软磁复合材料(Soft Magnetic Composites，SMCs)，又称磁粉芯，是在铁磁颗粒表面包覆绝缘介质层后，采用粉末冶金工艺压制成所需形状并通过热处理而得到的软磁材料，它具有三维各向同性(3D)、低涡流损耗、在中高频范围内相对低的总损耗、良好的频率特性及易于机械加工等优点，在电磁领域被广泛的应用^[1-4]。在使用性能上，高性能软磁复合材料要求具有高密度、高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗和良好的温度稳定性^[5]。通过选择合适的绝缘包覆材料和成型工艺的控制，可以有效地提高软磁复合材料的综合性能，即在提高材料电阻率和降低磁损耗的同时，减少颗粒间绝缘介质的含量，增大了铁磁性物质所占的比例。

绝缘包覆是软磁复合材料制备过程中最重要的环节，目前常用的包覆材料主要包含有机包覆剂(环氧树脂、酚醛树脂及硅酮树脂)和无机包覆剂(磷酸盐、MgO、Al₂O₃及SiO₂)等两种类型^[6-10]。由于上述包覆剂都是非磁性物质，它们的加入必然导致软磁复合材料磁导率和饱和磁感应强度的下降。铁氧体具有高电阻率、适当磁学性能和高的居里温度等特性，利用铁氧体作为包覆材料可以有效地提高软磁复合材料的性能。Gheisari等^[11]首次提出利用Ni_0.64Zn_0.36Fe₂O₄磁性粉末作为绝缘包覆材料，而后，钟智勇等^[12]采用化学共沉淀法制备的纳米铁氧体颗粒作为包覆剂来制备软磁复合材料。为了改善铁氧体颗粒与粉末基体的结合效果，赵占奎等^[13]采用放电等离子烧结(SPS)技术，利用其局域微区短时放电的特性制备了大尺寸微胞结构的Fe-Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄软磁复合材料。

本课题组前期采用溶胶-凝胶法制备出了Fe-Mn_0.8Zn_0.2Fe₂O₄软磁复合材料^[14]，后续研究发现铁氧体颗粒虽可以在铁粉表面形成均匀的包覆层，但二者之间缺乏有效的结合，导致磁体的力学性能较差。为了改善铁氧体颗粒与铁粉基体的结合效果，本工作采用具有高电阻率和良好磁学特性的NiZnFe₂O₄作为绝缘包覆剂并加入硅酮树脂作为绝缘粘接剂来制备软磁复合材料，能够克服传统的非磁性包覆剂对基体磁性能的损伤，解决包覆剂与基体材料无法有效结合的问题，从而提高软磁复合材料的综合性能，并重点研究了包覆剂含量及成型压力对复合材料性能的影响。

1 实验材料与方法 1.1 原材料

实验用的二次还原铁粉由山西黎城提供。铁粉的粒度≤150μm，Fe含量大于98.5%(质量分数，下同)、含0.02%C、0.01%Cu、0.01%Zn及一些氧化物。硅烷偶联剂(A-1100) 作为铁粉的表面改性剂，由联碳公司提供。硅酮树脂(DC-805) 为绝缘粘接剂，由道康宁公司提供。按名义配方Ni_0.6Zn_0.4Fe₂O₄将相应的硝酸镍、硝酸锌和硝酸铁(均为分析纯)溶于去离子水中后，再按摩尔比1:1加入柠檬酸，将溶液加热至60℃且用玻璃棒不断搅拌溶液直至完全溶解。用NH₃·H₂O调节体系的pH=6，机械搅拌至凝胶化，将溶胶在140℃干燥。得到的干凝胶在空气中点燃，发生自蔓延燃烧反应，得到蓬松的黑褐色Ni-Zn铁氧体粉末。

1.2 复合材料的制备和表征

用硅烷偶联剂对铁粉进行表面处理，铁粉与偶联剂的质量比为100:1。将表面处理后的铁粉与1.5%的绝缘粘接剂硅酮树脂混合，再加入1%，2%，3%和4%的镍锌铁氧体粉末，在搅拌器中混合均匀。将绝缘包覆后的铁粉分别在400，600，800MPa和1000MPa的压力下压制成环形，外径为40mm，内径为32mm, 厚度为4mm，模具润滑剂为硬脂酸锌。为了便于对比，将未绝缘包覆的纯铁粉也压制成坯，并对其性能进行检测。磁粉芯的去应力退火处理采取随炉升温，在450℃的氩气氛中保温1h，而后空冷。

镍锌铁氧体包覆后铁粉的微观形貌用扫描电镜(SEM)进行表征。为了观察包覆效果，将压制前后的样品分别进行元素面分布和线扫描分析，检测Fe，O，Si和Ni元素的分布情况。环形样品的初始磁导率、最大磁导率和饱和磁感应强度由B-H曲线分析仪(MATS-210SD湖南联众)进行测试。复数磁导率和磁损耗由交流性能测试仪(NIM-3000中国计量院)在B_m=0.05T的条件下测试。磁环样品的力学性能在电子式万能试验机(CMT4305) 上进行，试样力学性能测量的示意图如图 1所示。

2 实验与分析 2.1 包覆层的表征

图 2(a)和(b)分别为原始铁粉和NiZnFe₂O₄包覆粉末的SEM微观形貌。从图中可以看出，经绝缘包覆后的粉末与纯铁粉相比表面均匀地黏附了一层细小的粉末颗粒，这些细小颗粒为NiZnFe₂O₄粉末。利用选定区域元素面分布可以判定铁粉表面绝缘包覆的效果，元素面分布结果如图 3所示。从图 3中Fe和Ni的分布情况可以初步判定，在铁粉的表面形成了均匀的NiZnFe₂O₄绝缘包覆层。

为了进一步表征NiZnFe₂O₄的包覆效果，将成型后的样品进行表面抛光处理后，通过SEM观察颗粒间的界面形貌，结果如图 4(a)所示。由图 4(a)可知，铁粉颗粒间存在一层薄薄的包覆层。对图 4(a)中画线部分区域进行Fe，O，Si和Ni元素的线扫描分析，结果如图 4(b)所示。从图 4(b)中可以看出，在铁粉颗粒间的界面处Fe元素含量明显降低，而O，Si和Ni元素含量增加，可以证实颗粒间形成了均匀的NiZnFe₂O₄包覆层。

2.2 NiZnFe₂O₄含量对性能的影响

图 5为在不同频率范围内未包覆样品和NiZnFe₂O₄包覆样品的磁导率变化情况。从图 5(a)中可以看出，在0~250kHz频率范围内，样品的磁导率实部值μ′随频率的升高逐渐降低，但降低幅度不大，磁粉芯具有良好的频率特性。随着NiZnFe₂O₄含量的增加，样品的磁导率实部值逐渐降低，NiZnFe₂O₄含量为1%，2%和3%样品的磁导率实部值均高于未包覆样品。这是由于软磁复合材料一般不经过烧结处理，其内部存在大量的间隙，NiZnFe₂O₄的存在占据了样品内部的孔隙位置。磁导率实部值的大小受密度、非磁性相、孔洞数量及磁晶各向异性等因素的影响^[15]，与非磁性的孔隙相比，NiZnFe₂O₄具有良好的磁学特性，可以有效地提高样品的磁导率。但是，当NiZnFe₂O₄含量进一步增加时，会造成样品的压制密度下降，导致磁导率实部值降低。

与未包覆样品相比，NiZnFe₂O₄包覆的样品具有低的磁导率虚部值μ″，其结果如图 5(b)所示。由于铁粉被NiZnFe₂O₄绝缘层有效地隔绝开，使样品内部的有效颗粒尺寸减小、电阻率增加，降低涡流损耗。小的涡流损耗意味着较大的趋肤深度，使磁粉芯具有较高的工作频率和高频下低的磁损耗。通过上述分析可以得知，与其他含量的样品相比，NiZnFe₂O₄含量为3%的样品具有最低的复数磁导率虚部值和相对较高的复数磁导率实部值，因此3%为最佳的包覆剂含量。

图 6表示了在不同频率范围内3%NiZnFe₂O₄包覆样品和未包覆样品的磁损耗变化情况。磁损耗可用以下公式表示^[16]：

(1)

式中：P_t为总功率损耗; P_h代表磁滞损耗; P_e代表涡流损耗; P_r代表剩余损耗; B代表磁通密度; d代表涡流半径; ρ代表材料电阻率; K_h与K_e为常数。剩余损耗在此测试条件下很小，可以忽略。由式(1) 可知，磁滞损耗与f成正比，涡流损耗与f²成正比，所以磁损耗随着频率的增加会逐步提高。从图 6中可以看出，NiZnFe₂O₄包覆样品的磁损耗与原始粉末样品相比大幅降低，并且随着频率的增加，磁损耗降低越来越明显。在20kHz频率下，其磁损耗降低了47.2%，在100kHz时，磁损耗仅为原始粉末样品的16.2%。这是由于在铁粉表面形成了一层NiZnFe₂O₄绝缘层，使包覆后的样品具有小的有效颗粒尺寸和高的电阻率(ρ_Fe-NiZnFe2O4=391.4μΩm，ρ_Fe=1.5μΩm)，大幅度降低涡流损耗，从而使磁粉芯在高频下具有低的磁损耗。

图 7为NiZnFe₂O₄包覆样品与未包覆样品的应力-应变曲线，从图中可以看出，经NiZnFe₂O₄包覆后样品的抗压强度高于未包覆样品。包覆后样品的抗压强度上升的主要原因是：一方面，铁氧体颗粒占据了原先铁粉间的气隙位置，使磁体的密度上升；另一方面，粘接剂硅酮树脂的存在可以在铁粉基体与铁氧体颗粒之间建立有效连接的桥梁，增加铁氧体颗粒与铁粉的结合强度。

2.3 成型压力对磁性能的影响

为了得到高密度的磁粉芯，须采用较高的压力压制，但是过高的压力会导致磁粉芯内部内应力过大及磁粉芯性能恶化，所以选择合适的成型压力是制备高性能软磁复合材料的关键。表 1为压制压力对NiZnFe₂O₄包覆样品的密度和磁性能的影响。从表中可以看出，随着压制压力的提高，样品的密度、最大磁导率和饱和磁感应强度(B_s)逐渐上升而矫顽力(H_c)的变化不大。在400~1000MPa的范围内，密度从5.85g/cm³提高到了7.14g/cm³，B_s值从0.82T增加到1.47T。

图 8揭示了不同频率下压制压力对样品复数磁导率实部值的影响。在低频1kHz时，增加压制压力复数磁导率的实部值逐渐上升并稳定在240.2左右。从表 1中得知，样品的密度随着压制压力的提高而逐步增加，样品压制密度的提高意味着铁磁性物质占有的比例增加，从而可以有效地提高磁导率和磁感应强度。在50kHz和200kHz下，复数磁导率的实部值都随频率的增加先增大后逐步减小。这是由于随着压制压力的增大，样品内部的气隙和孔洞减少，有利于磁化的进行，从而提高磁导率。但是当压制压力足够大时，压制过程中绝缘层的连续性会发生破坏，比如在一些颗粒的尖角和较薄的包覆层处使原先隔绝的颗粒发生接触，导致电阻率降低、有效颗粒尺寸变大，涡流损耗增加，从而引起磁导率的下降。

3 结论

(1) SEM，EDX线扫描及元素面分布分析显示出在铁粉颗粒表面均匀地包覆一层NiZnFe₂O₄绝缘层，可以有效降低磁粉芯的磁损耗。

(2) 与其他含量的样品相比，NiZnFe₂O₄含量为3%的样品具有最低的复数磁导率虚部值和相对较高的复数磁导率实部值，3%为最佳的包覆剂含量。

(3) 当NiZnFe₂O₄的含量为3%、成型压力为1000MPa时，软磁复合材料的密度达到7.14g/cm³，饱和磁感应强度为1.47T。