聚合物&软磁纳米晶/非晶复合材料的研究现状

2011-08-15王志新

科学之友 2011年7期

王志新

（太原市塑料研究所，山西太原 030024）

1 复合材料的研究背景及市场前景

纳米晶、非晶软磁性材料具有饱和磁感高、磁导率高、损耗低等优异特性，而且在温度稳定性、时效稳定性以及磁冲击稳定性等方面是完全过硬的，已被广泛应用于电力、电子领域，它被称为“21世纪绿色电子材料”，在电子、信息领域的应用将会越来越广，前景广阔。但是其应用在信息电子产业，如计算机ATX电源和通讯电源磁放大器、高频电子变压器、共（差）模和各类滤波电感、PFC变压器以及精密电流互感器，磁放大器磁芯，各类电感、电子变压器和互感器磁芯等领域，还存在性能参数离散较大、产品质量不够稳定等问题，用作高频变压器件铁芯的时候，仍然存在比较大的涡流损耗。应用到电磁损耗材料，则存在纳米软磁粒子团聚导致损耗效果大打折扣等问题。

聚合物&软磁纳米晶/非晶复合材料在保留了非晶、纳米晶软磁性材料的优良性能的前提下，通过不同工艺将纳米粉体均匀分散于聚合物并以特定的组织状态存在，由于粉体离散性增大，还很好地降低了纳米粉体的团聚，有效地减少了在做高变频磁芯时的涡流损耗，同时更好的保留了纳米粉体本身的特殊功能（如纳米尖晶石铁氧体作为优良的电磁波吸波材料良好的电磁损耗特性），聚合物&软磁纳米晶/非晶复合材料成为了集高性能磁导、优良的电磁损耗性能、优良的力学、电绝缘性能、加工性能、优良的电磁损耗性能于一体的优良新型功能材料，同时大大地提高了材料使用中的稳定性和安全性。

随着市场经济的发展，非晶/纳米晶的应用领域逐渐扩展到广大的民用产品。目前工民品是其最主要的产品领域，应用场合主要包括：互感器铁芯、大功率逆变电源变压器和电抗器铁芯、各种形式的开关电源变压器和电感铁芯、各种传感器铁芯等，有着巨大的市场；另外，作为电磁屏蔽、吸波材料，在军用领域也有着广阔的市场前景。

2 目前的研究现状

（1）在软磁纳米晶/纳米非晶方面的研究已经有很多并且也较成熟了。采用机械合金化-高压成形法制备的Fe_（84）（NbV）_7B_9纳米晶材料具有高磁通密度。相对密度大于97%的Fe_（84）（NbV）_7B_9纳米晶，晶粒尺寸约为10～15 nm，饱和磁化强度约为150 Am~2／kg，矫顽力可以达到0.85 kA／m。

采用水冷铜模快速凝固法首次成功制备的具有非晶与纳米晶双相结构的Fe_（84）（NbV）_7B_9，晶粒尺寸约在10～20 nm之间，且均匀分布在非晶基体中。550℃退火可获得最佳综合软磁性能：B_s=1.52～1.54 t，H_c＜5.0～8.0 A／m，μ_e(1 kHz，0.4 A／m)=18 000～20 000。

上海市金属功能材料应用开发重点实验室报道了新开发的纳米晶 Fe_（67.9）Cu_（0.5）Nb_（0.6）Cr_3V_1Si_（14）B_（13）合金的综合磁性能：在直到1 MHZ的频率范围内考查了弱场磁导率的频散特性。在f=20-10~3 kHz和B_m=0.01~1.0 t范围内，考查了高频矫顽力和B_m的关系。在f=20-10~3 kHz和B_m=0.05~0.9 t范围内，描述了铁损和f及B_m的关系。新合金的直流起始磁导率和矫顽力水平分别为7.8×10~4和0.8 Am~（-1）。在B_m=0.3 t，f=100 kHz和 B_m=0.2 t，f=200 kHz条件下，铁损分别为 544 kW。m~（-3）和 830 kW。m~（-3），这可与纳米晶 Fe_（73.Cu_1Nb_3Si_（13.5）B_9 的相比,但比 Mn-Zn 铁氧体 H_（7c4）的低得多，是理想的磁芯材料。

（2）在复合材料的制备和性能研究方面，目前有采用简单熔融共混制备的聚苯硫醚/四氧化三铁磁性材料（PPS/Fe3O4），运用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、偏光显微镜（POM）、动态热机械分析仪（DTMA）、差示扫描量热仪（DSC）、振动样品磁强计等对复合材料的结构与形态、结晶行为和磁性能以及力学性能进行的研究结果表明，复合体系中微米级的Fe3O4粒子能均匀分布于PPS基体中，这主要是由于Fe3O4粒子和PPS基体间良好的亲合性所致。复合体系的磁性仅随Fe3O4含量的增加而线性增加。虽然两相间存在着强烈的相互作用，但Fe3O4粒子在PPS的结晶过程中并没有起到异相成核作用，反而抑制了PPS的结晶。不过，两相间良好的界面粘结却使得复合体系的拉伸和弯曲强度以及冲击强度等力学性能显著提高。

通过改变高分子聚合物基体和磁性填充物质的种类，可获得满足不同应用要求的磁性塑料。目前，直接填充法是制备磁性塑料最常用的方法，操作简单、经济适用。但易形成较大粒径的团聚体，这样磁性塑料中的纳米物质很难发挥其独特作用。有研究通过磁性高分子微球的形式，将磁性纳米铁氧体引入到高分子聚合物基体中，组成新的磁性物质填充体系，赋予纳米铁氧体在聚合物基体中的更佳分散性。选用不同的表面修饰剂对纳米铁氧体粒子进行表面修饰，对其粒径分布变化和沉降稳定性进行比较，并在此基础上用分散聚合法制备出内部含有铁氧体粒子的Ferrite/PS磁性微球（Ferrite/PS），与聚丙烯（PP）进行共混，制备出磁性塑料。经过研究，阴离子表面活性剂、不饱和有机酸和硅烷偶联剂对铁氧体的表面修饰作用显示硅烷偶联剂KH-570修饰后的纳米铁氧体在聚合单体苯乙烯（St）中的沉降稳定性最好，可以保持72 h以上不发生沉降，油酸次之、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）效果最差，3种表面修饰剂的最佳修饰用量分别为5 wt%、3 wt%和3 wt%；制备出的铁氧体粒子不易团聚，粒径分布窄，平均粒径达到7 nm；XRD分析表明，铁氧体晶体的特征峰明显，晶体结构完善；铁氧体为顺磁性；通过比较3种表面修饰剂修饰前后铁氧体的红外光谱发现，KH—570修饰后铁氧体的特征峰发生了明显的移动，从584 cm-1蓝移到了578 cm-1，且出现了C—O—C伸缩振动及Si—O键变形振动峰，偶联剂与铁氧体之间为化学作用；这为研究新的纳米颗粒分散工艺提供了很好的参考。对磁性塑料的微观形态研究看出，同Ferrite/PS/PP直接共混法相比，以Ferrite/PS磁性微球的形式共混，能极大地改善纳米铁氧体在高分子基体中的分散性，Ferrite/PS磁性微球的含量直接影响磁性塑料的磁性能。

在电磁波吸波复合材料的研究领域，目前主要是将纳米尖晶石铁氧体与不同的聚合物（聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺和聚苯胺）复合，其中聚丙烯酸酯—镍锌铜铁氧体复合物和聚丙烯酰胺—镍锌铜铁氧体复合物都是以磁损耗为主，且磁损耗能力随着复合物中磁性物质含量的增大而明显提高；相同条件下后者的复合物中磁性物质的含量较大，复合效果明显优于前者；聚苯胺/聚丙烯酰胺—镍锌铜铁氧体复合物既有较好的磁损耗能力，且电损耗能力也明显提高，并且随着聚苯胺含量的增加，电损耗能力显著增强。磁性纳米尖晶石铁氧体具有优异的机械、物理和生物医学性质。可以依据其用途，控制合适的制备方法来获取相关特性。将磁性纳米颗粒嵌入到聚合物网络后所得到的磁性聚合物纳米复合材料，由于结合了无机材料（机械强度、稳定的化学性质以及热稳定性等）和有机聚合物（韧性、介电性、延展性和易加工性等）的优异特性，从而表现出一些特殊功能，还可作为有机功能材料使用。