超细软磁粉末的前景与制备方法

软磁材料软在何处?

金属软磁材料通常含有较高饱和磁化强度(Ms)，低于1000 A/m的矫顽力(Hc)以及高磁导率。如图1[1]，软磁材料都具有非常“苗条“的磁滞回线。Ms代表材料在外磁场中所能展现出的磁化强度，内部实则为所有电子沿外磁场方向统一排布时的整体磁矩大小。Hc则代表了材料内部电子转动，磁畴变化的难度。Hc越大，意味着外界要提供更大的磁场才能使材料达到饱和磁化状态，而软磁材料在只需较小的外磁场就可以达到饱和。具有如此特征的软磁材料在航空航天、新能源、家电、电子通讯、交通运输、精密仪器等各个行业都有着广泛的应用。

图1 软磁材料的磁滞回线

后来居上的超细软磁粉末

金属软磁材料早在19世纪末就已经被发现并投入生产，随着技术进步与新兴行业扩展的反向推动，软磁材料的研究也进展飞速。近年来超细金属软磁粉末除去易于磁化退磁的经典软磁材料特征，还表现出电阻性能，这意味着服役过程中的涡流损耗大大降低，发热减少，设备的使用安全系数提高，使用年限增长。现今软磁材料可大致分为铁氧体软磁材料、金属软磁材料、非晶&纳米晶软磁材料与金属软磁粉芯。其中软磁粉芯是由超细金属软磁粉末包覆压制而成的复合软磁材料。同时软磁粉末还可以用于制造变压器电感器等电子元件。用于各类场所来提高能量的传输效率，提高安全性与稳定性（如图2）。

软磁粉末的制备方法

常见软磁粉末有铁镍，铁硅铬，铁硅铝，铁硅粉末等，在材料结束应用前，需要经过制粉、绝缘包覆、压制与热处理，其中制粉是软磁粉末的第一关，也是主要关键的环节。原料配方，粉末球形度与其粒径大小与分布直接决定磁导率、矫顽力以及电阻特性的优劣。同时对后续处理的材料的稳定性也具有很大影响。主要的制备方法有雾化法和破碎法。其中雾化方法可分为水雾化法、气雾化法、等离子雾化法等。目前气雾化法制粉的生产占比较大，符合大部分制粉需求。但等离子体雾化制粉可以得到含氧量更低、纯度更高、球形度分散性更好的亚微米级粉末。

图3 天际智慧雾化设备与产品形貌图

虽然制备工艺难度较大，原料需要用运载气体（氮气或氩气）经送入等离子炬中，迅速熔化和雾化或汽化；接着以极高速度进入反应器快速冷却，冷却凝固成球形超细微米和亚微米粉末再进行收集。具体可选择射频等离子雾化制粉工艺和直流等离子雾化制粉工艺。而这样制备出的软磁粉末材料综合性能极佳，是高性能软磁粉末材料无法替代的优势。

图4 （a）射频等离子雾化制粉原理图（b）直流等离子雾化制粉原理图

展望

近年来通讯、光伏、新能源汽车产业都在快速发展，各式各样大大小小的电子器件需求量极大，并会随着社会与技术进步提出更大的需求与更高的要求。软磁材料在各领域的进一步“解锁“也为其发展提供新的赛道。研究者们必将致力于获取性能更加优异，表现更加稳定的超细软磁粉末，以在未来谋得一席之地。

参考文献:

[21] RAO Z Y, SPRINGER H, PONGE D, et al. Combinatorial development of multicomponent Invar alloys via rapid alloy prototyping[J]. Materialia, 2022(21): 101326.

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