退火溫度和環氧樹脂封裝對Fe78Si9B13非晶合金軟磁性能的影響

郭 斌，蔣達國

（井岡山大學1.現代教育技術中心；2.數理學院，吉安343009）

0 引 言

自1960年Duwez［1］教授采用快淬工藝制備非晶合金以來，非晶合金就以獨特的組織結構、高效的制備工藝、優異的材料性能［2］和廣闊的應用前景而受到了材料科學工作者的特別關注。

非晶合金的原子排列無序，不存在結晶學上的晶粒和晶界、位錯等缺陷，是一種具有均勻組織的材料，即不存在宏觀磁晶各向異性。所以，其磁導率、矯頑力等磁性參數主要取決于飽和磁致伸縮系數和內部的應力狀態。非晶合金在制備過程中由于急冷而在其內部產生了很大的內應力，Malkinski［3］估計這一應力可達到5～30MPa，這樣大的內應力會在磁致伸縮系數很大的鐵硅硼系非晶合金中產生大的磁彈耦合。因此，淬火態非晶合金的軟磁性能很低。要提高其軟磁性能，可以通過退火處理以消除在制備過程中產生的內應力，且退火溫度應足以使原子充分擴散而不產生晶化。

環氧樹脂具有良好的綜合力學性能、較高的粘合力、小的收縮率、良好的穩定性以及優異的電絕緣性能，作為涂料、膠粘劑、復合材料樹脂基體、電子封裝材料等在機械、電子、電器、航天、航空等領域得到了廣泛應用。

Fe78Si9B13非晶合金經退火處理后可以獲得優良的軟磁性能，但其脆性卻增大了，在使用過程中受到外力碰撞時會使磁芯的磁性能不穩定，甚至會破壞磁芯［4-6］，這就給后續加工帶來了很大困難，并在一定程度上限制了非晶磁芯的使用。另外，由于鐵基非晶合金的主要成分為鐵，在空氣或潮濕的環境中會被氧化，從而影響其軟磁性能和穩定性。

為解決經退火后鐵基非晶合金脆性增加以及被氧化的問題，作者采用單輥法制備了Fe78Si9B13非晶帶材，再將其繞制成環形磁芯，然后在不同溫度下對環形磁芯進行退火處理，最后采用環氧樹脂對其進行封裝，研究了退火溫度和環氧樹脂封裝對該非晶合金軟磁性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

采用單輥快淬法制備了寬為20mm、厚為25μm的Fe78Si9B13非晶帶材，用繞帶機將其繞制成外徑為40mm、內徑為25mm的環形磁芯，再用非晶點焊機將帶材末端焊接起來；然后將磁芯置于無磁不銹鋼管式氣氛電阻退火爐中進行退火處理，退火溫度分別為350，400，450，500℃，保溫時間為100min，退火后空冷，退火過程采用氬氣氣氛保護；將退火后的磁芯裝入護盤中，用漆包線在護盤上繞上初級線圈和次級線圈，磁芯的有效磁路長度為98.44mm，有效截面積為127.3mm2。

將環氧樹脂E-51、低分子聚酰胺650環氧樹脂固化劑、501環氧樹脂觸變劑、NDZ-101鈦酸酯偶聯劑按1∶1∶0.5∶0.02的質量比混合，充分攪拌均勻后制成環氧樹脂封裝膠；將經400℃×100min退火處理的Fe78Si9B13非晶磁芯放在封裝膠中充分浸泡后取出，在常溫下固化24h。

采用Bruker D-8型X射線衍射分析儀對退火前后的Fe78Si9B13合金進行物相分析，銅靶Kα輻射，石墨單色濾波器，特征波長為0.154nm，衍射角（2θ）范圍為10°～90°，步長為0.02°，工作電壓和電流分別為35kV和60mA；采用Q-600型同步熱分析儀對淬火態Fe78Si9B13非晶合金進行差熱分析，升溫速率為10℃·min-1，采用高純（99.99%）氬氣氣氛保護；采用MATS-2010SD型軟磁直流測試儀測Fe78Si9B13合金的直流軟磁性能。

2 試驗結果與討論

2.1 非晶狀態和晶化行為

由圖1可見，淬火態Fe78Si9B13合金呈現出非晶結構典型的漫散峰特征，不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，這表明淬火態Fe78Si9B13合金為非晶態結構；當退火溫度低于400℃時，亦不存在任何尖銳的晶體相衍射峰，只是在2θ＝45°附近產生的漫散峰比淬火態的更窄，這表明此時的Fe78Si9B13合金依然為非晶態結構；當退火溫度升至450℃時，出現了一些晶化峰，這說明非晶合金Fe78Si9B13發生了部分晶化，有微量晶相析出，晶化相可標定為bcc結構的α-Fe（Si）；當退火溫度升至500℃時，XRD譜中出現了3個明顯的衍射峰，從左至右依次分別對應bcc結構α-Fe的（110）、（200）和（211）衍射面。

圖1 Fe78Si9B13合金退火前后的XRD譜Fig.1 XRD patterns of Fe78Si9B13alloy before and after annealing

由圖2可見，淬火態Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲線呈現出兩級晶化的過程，對應的一級起始晶化溫度Tx1為517℃，放熱峰溫度Tp1為521℃；第二級起始晶化溫度Tx2為530℃，放熱峰溫度Tp2為536℃；第二個晶化放熱峰比第一個晶化放熱峰更尖銳，且峰的面積也更大，兩級起始晶化溫度的差值ΔTx為13℃。

2.2 退火溫度對軟磁性能的影響

由圖3可知，隨著退火溫度升高，FeSiB 合金的初始磁導率μi、飽和磁感應強度Bs和矯頑力Hc呈先增大后減小的趨勢；當退火溫度為400℃時，Fe78Si9B13合金的綜合軟磁性能最佳，其初始磁導率和飽和磁感應強度達到最大，分別為0.008 3H·m-1和1.517T，此時的矯頑力為17.53A·m-1。

根據磁化理論［7］，鐵磁材料在磁化過程中，磁導率μ和矯頑力Hc與材料的磁各向異性常數K、飽和磁滯伸縮系數λs、內應力σ、飽和磁化強度Ms的關系為：

圖2 淬火態Fe78Si9B13非晶合金的DSC曲線Fig.2 DSC curve of as-quenched Fe78Si9B13amorphous alloy

圖3 退火溫度對Fe78Si9B13合金軟磁性能的影響Fig.3 Effects of annealing temperature on soft magnetic properties of Fe78Si9B13alloy：（a）the effect on initial magnetic permeability；（b）the effect on saturation magnetization and（c）the effect on coercivity

在非晶帶材制備過程中，由于高的冷卻速率引入了高的內應力場，與非晶帶材中的飽和磁致伸縮系數耦合，感生出磁各向異性；同時，合金熔體在銅輥圓周表面急冷而凝固成非晶帶材的過程中，由于冷卻速率的差異，造成了淬火態非晶帶材在寬度方向存在較大的殘余應力，使其外層的應力大于內部的，從而使其在寬度方向上具有內應力差［8-9］。因此，淬火態非晶帶材存在形狀、應力和感生磁各向異性，具有較高的磁疇疇壁能。所以，淬火態Fe78Si9B13非晶帶材的綜合軟磁性能較低，即初始磁導率和飽和磁感應強度較小。

當退火溫度低于晶化溫度時，退火可以使非晶帶材中因制備過程中產生的內應力得到充分釋放，有效消除應力和感生磁各向異性；同時，升高溫度有利于原子的擴散和遷移，導致原子的相對位置發生變化，從而使磁性原子的交換作用增強，磁疇疇壁能降低［10］。所以，在低于晶化溫度下進行退火可以提高Fe78Si9B13非晶帶材的綜合軟磁性能，即初始磁導率和飽和磁感應強度隨著退火溫度的升高而增大。但當退火溫度達到400℃時，初始磁導率和飽和磁感應強度達到最大，而矯頑力并未達到最小，這說明高的初始磁導率和飽和磁感應強度與低的矯頑力存在不能統一的矛盾［11］。當退火溫度達到450℃時，非晶Fe78Si9B13合金發生了部分晶化，晶相的析出導致Fe78Si9B13合金的綜合軟磁性能下降，即初始磁導率和飽和磁感應強度出現降低。

2.3 環氧樹脂封裝對軟磁性能的影響

由表1可知，經環氧樹脂封裝后，Fe78Si9B13非晶磁芯的初始磁導率μi、最大磁導率μm、飽和磁感應強度Bs減小，剩磁Br、矯頑力Hc和磁滯損耗Pu增大，但它們的變化幅度較小。對于經環氧樹脂封裝的Fe78Si9B13非晶磁芯，由于環氧樹脂在固化過程中發生收縮，產生了內應力，從而使其軟磁性能有所降低［9，12］。

由圖4可知，環氧樹脂封裝前后，Fe78Si9B13非晶磁芯的磁化曲線和磁滯回線基本上重合。這說明環氧樹脂封裝對Fe78Si9B13非晶磁芯綜合軟磁性能的影響不大。但采用環氧樹脂封裝可在其表面形成一層絕緣層，增加其強度，為后續加工帶來方便，還可以提高利用率、減少破壞率，方便包裝和運輸［13］；同時，由于環氧樹脂的包裹，Fe78Si9B13非晶磁芯放置在空氣或潮濕的環境中，也不易被氧化，可以提高其磁性能的穩定性和使用壽命。

表1 環氧樹脂封裝前后Fe78Si9B13非晶磁芯的軟磁性能Tab.1 Soft magnetic properties of Fe78Si9B13amorphous cores before and after encapsulation

圖4 環氧樹脂封裝前后Fe78Si9B13非晶磁芯的磁化曲線和磁滯回線Fig.4 Magnetization curves（a）and hysteresis loops（b）of Fe78Si9B13amorphous cores before and after encapsulation

3 結 論

（1）隨退火溫度升高，Fe78Si9B13非晶帶材的μi、Bs和Hc均呈先增大后減小的趨勢；當退火溫度達到400℃時，其綜合軟磁性能最佳，μi、Bs和Hc分別為0.008 3H·m-1，1.517T和17.53A·m-1。

（2）環氧樹脂封裝后Fe78Si9B13非晶磁芯的μi，μm和Bs減小，Br，Hc和Pu增大，磁化曲線和磁滯回線與封裝前的基本重合。

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