1 前言

Fe基軟磁復(fù)合材料具有高的磁導(dǎo)率、低的渦流損耗和總損耗，作為電抗器、變壓器、電感器、濾波器、調(diào)頻扼流圈及開關(guān)電源的鐵芯部分，廣泛地應(yīng)用于電訊、雷達、電視、電源等技術(shù)中，它的工作頻率可以從幾十赫茲到兆赫茲量級[1,2]。金屬磁性粉末的絕緣包覆是該類磁體制備的一個重要工序。絕緣包覆層分為兩個主要的類型：無機物包覆層和有機物包覆層。無機包覆層又可細分為金屬氧化物包覆層(如Al2O3、MgO、Fe2O3等)、磷酸鹽包覆層(如磷酸鋅、磷酸鐵和磷酸錳等)和硫化物包覆層等[3-6]。有機物包覆層包括熱塑性包覆層和熱固性包覆層[1,7]。新發(fā)展起來一種磁性物質(zhì)作為包覆劑，如MnZn鐵氧體、NiZn鐵氧體、Ni鐵氧體等[8-12]。由于這些包覆物為磁性物質(zhì)，最大的優(yōu)點是避免了非磁性物質(zhì)對磁性物質(zhì)磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強度的大幅度降低。此外，如MnZn、NiZn鐵氧體本身是軟磁材料，具有較高的電阻率，在高頻下應(yīng)用[13,14]。因而采用鐵氧體軟磁材料作為包覆劑除了可以保留較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度外，還可以提高Fe基軟磁復(fù)合材料的應(yīng)用頻率，具有高頻穩(wěn)定性。

本研究以NiZn鐵氧體作為包覆劑，以氯化鹽作為原料，采用化學(xué)共沉淀法制備NiZn鐵氧體并在溶液中完成對純Fe粉的包覆。進一步將所得包覆粉末進行壓制成形和熱處理，獲得所需要的軟磁復(fù)合材料。研究了NiZn鐵氧體的含量、熱處理氣氛及溫度等參數(shù)對磁體性能和顯微組織的影響。

2 實驗

表1為實驗所用試劑，其中包括氯化鐵、氯化鎳、氯化鋅、氫氧化鉀溶液，以上試劑均為分析純。各化學(xué)試劑FeCl3﹒6H2O、NiCl2﹒6H2O、ZnCl2和KOH量按共沉淀反應(yīng)式(1)進行配比。磁性金屬粉末為霸州宏升生產(chǎn)平均粒度31μm的霧化鐵粉。制備25克包覆粉末，包覆劑Ni0.5Zn0.5Fe2O4為4wt%，則需要配比的各化學(xué)試劑量見表1所示。

表1 實驗試劑

將稱量好的試劑FeCl3﹒6H2O、NiCl2﹒6H2O和ZnCl2溶于75 ml去離子水中，用玻璃棒攪拌混合均勻制成溶液A。同時將試劑KOH溶于75 ml去離子水中，混合均勻制成堿溶液B。另外，將相應(yīng)量的鐵粉加入300 ml的去離子水中，得到懸濁液C。至此完成反應(yīng)前的準備工作。反應(yīng)時，將制備好的溶液A和堿溶液B同時以約5 ml/min的速度滴入懸濁液C中，同時用機械攪拌器對懸濁液C不斷進行攪拌，使其充分反應(yīng)，約15分鐘反應(yīng)結(jié)束后，靜置使其沉淀，并多次用去離子水沖洗沉淀物，直至PH值為7。

將上述所得懸濁液倒入蒸發(fā)皿中，放入干燥箱中進行烘干，烘干溫度設(shè)定為200℃，保溫時間為5小時。冷卻后進一步將烘干的粉末倒入研缽中進行研磨，直至粉末完全分散為止。

在粉末中添加0.6%的硬脂酸鋰潤滑劑，隨后在800 MPa的壓力下壓制成尺寸為Φ21.1 mm×Φ12.9 mm×4.9 mm的環(huán)形磁芯。將壓制好的壓坯放于馬弗爐中于500℃保溫60min，隨后冷卻至室溫。

通過掃描電鏡對Fe粉、包覆粉末和熱處理磁體進行形貌觀察，并采用能譜儀對Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4包覆粉末和磁環(huán)樣品進行元素成分分析。對包覆粉末使用XRD和傅里葉紅外光譜進行了物相分析。采用LCR1062A電感表間接測定材料在不同頻率(2 kHz、10 kHz、50 kHz、100 kHz、200 kHz)的磁導(dǎo)率。損耗在VR152測試儀上完成。

3 結(jié)果與討論

3.1共沉淀法NiZn鐵氧體包覆Fe粉特征

圖1為純Fe粉及包覆粉末的掃描電鏡形貌圖，對比圖1中a、b兩圖可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)包覆的鐵粉顆粒擁有光滑的表面，而圖b的Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4軟磁復(fù)合材料粉末的表面能夠清晰的看出包覆有細小的顆粒，同時也有一些較大的散落顆粒。因此采用化學(xué)共沉淀法可成功地在純Fe粉顆粒表面包覆了一層物質(zhì)。

圖1 純鐵粉包覆前后的SEM圖，a)鐵粉顆粒b)Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4粉末

進一步對所包覆的粉末進行能譜分析，圖2為Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4軟磁復(fù)合粉末表面EDS圖。由圖可見，包覆粉末的表面含有鐵、氧、鎳、鋅等元素，這些元素正是NiZn鐵氧體的主要成分。

圖2 Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4軟磁復(fù)合材料的表面成分EDS圖

圖3為通過化學(xué)共沉淀法制備的由質(zhì)量分數(shù)4%鎳鋅鐵氧體包覆的軟磁復(fù)合材料的X射線衍射分析圖。進一步對包覆粉末進行XRD分析，由圖可見，在35.5°、56.8°和62.8°處出現(xiàn)明顯的尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體特征峰，其分別對應(yīng)的晶面指數(shù)為(311)、(511)和(400)，同時結(jié)合上文的表面成分能譜分析，可以判斷，包覆于鐵粉表面的細小顆粒為化學(xué)共沉淀法制備的鎳鋅鐵氧體。

圖3 Fe/Ni0.5Zn0.5Fe2O4軟磁復(fù)合材料粉末的XRD圖

圖4為包覆粉末的紅外光譜吸收譜。由圖4可見，3420 cm-1和1620 cm-1 波段吸收峰對應(yīng)的是O-H伸縮振動和H-OH彎曲振動，2920 cm-1對應(yīng)的是C-H2改性的C-H伸縮振動，2850 cm-1對應(yīng) CH2收縮振動，2360 cm-1對應(yīng)的是空氣中的二氧化碳振動峰，1320 cm-1是CH3彎曲振動峰，552 cm-1為無機鹽吸收峰，為鐵的氧化物吸收峰。表明包覆后的粉末表面除了水氣等物質(zhì)外，就是鐵的氧化物。

圖4 包覆粉末的紅外光譜分析

3.2 熱處理后磁體的磁性能和顯微組織

所得軟磁復(fù)合材料的磁性能如表2所示。由表可見，熱處理后軟磁復(fù)合材料的磁導(dǎo)率比壓坯的要高，而損耗卻明顯地降低。磁體在2kHz-200kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的升高，磁導(dǎo)率具非常穩(wěn)定(從32.8到34.7之間)，沒有出現(xiàn)異常減小的現(xiàn)象。磁損耗一般包括三部分：一是磁滯損耗，與測試的頻率成正比;二是渦流損耗，與磁體的電阻率成反比，與頻率的平方成正比;三是剩余損耗，這部分比較復(fù)雜，但通常比較小。因此隨著頻率的升高，磁損耗Pcv升高得很快。

圖5為500℃空氣處理60min后磁體的SEM圖。由圖可見，磁體在該溫度處理后具有完整而較為均勻的絕緣層。進一步對所觀察到的絕緣層進行能譜分析，如圖6所示。從圖中可以看出，較大的顆粒為基體金屬純鐵，不含有其他元素(如圖6a);顆粒邊界(深色部分)的靠近Fe顆粒部分含有Fe和氧元素(如圖6b);而中間區(qū)域含有的元素為鐵、氧、鎳、鋅(如圖6c)。由此可見，由于磁體是在空氣中進行熱處理，在空氣氣氛下，隨著熱處理的進行，氧氣可通過絕緣層的表層逐漸滲透到Fe顆粒表面，或者Fe顆粒從邊界的包覆層鐵氧體中直接獲得氧離子而生成鐵的氧化物[15]。因此上述兩者原因均可在Fe顆粒和NiZn鐵氧體包覆層之間形成一個薄層的鐵氧化物過度區(qū)。此過度區(qū)域只含有Fe和氧，不含有Ni和Zn元素等其他元素。

圖5 500℃空氣中熱處理后樣品的SEM圖.

圖6 空氣氣氛下500℃熱處理后樣品的EDS圖

由于純鐵和鐵氧體與氣氛的反應(yīng)條件不同，熱處理環(huán)節(jié)中的氣氛對熱處理后的磁體成分和性能具有非常重要的影響。空氣氣氛有助于防止鐵氧體還原卻可能使純鐵氧化。因此，過高的熱處理溫度和過長的保溫時間有可能會降低軟磁復(fù)合材料的飽和磁感應(yīng)強度，這是因為部分純Fe氧化生產(chǎn)鐵的氧化物，鐵的氧化物的飽和磁感應(yīng)強度均比純Fe低。所以熱處理氣氛對于NiZn鐵氧體包覆的Fe軟磁復(fù)合材料具有非常重要的作用。

4 結(jié)論

(1)化學(xué)共沉淀法能夠較好地完成的鐵氧體制備和包覆純Fe粉的過程，所得包覆層均勻，為尖晶石結(jié)構(gòu)的NiZn鐵氧體。

(2)磁體經(jīng)空氣氣氛500℃下熱處理后，在純Fe顆粒和鐵氧體絕緣層之間形成了一鐵的氧化物過度區(qū)。所得磁體磁性能在2kHz-200kHz頻率范圍內(nèi)均有較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。

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