溶膠凝膠包覆放電等離子燒結(jié)制備Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料

曲曉靜，　趙占奎

(長春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春　130012)

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溶膠凝膠包覆放電等離子燒結(jié)制備Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料

曲曉靜，趙占奎*

(長春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春130012)

摘要：采用溶膠凝膠法在Fe-6.5Si顆粒表面包覆了一層MgO絕緣殼層，并通過放電等離子技術(shù)(SPS)制備了Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料。經(jīng)SPS燒結(jié)后制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的軟磁性能及力學(xué)性能，F(xiàn)e-6.5Si/MgO復(fù)合材料的電阻率較Fe-6.5Si原始粉末提高了30倍，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=1.498T；MgO顆粒形成了3D空間結(jié)構(gòu)，使Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)合材料具有較高的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)1 075MPa。

關(guān)鍵詞：溶膠凝膠法； 放電等離子燒結(jié)； 結(jié)構(gòu)； 性能

0引言

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，Hadffeld等人研究出Fe-Si合金即硅鋼片，成為歷史上第一種應(yīng)用于交變強(qiáng)磁場的軟磁材料。特別是Fe-6.5Si不僅保持高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率，還具有零磁致伸縮特性以及一定的電阻率[1]。軟磁性復(fù)合材料(SoftMagneticComposites，SMCs)[2]是在鐵磁性粉末顆粒表面包裹絕緣介質(zhì)后，采用粉末冶金工藝壓制成所需形狀得到的體材料。它綜合了金屬軟磁材料和軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)，具有Bs高、電阻率大的特點(diǎn)，在kHz～MHz范圍具有低的功率損耗。近來很多研究探討不同絕緣工藝[3-5]及成型工藝[6-9]對SMCs鐵芯的絕緣特性及軟磁性能的影響。日本日立金屬的Ishihara[3]發(fā)現(xiàn),由金屬(含堿金屬、堿土金屬、稀土)氟化物構(gòu)成的絕緣覆膜擴(kuò)散率低，高溫絕緣性好。伊朗Shiraz大學(xué)的Janghorbana磷化物-硅烷雙層覆膜[4]能使材料的熱處理溫度達(dá)到500 ℃。我國南昌大學(xué)的朱正吼[5]及其課題組用鐵氧體溶膠法在Finemet粉末表面包覆了MnZn鐵氧體，500 ℃熱處理的材料在500kHz工作頻率下磁導(dǎo)率達(dá)到60，Q值為51。成型方法上除慣用的冷壓法外，文獻(xiàn)[6]報(bào)道了爆炸法及溫壓法[7-9]。文中通過溶膠凝膠法在Fe-6.5Si粉末表面均勻包覆一層MgO絕緣層，經(jīng)放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備了Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料，并對其微觀結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。

1實(shí)驗(yàn)方法

篩選出顆粒大小為20～45μm的Fe-6.5Si微米粉末，0.05mol乙醇鎂、0.25mol去離子水、0.85mol無水乙醇室溫下攪拌混合10min，然后加入0.02mol,pH=9的氨水作為水解催化劑，80 ℃下回流至凝膠形成。在螺旋攪拌器中將上述FeSi粉末與1.5wt%的凝膠進(jìn)行混合，直至溶劑完全揮發(fā)，包覆粉末于空氣中70 ℃干燥12h，將干燥的粉末預(yù)壓后置于放電等離子燒結(jié)機(jī)(Dr.SINTER.SPS-625)中進(jìn)行燒結(jié)：使用WC硬質(zhì)合金模具和壓頭；燒結(jié)溫度(Ts)為550 ℃；升溫速率(νu)選擇為100 ℃/min；保溫時(shí)間(ts)為0min；壓力(P)為500MPa。燒結(jié)后的試樣直徑為15mm，高3mm。

用日本SUPRA40高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察顆粒表面形貌及燒結(jié)后的復(fù)合樣品的組織結(jié)構(gòu)特征。AT-512電阻儀測量燒結(jié)后樣品的電阻值。通過振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM,LakeShore7404)測定磁性能?？箟簭?qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變曲線通過萬能力學(xué)檢測設(shè)備WDW-200B檢測，應(yīng)變速率為5×10-3/s。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1顯微結(jié)構(gòu)分析

包覆粉末微觀結(jié)構(gòu)及成分如圖1所示。

(a) 包覆前原始Fe-6.5Si/MgO粉末

(b) 包覆后Fe-6.5Si/MgO粉末

(c) 經(jīng)SPS燒結(jié)后的Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料

(d) 經(jīng)SPS燒結(jié)后的Fe-6.5Si/MgO微胞軟磁復(fù)合材料面掃描能譜分析

從圖1(a)可見，包覆前原始Fe-6.5Si粉末顆粒呈球形，顆粒尺寸20～45μm；從圖1(b)可以看出，燒結(jié)前Fe-6.5Si粉末表面被MgO粉末包覆，F(xiàn)e-6.5Si粉末表面絨毛狀物質(zhì)為MgO粉末，包覆均勻，效果良好。從圖1(c)和(d)可見，包覆后粉末經(jīng)放電等離子燒結(jié)后形成了具有微胞結(jié)構(gòu)的Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)合材料，胞體為Fe-6.5Si顆粒，胞壁為MgO殼層，MgO陶瓷胞壁致密均勻，厚度約為1.0～2.0μm，與胞體結(jié)合緊密。可見采用溶膠凝膠法可實(shí)現(xiàn)Fe-6.5Si粉末的化學(xué)包覆，包覆層均勻穩(wěn)定。軟磁復(fù)合材料絕緣層包覆途徑主要分為兩大類：

1)物理法。球磨機(jī)械合金化、物理氣相沉積法、手工研磨法；

2)化學(xué)法[10]。包括化學(xué)沉積法(CVD)[11]、溶膠凝膠[12]、磷化處理法[12]、表面氧化氮化法[13]等。

物理方法包覆層與合金基體間結(jié)合較差，且附著不均勻，容易脫落，而化學(xué)方法整個(gè)過程在液相化學(xué)反應(yīng)中進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)包覆層與基體間的均勻穩(wěn)定結(jié)合。

2.2性能分析

純Fe-6.5Si,MgO,Fe-6.5Si/MgO復(fù)合材料電磁性能比較見表1[14]。

表1　純Fe-6.5Si,MgO,Fe-6.5Si/MgO復(fù)合材料電磁性能比較

由表1可見，與Fe-6.5Si原始粉末相比，F(xiàn)e-6.5Si/MgO復(fù)合材料的電阻率提高了30倍，這是由于包覆層MgO為良好的電絕緣體，經(jīng)化學(xué)包覆后在Fe-6.5Si顆粒表面形成穩(wěn)定均勻的絕緣殼層，明顯提高了復(fù)合材料的電阻率，同時(shí)由于MgO添加量較少，故飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度無明顯降低，具有優(yōu)異的軟磁性能。

燒結(jié)后Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)合材料的真實(shí)應(yīng)力和應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2　 燒結(jié)后Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)

從圖2中可以看出，軟磁復(fù)合材料具有較高的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)1 075MPa，主要有以下3個(gè)因素：

1)在燒結(jié)過程中MgO顆粒形成了3D空間的空間結(jié)構(gòu)，而這樣的空間結(jié)構(gòu)具有較高的抗壓強(qiáng)度[15]；

2)每個(gè)Fe-6.5Si粉末塑性變形和損壞被連續(xù)的3D的MgO顆粒約束[16]；

3)陶瓷和合金有較高的結(jié)合強(qiáng)度。

這也反映了在SPS工藝過程能夠得到較高結(jié)合強(qiáng)度的微胞軟磁復(fù)合材料，為制備軟磁復(fù)合材料提供了新的途徑。

3結(jié)語

采用溶膠凝膠法實(shí)現(xiàn)了Fe-6.5Si粉末的化學(xué)絕緣包覆，并通過SPS技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行燒結(jié)，形成具有微胞結(jié)構(gòu)的Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)合材料，MgO陶瓷胞壁致密均勻，厚度約為1.0～2.0μm，與胞體結(jié)合緊密。所得軟磁復(fù)合材料電磁性能及機(jī)械性能優(yōu)異：

1)包覆層MgO為良好的電絕緣體，在Fe-6.5Si顆粒表面形成了均勻穩(wěn)定的絕緣殼層，F(xiàn)e-6.5Si/MgO復(fù)合材料的電阻率較Fe-6.5Si粉末提高了30倍。

2)經(jīng)SPS燒結(jié)后，MgO顆粒形成了3D空間結(jié)構(gòu)，使Fe-6.5Si/MgO軟磁復(fù)合材料具有較高的彈性模量和抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度最高達(dá)1 075MPa，為制備軟磁復(fù)合材料提供了新的途徑。

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Fe-6.5Si/MgOMicri-cellulerSoftMagneticComposites(SMCs)preparedwithSo-gelandSPS

QUXiao-jing,ZHAOZhan-kui*

(SchoolofMaterialsScience&Engineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012，China)

Abstract：TheMgOinsulationlayersarecoatedonthesurfaceofFe-6.5Siparticlesbysol-gelmethod,andFe-6.5Si/MgOmicro-cellularsoftmagneticcompositesarepreparedwithSparkPlasmaSintering(SPS).Thepreparedcompositesdemonstrateexcellentsoftmagneticandmechanicalproperties:theelectricresistivityofthecompositesis30timeshigherthanthatoforiginalFe-6.5Sipowder;thesaturablemagneticintensityBs=1.498T. 3DstructureisformedbyMgO,whichmaketheFe-6.5Si/MgOhavestrongelasticmodulusandcompressivestrength.Themaximumcompressivestrengthisupto1 075MPa

Keywords：sol-gelmethod;SparkPlasmaSintering(SPS);microstructure;properties..

中圖分類號：TB383

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1374(2015)02-0130-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.2.03

作者簡介：曲曉靜(1988-)，女，漢族，山東煙臺人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事軟磁性復(fù)合材料方向研究,E-mail:quxj1988@126.com. *通訊作者：趙占奎(1969-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事功能納米復(fù)合材料方向研究,E-mail:alloyz@sina.com.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51071034)

收稿日期：2014-07-12