粉末反应生成磷酸铝铁与磷钨酸锆复合反应膜层，该膜层是一种性能良好的负热膨胀材料与绝缘材料，具有良好的化学、热学稳定性、高温力学稳定性与绝缘特性，在很大温区范围内具有明显的负热膨胀特性，且在负热膨胀温度区间无相变、不吸水。因此可以很好的对粉末进行绝缘包覆，同时使复合材料具有负热膨胀系数特点。
同时，通过在金属粉末的磁导率增大，矫顽力降低，从而改善软磁金属粉末的综合磁性能。
对比例一
使用磷酸丙酮溶液对羰基铁粉末进行钝化绝缘，绝缘包覆之后使用550℃进行热处理，之后随炉冷却至室温。
性能检测
取实施例一及对比例一制得的软磁金属粉末分别压制成磁环，磁环规格为内径8mm、外径14mm，使用粉末质量为2g、压制压力为3t，之后加热至200℃保温3h后冷却至室温。分别测试磁环烘烤前后的高度、观察外观，测试烘烤后磁环的绝缘特性。测试结果见表1.
表1、实施例一与对比例一所得羰基铁包覆粉末性质对比
测试项目 绝缘电阻 烘烤前后厚度差 烘烤后外观
实例一 8.2MΩ 0 无裂纹
对比例一 3.6MΩ 0.03mm 个别极细裂纹
通过性能测试结果可知，实施例一获得的软磁金属粉末的热稳定性、绝缘性均优于对比例一。
实施例二
将8000g铁硅铬合金粉末进行真空热处理，所述热处理的条件为1000℃，真空度4×10-3Pa，控温精度±0.1℃，在对软磁金属粉末进行热处理的同时添加磁场，所述磁场强度为4kA/m；
制备质量分数为0.8％的纳米氢氧化锆乙醇溶液1000g，质量分数为1％的纳米钨酸铝乙醇溶液1000g，质量分数为2％的磷酸二氢铝蒸馏水溶液500g以及分析纯磷酸液体100g；
将500g纳米氢氧化锆、800g纳米钨酸铝、500g磷酸二氢铝三种溶液混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3，得到混合溶液；
将热处理后的铁硅铬合金粉末加入所述混合溶液内，超声波处理90分钟，加热至110℃，边加热边以搅拌速度30-50rad/s机械搅拌，直至反应物完全烘干后停止加热和搅拌，得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品；
将所述负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品进行气氛保护热处理，处理温度为650℃，处理时间为5.5小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。
对比例二
使用磷酸丙酮溶液对铁硅铬合金粉末进行钝化绝缘，绝缘包覆之后使用650℃进行热处理，之后随炉冷却至室温。
性能检测
取实施例二及对比例二制得的软磁金属粉末分别压制成磁环，磁环规格为内径8mm、外径14mm，使用粉末质量为2g、压制压力为3t，之后加热至200℃保温3h后冷却至室温。分别测试磁环烘烤前后的高度、观察外观，测试烘烤后磁环的绝缘特性。测试结果见表2.
表2、实施例二与对比例二所得合金粉末性质对比
测试项目 绝缘电阻 烘烤前后厚度差 烘烤后外观
实例二 7.7MΩ 0 无裂纹
对比例二 3.1MΩ 0.02mm 个别极细裂纹
通过性能测试结果可知，实施例二获得的合金粉末的热稳定性、绝缘性均优于对比例二。
上述实施例一、实施例二仅给出了两个较佳实施例进行示例性说明，实际上在本发明方案具体实施过程中各参数可根据实际需要在合理范围内调整的，只要能够实现本发明的目的即可。
另外，在本发明的上述实施例中所采用的各种原料如下：Z104424纳米氢氧化锆(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、15123-82-7纳米钨酸铝(山东西亚化学工业有限公司)、A165289磷酸二氢铝(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、ZB0005蒸馏水(上海环琪环保科技有限公司)、E298791乙醇(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、P120547磷酸(上海环琪环保科技有限公司)、FeSiCr-A铁硅铬合金粉末(安泰科技股份有限公司)、RTE羰基铁粉末(江苏天一超细金属粉末有限公司)。上述各原料也可采用具有相同性能参数的其他市售产品。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将软磁金属粉末进行真空热处理；
制备质量分数为0.5%-1%的纳米氢氧化锆溶液，质量分数为0.5%-1%的纳米钨酸铝溶液，质量分数为0.5%-2%的磷酸二氢铝溶液以及分析纯磷酸液体，所述纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝的质量比为（3-5）：（2-8）：（1-5）；
将纳米氢氧化锆、纳米钨酸铝、磷酸二氢铝三种溶液混合均匀，加入磷酸进行滴定，调节溶液pH值为3-4，得到混合溶液；
将真空热处理后的软磁金属粉末加入所述混合溶液内，超声波处理45-90分钟，加热至110℃，边加热边机械搅拌，直至反应物完全烘干后停止加热和搅拌，得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品；
将所述负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末预成品进行气氛保护热处理，处理温度为500-650℃，处理时间为3-6小时，冷却至室温得到负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末。
2.根据权利要求1所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述真空热处理的条件为800～1000℃，真空度4×10-3Pa，控温精度±0.1℃。
3.根据权利要求1或2所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，在对软磁金属粉末进行热处理的同时添加磁场，所述磁场的磁场强度为0～4kA/m。
4.根据权利要求1所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述软磁金属粉末的质量为所述混合溶液质量的3-5倍。
5.根据权利要求4所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述纳米氢氧化锆溶液为纳米氢氧化锆乙醇溶液，纳米钨酸铝溶液为纳米钨酸铝乙醇溶液，磷酸二氢铝溶液为磷酸二氢铝蒸馏水溶液。
6.根据权利要求1所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述气氛为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述软磁金属粉末为羰基铁粉、铁硅合金粉、铁硅铬合金粉、铁硅铝合金粉中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末的制备方法，其特征在于，所述边加热边机械搅拌过程中搅拌速度为30-50rad/s。
9.一种负热膨胀系数高绝缘特性的软磁金属粉末，其特征在于，由权利要求1-8中任一项制备方法制备得到。
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