一种金属软磁复合材料的绝缘包覆方法、金属软磁复合材料

摘要

本发明提供一种金属软磁复合材料的绝缘包覆方法、金属软磁复合材料。本发明的金属软磁复合材料的绝缘包覆方法，将正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷混合后加入到无水乙醇中，第一次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～30分钟，加入软磁金属粉体，搅拌5～30分钟，第二次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～20分钟，最后滴加足量的水，继续搅拌5～60分钟，过滤，干燥，获得绝缘包覆粉体。本发明通过逐渐加入水促使正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷逐步水解缩合，在软磁金属粉体表面包覆了一层交联密度梯度变化的绝缘层，压制成型、退火后，获得的金属软磁复合材料具有绝缘、低涡流损耗等性能。

说明书

技术领域

本发明属于软磁材料技术领域，涉及一种金属软磁复合材料的绝缘包覆方法、金属软磁复合材料。

背景技术

电气设备的小型化要求软磁体在高频下工作，但软磁体的绝缘性差，导致了高的涡流损耗。因此，提出了绝缘性高的软磁复合材料SMC。一种SMC的制备方法是采用有机或无机材料包覆软磁颗粒产生绝缘包覆层，提高SMC的电阻。为了更好的磁性能，要求SMC材料在高温(通常达到700℃以上)下退火，有机材料的耐热性不够，无机材料，比如二氧化硅、氧化铝、氧化锌等耐热性较高，但是在绝缘包覆上仍然存在问题，比如包覆层与金属粉的结合力不高、包覆不均匀、压制成型时包覆破损等，这些都会导致SMC的性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种金属软磁复合材料的绝缘包覆方法。

本发明的另一个目的在于提供一种金属软磁复合材料。

本发明的技术方案如下：本发明采用控制硅烷逐步水解缩合的方法，逐步在软磁金属粉体表面包覆上绝缘层。具体是，将正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷混合后加入到无水乙醇中，第一次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～30分钟，加入软磁金属粉体，搅拌5～30分钟，第二次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～20分钟，最后滴加足量的水，继续搅拌5～60分钟，过滤，清洗，干燥，获得绝缘包覆粉体。

本发明的原理是这样：本发明通过控制水的加入量，第一次加入不足量的水，正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷不完全水解，水解产生的硅羟基可以和软磁金属粉体反应，也可以自身缩合反应，但由于水解不完全，形成的Si-O-Si三维网络结构的包覆层交联密度较低，因此柔韧性较好，和软磁金属粉体的附着力也较高；第二次加入不足量的水，由于包覆层的存在，水无法完全渗透包覆层，因此，包覆层中靠近软磁金属粉体(即包覆层的内表面)的烷氧基继续水解缩合较少，而远离软磁金属粉体(即靠近包覆层外表面)的烷氧基继续水解缩合较多，因此，靠近包覆层外表面的Si-O-Si三维网络结构的包覆层交联密度提高，但靠近包覆层内表面的Si-O-Si三维网络结构的包覆层交联密度变化较少，仍然维持较低的交联密度；继续加入水，如上述的分析，靠近包覆层外表面的烷氧基继续水解缩合直至达到较为完全的水解缩合，交联密度继续提高，而包覆层靠近内表面的交联密度变化较小。因此，本发明形成的绝缘包覆层是一种交联密度梯度变化的包覆层，由内而外，交联密度逐渐提高。

本发明的有益效果是：本发明通过逐步加入水的量控制正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷的水解缩合，在软磁金属粉体表面形成了交联密度梯度变化的多层包覆层，与软磁金属粉体结合的最里层交联密度低，柔韧性好，与软磁金属粉体的结合力好，中间层的交联密度适中，最外层的交联密度高、刚性大。因此在压制成型时能抵抗一定程度的变形，破损少，退火时在高温下会继续促进交联反应的进行，交联密度梯度变化的多层包覆层会趋于形成交联密度更大并且内外一致的二氧化硅包覆层，绝缘性好。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

本发明提出一种金属软磁复合材料的绝缘包覆方法，将正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷混合后加入到无水乙醇中，第一次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～30分钟，加入软磁金属粉体，搅拌5～30分钟，第二次滴加不足量的水，滴加完搅拌2～20分钟，最后滴加足量的水，继续搅拌5～60分钟，过滤，清洗，干燥，获得绝缘包覆粉体；

本发明中，所用的三烷氧基硅烷的结构通式为R

本发明中，第一次滴加不足量的水后获得的混合溶液与加入的软磁金属粉体的重量比1:3～0.1。

在本发明优选的方案中，所述三烷氧基硅烷和正硅酸乙酯的摩尔比为0～0.1:1。在更优选的方案中，摩尔比为0～0.03:1。

在本发明优选的方案中，所述第一次滴加不足量的水，所滴加的水的摩尔量为所述正硅酸乙酯和所述三烷氧基硅烷完全水解理论上需要最低的水摩尔量的20～40％。

在本发明优选的方案中，所述软磁金属粉体选自Fe粉、Fe-Si粉、Fe-Si-Al份、Fe-Ni粉、Fe-Co粉和Fe-Al粉中的一种。本发明中，软磁金属磁粉的平均粒径优选20～300μm。

在本发明优选的方案中，所述第二次滴加不足量的水，所滴加的水的摩尔量为所述正硅酸乙酯和所述三烷氧基硅烷完全水解理论上需要最低的水摩尔量的30～40％。

在本发明优选的方案中，所述滴加足量的水，使得所述正硅酸乙酯和所述三烷氧基硅烷理论上完全水解。

在本发明更优选的方案中，所述滴加足量的水，所滴加的水的摩尔量不超过所述正硅酸乙酯和所述三烷氧基硅烷理论上完全水解所需最低的水摩尔量的3倍。

本发明中，假设正硅酸乙酯和三烷氧基硅烷完全水解所需的最低水的摩尔数为x，则第一次滴加不足量的水的水加入量为(0.2-0.4)x；第二次滴加不足量的水的水加入量为(0.3-0.4)x；最后滴加足量的水使得总共加入的水的量不低于x，但是最好是不超过3x。

以正硅酸乙酯为例，正硅酸乙酯完全水解是结构中的4个乙氧基全部水解成羟基，反应式如下述式(1)示意，

Si(OCH

(1)

因此，1mol正硅酸乙酯理论上完全水解所需的最低的水量为4mol。

对于三烷氧基硅烷，同样如此，完全水解是结构中的3个烷氧基全部水解成羟基。因此，1mol三烷氧基硅烷理论上完全水解所需的最低的水量为3mol。

本发明还提出一种金属软磁复合材料，按以下方法制备，在上述任一实施方案所述的绝缘包覆方法获得的绝缘包覆粉体中加入润滑剂，搅拌均匀，压制成型，氮气或惰性气体中退火，获得所述软磁复合材料。本发明中，压制压力900～2500MPa，比如可以先在900～1800MPa下预压20～40s，再在1300～2500MPa下压制30～60s。

在本发明优选的方案中，所述润滑剂选自硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸、硬脂酸钡、硬脂酸钙、二硫化钼和聚乙二醇中的至少一种，所述润滑剂使用量为所述多层包覆粉体重量的0.1～0.5％。

在本发明优选的方案中，所述退火为在100～900℃处理100～300分钟。退火工艺可以更具体为：100～150℃保温20～30min，升温至200～250℃保温30～60min，继续升温至350～400℃保温30～60min，再升温至600～900℃保温30～120min。

以下根据各实施例对本发明的技术方案更进一步进行描述和说明。如无特别指明，以下各实施例中所述份数为重量份数。

实施例1

0.1mol正硅酸乙酯和0.002mol甲基三甲氧基硅烷混合后加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.085mol去离子水，滴加完搅拌25分钟，加入80g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌20分钟，第二次滴加0.13mol去离子水，滴加完搅拌15分钟，最后滴加0.6mol去离子水，继续搅拌40分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例2

0.1mol正硅酸乙酯和0.004mol甲基三甲氧基硅烷混合后加入到220g无水乙醇中，第一次滴加0.09mol去离子水，滴加完搅拌30分钟，加入180g丙酮除油后的平均粒径190μm的Fe-Si-Al粉，搅拌25分钟，第二次滴加0.14mol去离子水，滴加完搅拌15分钟，最后滴加0.7mol去离子水，继续搅拌60分钟，过滤，无水乙醇清洗，50℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例3

0.1mol正硅酸乙酯加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.11mol去离子水，滴加完搅拌12分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌17分钟，第二次滴加0.15mol去离子水，滴加完搅拌15分钟，最后滴加0.85mol去离子水，继续搅拌40分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例4

0.1mol正硅酸乙酯和0.002mol甲基三乙氧基硅烷混合后加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.15mol去离子水，滴加完搅拌25分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌28分钟，第二次滴加0.15mol去离子水，滴加完搅拌18分钟，最后滴加0.8mol去离子水，继续搅拌30分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例5

0.1mol正硅酸乙酯和0.006mol甲基三乙氧基硅烷混合后加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.14mol去离子水，滴加完搅拌20分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径190μm的Fe-Si粉，搅拌20分钟，第二次滴加0.16mol去离子水，滴加完搅拌20分钟，最后滴加1.5mol去离子水，继续搅拌60分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例6

在实施例5中，以平均粒径200μm的铁粉代替Fe-Si-Al粉，其余步骤保持一致，获得绝缘包覆粉体。

对比例1

0.1mol正硅酸乙酯加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.15mol去离子水，滴加完搅拌12分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌20分钟，第二次滴加1mol去离子水，继续搅拌40分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

对比例2

0.1mol正硅酸乙酯加入到200g无水乙醇中，滴加1.15mol去离子水，滴加完搅拌12分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌60分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

对比例3

0.1mol正硅酸乙酯和0.002mol甲基三乙氧基硅烷混合后加入到200g无水乙醇中，第一次滴加0.25mol去离子水，滴加完搅拌25分钟，加入120g丙酮除油后的平均粒径200μm的铁粉，搅拌28分钟，第二次滴加0.8mol去离子水，继续搅拌50分钟，过滤，无水乙醇清洗，60℃干燥，再100℃干燥，获得绝缘包覆粉体。

实施例1-4及对比例1-3的绝缘包覆粉体中分别加入粉体重量0.3％的硬脂酸锌，搅拌均匀，分别在850MPa下预压38s、再在2100MPa下压制37s进行压制成型，再分别在氮气中100℃保温30min，升温至230℃保温40min，继续升温至420℃保温40min，最后升温至725℃保温120min，降温，分别获得金属软磁复合材料。待测软磁复合材料按以下测试方法进行测试：对压环绕线进行性能测试，初级线圈和次级线圈各10匝。电感用电感测试仪在1MHz下测试，磁导率用阻抗测试仪在1MHz测试，品质因素采用阻抗测试仪在1MHz测试，总损耗用交流B-H仪在100mT和100KHz条件下测试，表面电阻率采用四探针电阻仪测试。性能测试如表1所示。

表1

因此，软磁金属粉体经过本发明的绝缘包覆方法包覆获得的绝缘包覆粉体，压制成型、退火后获得的金属软磁复合材料绝缘性较好、在高频下的涡流损耗低、品质因素高。

如上所述，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。