摘要
铁基软磁粉芯在电磁转换、传递以及存储方面占据着不可或缺的地位。其中非晶粉芯具备饱和磁感应强度高，宽频条件下磁导率稳定性好，电阻率高，损耗低等优点，且价格较坡莫和钼坡莫粉芯低廉，成为21世纪具备广泛应用前景的一种软磁材料。然而在现有磁芯大功率应用环境中，软磁材料在受到高频交流电磁化的同时，还受到直流分量对其产生的叠加影响。在这种存在大直流偏置电流的情况下，软磁材料易达到饱和，导致磁导率、损耗、品质因数等参数性能受到极大的负面影响。因此，在保证非晶粉芯具备低损耗的同时，具备高直流偏置性能也是适用于高频大电流器件的关键。本研究主要从以下几个方面，探究非晶粉芯集成过程调控对直流偏置及软磁性能的影响。 (1)首先探究成型过程中的压制压强和退火温度对FeSiBPNbCr非晶粉芯性能的影响。发现了该过程是随着压制压强的提高，磁导率随之上升并且损耗下降，而直流偏置性能不断提高，软磁性能逐渐优化。但当压强过大时对模具造成轻微损伤，因此通过实验的结果认为压制压强为1800MPa时可获得较理想的过程条件。另外，通过对温度的调控，得到最佳的退火温度在460℃附近。 (2)通过在环氧树脂(EP)基质中嵌入纳米Al2O3颗粒，成功研制了高充填量Al2O3/EP纳米复合包覆层，并由此制备了相应的非晶粉芯。Al2O3的高热稳定性有利于提升粉芯电阻，降低涡流损耗。研究结果表明，当Al2O3含量为纳米复合包覆层总量的50％时，非晶粉芯损耗大幅度降低39％，同时品质因数提高13％，而磁导率仍维持在较高水平。 (3)成功开发了化学气相沉积法在非晶磁粉的应用，通过化学气相沉积可在非晶磁粉表面沉积60～240nm均匀且致密的Parylene包覆层，Parylene材料较高的热稳定性、绝缘性及超低的动态摩擦系数可有效提高粉芯的电阻率及生胚密度。当Parylene厚度为240nm时，与环氧树脂包覆相比较，由Parylene包覆的非晶粉芯生胚密度提高2％、饱和磁感应强度提高8.5％，直流偏置性能提高24％且损耗降低12％。 (4)通过复合具有高饱和磁感应强度的FeCo粉，成功制备了非晶/FeCo复合粉芯。FeCo磁粉的饱和磁感应强度高达2.35T，可有效提高粉芯饱和磁感应强度及直流偏置性能，同时采用高充填量Al2O3/EP纳米复合包覆可进一步降低损耗。结果表明，当FeCo含量为磁粉总量的30％时，相比较于纯非晶粉芯，复合粉芯的饱和磁感应强度提高35％，直流偏置性能提高24％，而损耗保持在较低水平。 (5)本研究将非晶粉芯集成过程调控对直流偏置及软磁性能的影响机理做了相应的理论分析和探讨。认为提高粉芯整体饱和磁感应强度，包括提高压制压强和复合晶态粉体，均有利于提高粉芯的直流偏置及软磁性能。优化包覆层结构，采用高耐热、致密且均匀的包覆层，可有效阻断颗粒间涡流通路，降低损耗;并提高粉芯内部退磁场阻碍磁化，提升粉芯的直流偏置性能。 (6)根据研究优选的过程条件，试制了工业化规格的实验室样品，性能超越现有的铁、铁硅、铁硅铝粉芯，成本低于铁镍及铁镍钼粉芯，具有非常可行的应用前景，是中高频电磁设备的潜在候选者。
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