FeSiAl粉芯磁性及低损耗性能研究

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近年来,功率电子器件向高频化、小型化和轻量化发展,对软磁复合材料的物理性能(饱和磁化强度、电阻率、磁损耗和高频稳定性等)提出更高的要求,现有的软磁复合材料逐渐难以满足日益增长的技术需要。本文以具有高电阻率、磁晶各向异性常数和磁致伸缩系数接近零的FeSiAl合金为研究对象,开展了羰基铁粉填充、附加横向偏置场(外置、内置)和绝缘包覆对FeSiAl基软磁复合材料磁性能影响研究,对制备的软磁复合材料微结构、饱和磁化强度、磁导率、磁损耗、磁谱、直流偏置特性和损耗分离机制等进行分析。主要研究结果如下:1.开展了FeSiAl/羰基铁粉软磁复合材料制备研究,在磷酸“原位”钝化后的FeSiAl微米颗粒间填充适量的羰基铁粉,制备出FeSiAl/羰基铁粉软磁复合材料。测试该软磁复合材料的微观结构和磁性能,结果表明填充适量的羰基铁粉能提高FeSiAl磁粉芯的磁导率和饱和磁化强度,降低磁损耗,在最优样品制备条件下,磁损耗值约为490 kW/m~3(100 mT、100 kHz)。2.开展横向偏置场下FeSiAl/SiO2软磁复合材料磁性能研究,发现在140kA/m的横向偏置场作用下,该软磁复合材料磁导率降低约8%,与未加磁场的软磁材料相比,在磁通密度为50 mT和频率为10 kHz时,磁损耗反而下降约32%。通过拟合损耗分离公式发现横向偏置场下磁损耗降低主要来自磁滞损耗的减少。3.设计了FeSiAl合金颗粒/SrFe12O19(SrM)铁氧体包覆结构,采用M型永磁六角SrM铁氧体包覆FeSiAl合金粉末,利用外磁场对样品中SrM铁氧体壳层进行磁化,形成内置偏置场。对FeSiAl合金颗粒/SrM铁氧体包覆结构样品进行磁性能分析,在SrM铁氧体含量为8.1 wt.%时,磁导率减小约14%,磁损耗减少约可达50%。损耗分离发现内置偏置场能够有效的降低磁滞损耗,而涡流损耗基本不受影响,其作用同外加横向偏置场效果相同。4.设计了FeSiAl/六方氮化硼(hBN)软磁复合材料,将层状hBN包覆在气雾化FeSiAl颗粒表面,制备出FeSiAl/hBN软磁复合材料。对该结构样品进行磁性能分析,实验表明hBN含量为1 wt.%时,样品的磁损耗值约为392 kW/m~3(100 mT、100 kHz),复数磁导率虚部截止频率高于30 MHz,表明该材料在高频工作环境下具有潜在的应用价值。损耗分离结果表明样品具有极小的涡流损耗系数,其原因可能是hBN包覆有效地阻隔了FeSiAl合金颗粒间的涡流。在140kA/m的横向偏置场作用下,样品磁损耗值进一步降低为256 kW/m~3左右(100 mT、100 kHz),远低于美磁公司同类产品。
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