【摘要】：在全球氣候變暖,能源日益短缺的今天,節(jié)能降耗已經成為一個全球性的重要研究課題。我國政府近年來也制定了多項政策來促進和鼓勵節(jié)能技術的發(fā)展與推廣。在電力電子應用中,軟磁材料被廣泛應用于制造各種能量轉化的關鍵部件。因此,在電力電子應用領域中,具有低損耗和高飽和磁感應強度的軟磁材料具有很大的應用價值。無論在高頻領域的應用還是低頻領域的應用都有巨大的應用前景。高性能軟磁材料的應用不僅可以提高能量轉化效率,減小設備體積,而且還可以在節(jié)約能源的同時降低資源的消耗。隨著材料科學的發(fā)展,復合結構型的材料在應用方面體現出了越來越多的優(yōu)勢。復合結構型材料可以通過其多相比例的改變、相內及相間組織形貌的多樣性來獲得適用于不同場合的應用性能。在軟磁材料中非晶/納米晶軟磁合金及磁粉芯便屬于復合結構型的材料,近年來在研究者的不懈努力下,這兩類軟磁材料性能的可調性與應用的穩(wěn)定性方面都取得了長足的發(fā)展。非晶/納米晶軟磁材料受到廣泛關注的原因,一是由于其價格低廉,二是由于其具有十分優(yōu)異的磁性能。非晶/納米晶軟磁材料是目前得到世界上眾多科研工作者公認的綜合性能最好的軟磁材料,其具有高磁導率、高飽和磁通密度、低鐵損、低矯頑力和良好的頻率特性等優(yōu)點。在眾多領域,特別是各種電子電氣元器件中,這類非晶/納米晶軟磁材料已經用于替代鐵基非晶材料和鈷基非晶材料。但是由于這類非晶/納米晶軟磁材料的研究較晚,對它的研究時間相對于其它傳統(tǒng)的軟磁材料而言相對較少,仍需要大量的時間和研究工作來進一步明確非晶/納米晶軟磁材料性能并對其制備工藝和配方進行不斷的優(yōu)化。磁粉芯不同于鐵基非晶/納米晶合金,它是一種由軟磁粉末經過絕緣包覆后,通過粉末冶金方法制備的復合軟磁材料。磁粉芯具有高頻低損耗、高飽和磁通密度、溫度穩(wěn)定性好、磁導率隨頻率變化小、磁導率的恒定區(qū)域廣且磁導率可通過絕緣介質和軟磁粉末的比例來對應用性能進行調節(jié)等優(yōu)點。被廣泛應用于開關電器、扼流線圈、高精度設備儀器和電壓器中。但是磁粉芯的磁性能受到粉末的粒度、成型壓強以及絕緣粘結劑種類和絕緣粘結劑含量等因素的影響,同時與熱處理溫度也有著密切的聯系,完善的制備工藝和詳細的制備方法已經成為磁粉芯制備的關鍵技術和核心問題。本文從鐵基非晶/納米晶合金和磁粉芯入手對復合結構型軟磁材料的制備及性能行了系統(tǒng)的研究。首先對鐵基非晶/納米晶合金復合結構型軟磁材料進行了系統(tǒng)的研究。首先,我們添加了2at%的稀土元素到fe82.65cu1.35si2b14合金,添加稀土元素對合金的淬態(tài)結構、熱穩(wěn)定性、晶化行為以及磁性能有顯著的影響。稀土元素y、gd、tb、dy的添加顯著地提高了合金的非晶形成能力,同時也有效的提升了合金的熱穩(wěn)定性,對于合金的一次晶化溫度提升至少55°c。稀土元素y、gd、tb、dy的添加改變了合金的晶化行為,得到了穩(wěn)定的fe3b亞穩(wěn)相。由于gd、tb、dy原子與fe原子間的反鐵磁耦合,會顯著降低合金的非晶基底的居里溫度(tc)及合金的磁矩。y元素的添加有利于提升合金的軟磁應用。450°c熱處理60分鐘后fe80.65cu1.35si2b14y2合金的飽和磁通密度(bs)和矯頑力(hc)分別為1.80t和6.5a/m。為了考察高溫環(huán)境下的納米晶軟磁合金應用,我們針對于典型的hitperm型fe44co44zr7b4cu1合金進行了研究。我們在fe44co44zr7b4cu1合金中添加2at%的y、si、al、nb、ti這5種合金元素元素,并研究了這些合金元素的添加對合金淬態(tài)結構、熱穩(wěn)定性、晶化行為以及軟磁性能的影響。結果表明,合金元素的添加依然使(fe44co44zr7b4cu1)98m2合金淬態(tài)保持非晶態(tài)結構,但對合金的熱穩(wěn)定性卻有明顯的影響。在眾多的元素添加中,si元素和nb元素對二次晶化溫度的提升最為顯著,將合金的二次晶化溫度提升至710°c,且使得合金在較寬的溫度范圍(500°c~650°c)內熱處理1小時后能保持穩(wěn)定的結構。si元素的添加不僅可以有效提高合金的軟磁應用,并可以相對地降低合金的成本。在550°c的溫度下熱處理300個小時后的(fe44co44zr7b4cu1)98si2合金相比于550°c下熱處理1個小時的樣品,合金中的晶粒并沒有發(fā)生明顯的長大現象,約為15nm。而兩者之間的矯頑力卻有著較大的差距,熱處理1個小時的樣品矯頑力為50a/m,熱處理300個小時的樣品矯頑力為200a/m。通過能譜分析發(fā)現,合金中的si原子以及cu原子隨著熱處理時間的增加發(fā)生了偏聚現象,這可能是導致合金長時間熱處理后矯頑力提升的原因。作為另一類復合結構型軟磁材料——磁粉芯,本文也對其進行了系統(tǒng)的研究。本文對fe-si-b非晶粉芯和fe-si-al粉芯的制備工藝和軟磁性能都進行了詳細的研究,并得到一套較為完善的制備工藝。首先,通過對fe-si-b非晶粉芯制備工藝中的成型壓強、絕緣粘結劑含量和絕緣粘結劑中不同種無機物添加的改變,來考察了fe-si-b非晶粉芯的表現性能,并對fe-si-b非晶粉芯的制備工藝進行優(yōu)化。結果表明,隨著成型壓強的增大,fe-si-b非晶粉芯的磁導率(μe)提高同時損耗(P)降低。隨著絕緣粘結劑含量的增加,Fe-Si-B非晶粉芯的磁導率和損耗皆降低。在含有相同絕緣粘結劑含量的情況下,相對于單獨添加高嶺土或Al2O3,高嶺土和Al2O3的復合添加會獲得最好的交流應用性能。通過調節(jié)成型壓強、絕緣粘結劑含量和成分,可以有效的改變Fe-Si-B非晶粉芯的性能。在1600Mpa成型壓強下壓制成型,絕緣粘結劑含量為7wt%,成分包含有機硅樹脂、高嶺土及Al2O3所制得的Fe-Si-B非晶粉芯,經過400°C的熱處理后,磁導率為28,在Bm為50mT時100kHz頻率下損耗僅為44.3W/kg。通過之前研究Fe-Si-B非晶粉芯所得的結果,我們在Fe-Si-Al粉芯的研究中,選定成型壓強為1600MPa。在對Fe-Si-Al粉芯的表現性能的研究中發(fā)現,粉芯制備工藝中絕緣粘結劑的含量、絕緣粘結劑成分及粉末粒度分布的改變對磁性能有明顯地影響。結果表明,隨著絕緣粘結劑含量的增加,Fe-Si-Al粉芯的磁導率損耗皆會降低。絕緣粘結劑含量相同時,高嶺土和Al2O3的添加會提高Fe-Si-Al粉芯的交流應用性能。在粉末未經分篩時,最高磁導率Fe-Si-Al粉芯配方為1wt%的絕緣粘結劑添加,絕緣粘結劑成分為有機硅樹脂、高嶺土及Al2O3。其磁導率為60,在Bm為50mT時100kHz下損耗為25.2W/kg。最低損耗Fe-Si-Al粉芯配方為7wt%的絕緣粘結劑添加,絕緣粘結劑成分為有機硅樹脂、高嶺土及Al2O3。其磁導率為45,在Bm為50mT時100kHz下損耗為18.7W/kg。將原始粉末分篩過后,選用粒度越大的粉末制得的磁粉芯磁導率越高,但同時損耗也會增加。選用粒度50μm的磁粉,絕緣粘結劑含量7wt%,絕緣粘結劑成分為有機硅樹脂、高嶺土及Al2O3制作的粉芯在Bm為50mT時100kHz下損耗最低,損耗值為14.0W/kg,同時磁導率也最低,磁導率值為40。
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【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM27
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本文編號：
2327137
