溶胶凝胶包覆放电等离子烧结制备Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料

曲晓静，　赵占奎

(长春工业大学 先进结构材料省部共建教育部重点实验室， 吉林 长春　130012)



溶胶凝胶包覆放电等离子烧结制备Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料

曲晓静，赵占奎*

(长春工业大学 先进结构材料省部共建教育部重点实验室， 吉林 长春130012)

摘要：采用溶胶凝胶法在Fe-6.5Si颗粒表面包覆了一层MgO绝缘壳层，并通过放电等离子技术(SPS)制备了Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料。经SPS烧结后制得的复合材料具有优异的软磁性能及力学性能，Fe-6.5Si/MgO复合材料的电阻率较Fe-6.5Si原始粉末提高了30倍，饱和磁感应强度Bs=1.498T；MgO颗粒形成了3D空间结构，使Fe-6.5Si/MgO软磁复合材料具有较高的弹性模量和抗压强度，抗压强度最高达1 075MPa。

关键词：溶胶凝胶法； 放电等离子烧结； 结构； 性能

0引言

19世纪末20世纪初，Hadffeld等人研究出Fe-Si合金即硅钢片，成为历史上第一种应用于交变强磁场的软磁材料。特别是Fe-6.5Si不仅保持高的饱和磁感应强度、磁导率，还具有零磁致伸缩特性以及一定的电阻率[1]。软磁性复合材料(SoftMagneticComposites，SMCs)[2]是在铁磁性粉末颗粒表面包裹绝缘介质后，采用粉末冶金工艺压制成所需形状得到的体材料。它综合了金属软磁材料和软磁铁氧体的优点，具有Bs高、电阻率大的特点，在kHz～MHz范围具有低的功率损耗。近来很多研究探讨不同绝缘工艺[3-5]及成型工艺[6-9]对SMCs铁芯的绝缘特性及软磁性能的影响。日本日立金属的Ishihara[3]发现,由金属(含碱金属、碱土金属、稀土)氟化物构成的绝缘覆膜扩散率低，高温绝缘性好。伊朗Shiraz大学的Janghorbana磷化物-硅烷双层覆膜[4]能使材料的热处理温度达到500 ℃。我国南昌大学的朱正吼[5]及其课题组用铁氧体溶胶法在Finemet粉末表面包覆了MnZn铁氧体，500 ℃热处理的材料在500kHz工作频率下磁导率达到60，Q值为51。成型方法上除惯用的冷压法外，文献[6]报道了爆炸法及温压法[7-9]。文中通过溶胶凝胶法在Fe-6.5Si粉末表面均匀包覆一层MgO绝缘层，经放电等离子烧结技术(SPS)制备了Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料，并对其微观结构及性能进行了研究。

1实验方法

筛选出颗粒大小为20～45μm的Fe-6.5Si微米粉末，0.05mol乙醇镁、0.25mol去离子水、0.85mol无水乙醇室温下搅拌混合10min，然后加入0.02mol,pH=9的氨水作为水解催化剂，80 ℃下回流至凝胶形成。在螺旋搅拌器中将上述FeSi粉末与1.5wt%的凝胶进行混合，直至溶剂完全挥发，包覆粉末于空气中70 ℃干燥12h，将干燥的粉末预压后置于放电等离子烧结机(Dr.SINTER.SPS-625)中进行烧结：使用WC硬质合金模具和压头；烧结温度(Ts)为550 ℃；升温速率(νu)选择为100 ℃/min；保温时间(ts)为0min；压力(P)为500MPa。烧结后的试样直径为15mm，高3mm。

用日本SUPRA40高分辨率场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察颗粒表面形貌及烧结后的复合样品的组织结构特征。AT-512电阻仪测量烧结后样品的电阻值。通过振动样品磁强计(VSM,LakeShore7404)测定磁性能。抗压强度和应力应变曲线通过万能力学检测设备WDW-200B检测，应变速率为5×10-3/s。

2实验结果及讨论

2.1显微结构分析

包覆粉末微观结构及成分如图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) 经SPS烧结后的Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料

(d) 经SPS烧结后的Fe-6.5Si/MgO微胞软磁复合材料面扫描能谱分析

从图1(a)可见，包覆前原始Fe-6.5Si粉末颗粒呈球形，颗粒尺寸20～45μm；从图1(b)可以看出，烧结前Fe-6.5Si粉末表面被MgO粉末包覆，Fe-6.5Si粉末表面绒毛状物质为MgO粉末，包覆均匀，效果良好。从图1(c)和(d)可见，包覆后粉末经放电等离子烧结后形成了具有微胞结构的Fe-6.5Si/MgO软磁复合材料，胞体为Fe-6.5Si颗粒，胞壁为MgO壳层，MgO陶瓷胞壁致密均匀，厚度约为1.0～2.0μm，与胞体结合紧密。可见采用溶胶凝胶法可实现Fe-6.5Si粉末的化学包覆，包覆层均匀稳定。软磁复合材料绝缘层包覆途径主要分为两大类：

1)物理法。球磨机械合金化、物理气相沉积法、手工研磨法；

2)化学法[10]。包括化学沉积法(CVD)[11]、溶胶凝胶[12]、磷化处理法[12]、表面氧化氮化法[13]等。

物理方法包覆层与合金基体间结合较差，且附着不均匀，容易脱落，而化学方法整个过程在液相化学反应中进行，可实现包覆层与基体间的均匀稳定结合。

2.2性能分析

纯Fe-6.5Si,MgO,Fe-6.5Si/MgO复合材料电磁性能比较见表1[14]。

表1　纯Fe-6.5Si,MgO,Fe-6.5Si/MgO复合材料电磁性能比较

由表1可见，与Fe-6.5Si原始粉末相比，Fe-6.5Si/MgO复合材料的电阻率提高了30倍，这是由于包覆层MgO为良好的电绝缘体，经化学包覆后在Fe-6.5Si颗粒表面形成稳定均匀的绝缘壳层，明显提高了复合材料的电阻率，同时由于MgO添加量较少，故饱和磁感应强度无明显降低，具有优异的软磁性能。

烧结后Fe-6.5Si/MgO软磁复合材料的真实应力和应变曲线如图2所示。

图2　 烧结后Fe-6.5Si/MgO软磁复

从图2中可以看出，软磁复合材料具有较高的弹性模量和抗压强度，抗压强度最高达1 075MPa，主要有以下3个因素：

1)在烧结过程中MgO颗粒形成了3D空间的空间结构，而这样的空间结构具有较高的抗压强度[15]；

2)每个Fe-6.5Si粉末塑性变形和损坏被连续的3D的MgO颗粒约束[16]；

3)陶瓷和合金有较高的结合强度。

这也反映了在SPS工艺过程能够得到较高结合强度的微胞软磁复合材料，为制备软磁复合材料提供了新的途径。

3结语

采用溶胶凝胶法实现了Fe-6.5Si粉末的化学绝缘包覆，并通过SPS技术对复合材料进行烧结，形成具有微胞结构的Fe-6.5Si/MgO软磁复合材料，MgO陶瓷胞壁致密均匀，厚度约为1.0～2.0μm，与胞体结合紧密。所得软磁复合材料电磁性能及机械性能优异：

1)包覆层MgO为良好的电绝缘体，在Fe-6.5Si颗粒表面形成了均匀稳定的绝缘壳层，Fe-6.5Si/MgO复合材料的电阻率较Fe-6.5Si粉末提高了30倍。

2)经SPS烧结后，MgO颗粒形成了3D空间结构，使Fe-6.5Si/MgO软磁复合材料具有较高的弹性模量和抗压强度，抗压强度最高达1 075MPa，为制备软磁复合材料提供了新的途径。

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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..

中图分类号：TB383

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)02-0130-04

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

作者简介：曲晓静(1988-)，女，汉族，山东烟台人，长春工业大学硕士研究生，主要从事软磁性复合材料方向研究,E-mail:quxj1988@126.com. *通讯作者：赵占奎(1969-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，博士，主要从事功能纳米复合材料方向研究,E-mail:alloyz@sina.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51071034)

收稿日期：2014-07-12