細(xì)粉對氣霧化鐵硅鋁軟磁粉芯磁性能的影響

徐濤濤，張博瑋，關(guān)婉婉，萬 堃，時曉艷，劉 偉,3，鄒中秋，蘇海林,3，都有為,4

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2. 江蘇瑞德磁性材料股份有限公司淮安市軟磁粉芯與器件工程技術(shù)研究中心，江蘇 盱眙 211700；3. 安徽瑞德磁電科技股份有限公司，安徽 蕪湖 241002； 4. 南京大學(xué) 物理學(xué)院，南京210093)

0 引 言

金屬軟磁粉芯(又稱為SMC或軟磁復(fù)合材料)是由絕緣后的磁性合金粉末通過粉末冶金工藝制成的一種新型軟磁材料，因其在高頻、大功率下的優(yōu)異磁性能而受到越來越多的關(guān)注[1-3]。近二十年來，國內(nèi)外對軟磁粉芯的研究主要集中于磁粉絕緣包覆工藝的優(yōu)化，目前主要包括三大類工藝：樹脂類有機絕緣包覆工藝、高電阻率無機氧化物絕緣包覆工藝以及樹脂/氧化物復(fù)合絕緣包覆工藝[4-6]。其中，樹脂類有機絕緣層易包覆均勻，但不耐高溫，在退火熱處理時會分解，達不到致密絕緣的效果，即使不做高溫處理，有機包覆層在長期使用時也容易出現(xiàn)老化問題；高電阻率無機氧化物絕緣工藝很難在磁粉表面形成均勻分布的致密絕緣層，易發(fā)生氧化物團聚問題；而樹脂/氧化物復(fù)合絕緣工藝結(jié)合有機和無機兩種絕緣工藝的優(yōu)點，樹脂可以幫助氧化物均勻分布，而氧化物可以解決樹脂高溫分解后磁粉的絕緣問題，因此吸引了廣泛關(guān)注。對于粉芯磁性能的影響因素，近幾年也逐漸達成初步共識，即：在百kHz以下頻段，粉芯磁性能主要受磁滯機制的影響，除磁粉合金成分以外，粉芯內(nèi)部的有效退磁場是決定磁導(dǎo)率、直流偏置性能及損耗的主要因素；在磁粉實現(xiàn)均勻良好絕緣的前提下，粉芯內(nèi)部有效退磁場的強弱可通過粉芯密度來間接反映；在百kHz以上頻段，渦流對磁性能的影響開始逐漸顯現(xiàn)，渦流的強弱可通過粉芯的電阻率來間接反映[7-9]。

眾所周知，損耗是軟磁材料最重要的參數(shù)，主要包括磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗三部分。不同材料在不同應(yīng)用頻率和不同磁場下的損耗組成均不相同。對于粉芯，特殊的微結(jié)構(gòu)及常規(guī)的使用頻段決定了其損耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成，其中，低頻以磁滯損耗為主，高頻以渦流損耗為主[10-11]。對于絕緣良好的特定合金成分的粉芯，其磁滯損耗主要由磁粉顆粒的形貌與尺寸、決定粉芯有效退磁場的磁芯密度以及磁芯內(nèi)的殘余應(yīng)力決定。而渦流損耗則由磁粉顆粒內(nèi)部的渦流和磁粉顆粒之間渦流所決定。磁粉內(nèi)部渦流主要受磁粉合金成分與顆粒尺寸的影響，磁粉之間的渦流主要受磁粉的絕緣材料、絕緣層厚度以及顆粒間氣隙寬度的影響。顯然，粉芯損耗由多種物理因素共同決定。結(jié)合不同的使用頻率與磁通密度，明確磁滯損耗與渦流損耗的占比與影響因素，對于低損耗粉芯方案的設(shè)計至關(guān)重要[12-14]。

目前，在粉芯損耗影響因素的研究中，除了絕緣工藝之外，磁粉顆粒的尺寸與形狀是最主要的研究對象。研究發(fā)現(xiàn)：調(diào)節(jié)磁粉堆積密度及顆粒尺寸可以實現(xiàn)粉芯的致密化。但由于粉芯的系統(tǒng)研究剛起步不久，大多數(shù)顆粒尺寸的研究仍主要集中在一次粒徑，即通過粒徑篩選，研究不同粒徑下粉芯的磁性能變化。研究發(fā)現(xiàn)：粒徑的減小使得粉芯的渦流損耗不斷下降，但也會引起壓制密度的下降，導(dǎo)致退磁場增大，磁滯損耗增加[15-17]。在此基礎(chǔ)上，為了進一步提升粉芯密度并同時降低渦流，以同步降低粉芯的磁滯損耗和渦流損耗，本文進行了更小粒徑細(xì)粉的添加研究。具體而言，本文選擇目前廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)、光伏逆變器等電力電子設(shè)備的氣霧化鐵硅鋁軟磁粉芯作為研究對象，選擇前期實驗發(fā)現(xiàn)的性能較優(yōu)的-270～+325目做為一次粒徑，然后向其中摻入不同質(zhì)量比的D50為14 μm的氣霧化鐵硅鋁細(xì)粉，研究細(xì)粉含量對粉芯磁性能的影響，最后通過Bertotti公式進行損耗分離，分析磁滯損耗系數(shù)與渦流損耗系數(shù)隨細(xì)粉含量的變化規(guī)律并總結(jié)相應(yīng)的物理機制，從而為降低軟磁粉芯在目前常用頻段的磁芯損耗提供有益參考[18]。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗使用長沙驊騮冶金粉末有限公司提供的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Fe-6.5%Si-5.4%Al的-150目及D50=14 μm氣霧化鐵硅鋁合金粉末。環(huán)氧樹脂、二氧化硅粉末、硬脂酸鋅、丙酮(99.5%)、乙醇(99.5%)等其它實驗原料均為商購。

1.2 粉芯制備

將-150目的氣霧化鐵硅鋁粉末進行篩選，得到粒徑介于-270～+325目的粉末，然后將其分為5組，向其中分別摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0%、10%、20%、30%、40%)的D50=14 μm的氣霧化鐵硅鋁細(xì)粉并混合均勻。對5組粉末分別作下述處理：(1)將0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))環(huán)氧樹脂溶于40 g丙酮溶液中，配制5組相同的環(huán)氧樹脂丙酮溶液，將5組300 g磁粉分別倒入環(huán)氧樹脂丙酮溶液中，邊攪拌邊烘干，在磁粉表面包覆上一層樹脂絕緣層；(2)將烘干后的磁粉倒入含1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氧化硅粉末的40 g乙醇溶液中，攪拌直至混合均勻，并在80 ℃的烘箱中干燥，然后過80目篩網(wǎng)得到絕緣粉末；(3)將絕緣磁粉與0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的樹脂粘結(jié)劑及0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硬脂酸鋅混合均勻，在1860 MPa的壓強壓制成外徑26.92 mm、內(nèi)徑14.73 mm、高度11.18 mm的標(biāo)準(zhǔn)1.06英寸磁環(huán)；(4)將磁環(huán)放入退火爐中，氮氣氣氛下760 ℃退火40 min，制得成品粉芯。

1.3 粉芯表征

圖3示出了不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯的有效磁導(dǎo)率隨頻率的變化?？梢姡煌?xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁磁粉芯有效磁導(dǎo)率在1～1 500 kHz頻率范圍都具有較好的頻率穩(wěn)定性。這說明隨著頻率的升高，粉芯內(nèi)的渦流得到了有效抑制，證明了絕緣處理在5組粉末的表面均生成了較高質(zhì)量的絕緣包覆層。隨著細(xì)粉含量逐漸增多，粉芯的有效磁導(dǎo)率表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，在細(xì)粉含量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時可獲得相對最高的有效磁導(dǎo)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌與表征

全國碳市場初期僅納入電力行業(yè)，預(yù)計企業(yè)1700家左右，年排放量約35億噸CO2e。全國碳市場前兩年（2018-2019）為基礎(chǔ)建設(shè)與模擬交易期，無實質(zhì)性交易，也無履約要求。初期主要特點為配額分配采用基準(zhǔn)線法、交易產(chǎn)品僅為配額現(xiàn)貨、不納入抵消機制、不允許非控排企業(yè)入場等。筆者認(rèn)為，盡管全國碳市場的啟動有一定的象征意義，但啟動也意味著將逐步推進。長遠(yuǎn)來看，利用兩年時間完成碳市場相關(guān)立法、夯實碳排放數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、設(shè)計合理的行業(yè)基準(zhǔn)線、建立登記簿及交易系統(tǒng)、制定監(jiān)管體系、提高控排企業(yè)能力等有助于全國碳市場行穩(wěn)致遠(yuǎn)。

圖1對比了粒徑介于-270～+325目的單個氣霧化鐵硅鋁磁粉以及D50=14 μm的氣霧化鐵硅鋁細(xì)粉中的單個磁粉顆粒絕緣前后的典型SEM照片。從圖中可以明顯看出，氣霧化鐵硅鋁粗粉與細(xì)粉的外形均為球形，表面有鱗片狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過絕緣包覆后，磁粉顆粒的表面存在明顯的連續(xù)完整的絕緣層，且部分細(xì)粉粘附在粗粉表面，這使得絕緣顆粒的表面更加粗糙，但磁粉的球形外觀基本沒有改變。

圖1 (a)、(b)粒徑介于-270～+325目的單個氣霧化鐵硅鋁磁粉與(c)、(d)D50=14 μm的氣霧化鐵硅鋁細(xì)粉中的單個磁粉顆粒絕緣前后的典型SEM照片F(xiàn)ig 1 Typical SEM images of single gas-atomized Fe-Si-Al particles in -270-+325 mesh and with D50=14 μm before and after insulation

圖2示出了與環(huán)氧樹脂/氧化硅復(fù)合絕緣之后的氣霧化鐵硅鋁磁粉顆粒SEM照片相對應(yīng)的Fe、Si、Al和O 4種元素的EDS面分布圖?？梢钥闯?，Si元素和O元素的信號分布與Fe元素和Si元素的信號分布一致，這很好地證明了絕緣工藝在氣霧化鐵硅鋁磁粉顆粒表面形成了基于氧化硅的連續(xù)絕緣層，包覆效果較好。

圖6(a)示出了不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯在0.1 T磁通密度下的損耗隨頻率的變化關(guān)系。由圖可見，5組粉芯的損耗均隨著頻率的升高而增大，這是由于磁滯損耗與渦流損耗均隨著頻率升高所致。整體上，粉芯損耗隨著細(xì)粉含量的增多呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，在細(xì)粉含量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，粉芯的損耗最低。這與粉芯有效磁導(dǎo)率和密度的變化趨勢相反，與粉芯直流偏置性能的變化趨勢相同，即有效磁導(dǎo)率和密度最高、直流偏置能力最低的粉芯具有最低損耗。這說明在40～120 kHz的測試頻率范圍內(nèi)，由粉芯磁化過程所決定的磁滯損耗決定了粉芯損耗的變化趨勢。粉芯密度高，其內(nèi)部的有效退磁場低，粉芯易于磁化，由此造成高磁導(dǎo)率、低直流偏置以及低磁滯損耗，并導(dǎo)致粉芯總損耗下降?？梢?，在低于120 kHz的頻率范圍，如果能進一步提高粉芯密度，實現(xiàn)粉芯有效退磁場的降低，則有望進一步降低粉芯的損耗。

圖2 絕緣后的氣霧化鐵硅鋁磁粉顆粒典型SEM照片及其對應(yīng)的EDS元素面分布圖Fig 2 Typical SEM images and the corresponding EDS spatial elemental mapping of Fe, Si, Al and O for a single insulated gas-atomized Fe-Si-Al particle

2.2 細(xì)粉含量對氣霧化鐵硅鋁粉芯磁性能的影響

利用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-6490LV)和X射線能譜儀(EDS，Oxford Instrument INCA)對樣品形貌與元素分布進行表征。用LCR表(Wayne Kerr 3260B)測量粉芯在1～1 500 kHz頻率范圍內(nèi)的有效磁導(dǎo)率(μe)，并結(jié)合直流源(Wayne Kerr 3265B)測試不同外加磁場強度(1 990～7 960 A/m)下的直流偏置性能(即有效磁導(dǎo)率百分比%μe)。使用功率損耗分析儀(Voltech PM1000+)測量粉芯在磁通密度(Bm)0.1 T，頻率40～120 kHz下的損耗。用分析天平(AUY-120)稱量磁環(huán)質(zhì)量，利用游標(biāo)卡尺(MNT-200)測量磁環(huán)的高度與內(nèi)、外徑并計算出相應(yīng)磁環(huán)體積，基于稱重法計算出磁環(huán)的密度。上述測量均在室溫下進行的。

為了分析粉芯有效磁導(dǎo)率隨粒徑的變化規(guī)律，我們測量了5組粉芯的密度。圖4示出了粉芯密度隨細(xì)粉含量的變化關(guān)系。可見，隨著細(xì)粉含量的增加，粉芯密度呈現(xiàn)出與有效磁導(dǎo)率相同的變化趨勢，即先增大再減小，在細(xì)粉含量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時達到最高。粉芯的密度直接反映了粉芯內(nèi)部的氣隙多少，從而直接反映出粉芯內(nèi)部有效退磁場的大小，密度高，則氣隙少，有效退磁場小，粉芯易于磁化，從而造成高的有效磁導(dǎo)率，反之，密度小，大量氣隙造成的高有效退磁場會導(dǎo)致粉芯難以磁化，從而引起有效磁導(dǎo)率的降低[8]。由圖3和圖4可見，適當(dāng)摻入細(xì)粉有助于提升粉芯的密度和有效磁導(dǎo)率。但細(xì)粉含量過多，會導(dǎo)致磁粉整體流動性會變差，不利于壓制成型，造成粉芯密度降低，并最終導(dǎo)致粉芯的有效磁導(dǎo)率下降。

圖3 不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯的有效磁導(dǎo)率隨頻率的變化關(guān)系Fig 3 Frequency dependences of effective permeability of gas-atomized Fe-Si-Al powder cores prepared with different fine powder mass ratios

試驗在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研試驗基地(北緯26°38′、東經(jīng) 106°48′，海拔 1 008 m)進行，試驗地土壤肥力均勻一致。2016年4月下旬播種，行距40 cm、株距10 cm，行長2 m，共播種30行。設(shè)保護行3行，每行隨機掛牌5株，共掛牌135株。對照每個品種播種1行。田間管理一致。

圖4 粉芯密度隨細(xì)粉含量的變化Fig 4 Density of gas-atomized Fe-Si-Al powder cores prepared with different fine powder mass ratios

圖5對比了不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯的直流偏置性能的變化?？梢?，隨著外加磁場的增大，所有粉芯的有效磁導(dǎo)率百分比均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，這是由于粉芯逐漸磁化趨向飽和導(dǎo)致的。隨著細(xì)粉含量的增多，粉芯的直流偏置性能表現(xiàn)出與有效磁導(dǎo)率及密度相反的變化趨勢，即先降低后升高。當(dāng)細(xì)粉含量在30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，粉芯具有相對最低的直流偏置性能。粉芯的直流偏置性能由其抵抗外磁場磁化的能力直接決定，粉芯越難磁化，其直流偏置性能越強。顯然，對于相同合金成分的粉芯而言，由氣隙決定的有效退磁場是影響直流偏置性能的主要因素。如前所述，粉芯密度越高，氣隙越少，有效退磁場越低，粉芯越易磁化，因此直流偏置越低。

圖5 不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯的直流偏置性能Fig 5 DC-bias performances of gas-atomized Fe-Si-Al powder cores prepared with different fine powder mass ratios

凡其光明正大，疏暢洞達，如青天白日，如高山大川，如雷霆之為威而雨露之為澤，如龍虎之為猛而麟鳳之為祥，磊磊落落，無纖芥可疑者，必君子也。 ……既定于內(nèi)，則其形于外者……于漢得丞相諸葛忠武侯，于唐得工部杜先生、尚書顏文忠公、侍郎韓文公，于本朝得故參知政事范文正公。 此五君子，其所遭不同，所立亦異，然求其心則皆所謂光明正大、疏暢洞達、磊磊落落而不可掩者也。 其見于功業(yè)文章，下至字畫之微，蓋可以望之而得其為人。[6]3641

2.3 損耗分離研究

為了進一步探索細(xì)粉含量對粉芯損耗影響的物理機制，我們對五組粉芯進行了損耗分離研究。根據(jù)Bertotti損耗模型，金屬軟磁粉芯的損耗(Pcv)主要包括磁滯損耗(Ph)與渦流損耗(Pe)，即Pcv=Ph+Pe=k1f+k2f2，其中，f是頻率，k1和k2分別是磁滯損耗系數(shù)和渦流損耗系數(shù)[9]。根據(jù)該公式，我們進行了損耗頻率特性曲線的擬合，得到了對應(yīng)于不同細(xì)粉含量粉芯的k1與k2，如圖6(b)所示。可見，k1隨著細(xì)粉含量的增多呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這與總損耗的變化趨勢完全一致，主要由粉芯內(nèi)部的有效退磁場的變化所決定；而k2隨著細(xì)粉含量的增多逐漸降低，這是因為渦流正比于顆粒尺寸的平方，細(xì)粉比例的增高可以有效減小粉芯內(nèi)部的渦流，從而導(dǎo)致渦流損耗的下降。

圖6 (a)不同細(xì)粉含量的氣霧化鐵硅鋁粉芯在0.1 T磁通密度下的損耗隨頻率的變化、(b)損耗分離擬合得到的磁滯損耗系數(shù)k1與渦流損耗系數(shù)k2隨細(xì)粉含量的變化以及擬合計算得到的不同細(xì)粉含量氣霧化鐵硅鋁粉芯的(c)磁滯損耗與(d)渦流損耗隨頻率的變化Fig 6 Frequency dependences of core loss of gas-atomized Fe-Si-Al powder cores prepared with different fine powder mass ratios, dependences of the coefficients of hysteresis loss (k1) and eddy-current loss (k2) on the fine powder mass ratio, and frequency dependences of fitted hysteresis loss and fitted eddy-current loss of gas-atomized Fe-Si-Al powder core prepared with different fine powder mass ratios

根據(jù)Bertotti模型，利用擬合得到的k1和k2可以計算出不同頻率下的Ph和Pe。圖6(c)與圖6(d)分別示出了計算得到的不同細(xì)粉含量粉芯的磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe隨頻率的變化關(guān)系?？梢?，計算得到的磁滯損耗與渦流損耗隨細(xì)粉含量的變化規(guī)律與k1和k2的變化規(guī)律相同。在40～120 kHz的頻率范圍內(nèi)，粉芯的磁滯損耗遠(yuǎn)高于渦流損耗，這說明在小于120 kHz的頻率范圍內(nèi)，磁滯損耗占據(jù)主導(dǎo)作用，由此導(dǎo)致粉芯總損耗的變化趨勢與磁滯損耗完全一致。因此，在低于120 kHz的頻率范圍內(nèi)，降低粉芯總損耗，需要有效減小粉芯內(nèi)部的有效退磁場。根據(jù)上述討論可知，實現(xiàn)高密度是可以降低有效退磁場，從而實現(xiàn)粉芯損耗的降低。此外，由圖可見，隨著頻率的增加，渦流損耗較磁滯損耗呈現(xiàn)出更快的上升速度，但是細(xì)粉含量的增多可以有效抑制渦流損耗的增速，從而使得控制磁滯損耗的措施可以應(yīng)用于更寬的頻段。實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)磁滯損耗與渦流損耗在粉芯的應(yīng)用頻率及工作磁通密度下的占比來合理地選擇搭配降低損耗的措施，從而實現(xiàn)總損耗的降低。

高892塊油藏為灘壩沙多薄層儲層，測井解釋滲透率（0.6～4）×10-3μm2，為特低滲儲層。高892塊沙四段油藏呈多層發(fā)育，與濱660塊相比，油層縱向分布更散、層間應(yīng)力差異更大；儲層均衡改造難度更大。

3 結(jié) 論

本文利用環(huán)氧樹脂/氧化硅復(fù)合包覆工藝制備了細(xì)粉含量不同的氣霧化鐵硅鋁粉芯。SEM分析表明磁粉表面包覆有連續(xù)致密的絕緣層，有效保證了粉芯有效磁導(dǎo)率在1～1500 kHz頻率范圍內(nèi)均具有較好的頻率穩(wěn)定性。磁性能測量表明，隨著細(xì)粉含量的增多，粉芯的磁導(dǎo)率與損耗呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，直流偏置性能呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。粉芯密度所反映的有效退磁場可以合理解釋磁性能的變化規(guī)律?；贐ertotti模型，本文對粉芯損耗進行了分離研究，研究發(fā)現(xiàn)：對于本文研究的氣霧化鐵硅鋁粉芯，在低于120 kHz的頻率范圍內(nèi)，磁滯損耗遠(yuǎn)高于渦流損耗，粉芯的總損耗主要由磁滯損耗決定。由此說明：對于絕緣良好的軟磁粉芯，其低頻磁性能主要受有效退磁場影響；而添加細(xì)粉能夠有效抑制粉芯內(nèi)部的渦流，適量細(xì)粉的加入有助于同時減小粉芯的磁滯損耗與渦流損耗，從而實現(xiàn)總損耗的降低。