通过钝化处理和高速机械破碎工艺制备具有多层绝缘结构的高频FeSiAl SMCs

软磁复合材料通过混合涂层策略制备，采用磷酸处理形成内层磷酸铁铝绝缘层，结合高速机械破碎沉积硅酸钠外层，优化压制和退火工艺，有效减少颗粒团聚并提升高频磁性能。

　　

孙家义|陈燕|孙海生|李星宇|张鹏|季连泽|张琳|曲宣辉

北京先进材料基因组工程创新中心，北京科技大学材料科学与工程学院先进材料与技术研究所，北京100083，中国

摘要

具有高饱和磁化的软磁复合材料（SMCs）被广泛应用于电子设备中。然而，软磁颗粒的光滑表面和低结合能给多层绝缘涂层的应用带来了显著挑战。在本研究中，我们采用了一种混合涂层策略制备了新型的高频FeSiAl/PSS SMCs。通过高速机械破碎技术在颗粒表面形成了双层绝缘结构。首先用磷酸对FeSiAl颗粒进行预处理，随后通过热固化将Na₂O·nSiO₂转化为脱水硅胶。该方法不仅减少了粉末团聚，还改善了粘合剂的分散性能。此外，系统研究了酸处理、压实压力和退火温度对FeSiAl/PSS SMCs高频磁性能的影响。本研究为高频软磁复合材料的制备提供了一种新方法。

引言

软磁材料（SMCs）因其高磁导率和低矫顽力而在能量转换设备中得到广泛应用[1],[2],[3],[4],[5]。其中，软磁铁氧体由于低功率损耗、高电阻率和高磁导率而广泛应用于传感器和变压器[6],[7],[8],[9],[10]。然而，软磁铁氧体的饱和磁化强度较低，这限制了其在高频下的磁性能。因此，软磁复合材料在未来的应用中具有更大的潜力，并引起了研究人员的广泛关注[11],[12],[13],[14]。

SMCs是一类由金属磁粉芯与绝缘层压合而成的软磁材料[15],[16],[17],[18]。这些材料具有高磁导率和优异的饱和磁化强度，对于其在先进磁应用中的性能至关重要。随着5G通信和高频感应应用的普及，对SMCs磁性能改进的需求显著增加。尽管如此，SMCs在高频下仍不可避免地会出现较大的功率损耗。绝缘层的状态在限制SMCs的高频损耗方面起着关键作用[19],[20],[21]。目前，制备磁颗粒绝缘层的主要方法包括有机涂层[22],[23],[24]、氧化物涂层[25],[26],[27],[28],[29]和溶胶-凝胶技术[31],[32]。有机涂层（如环氧树脂和酚醛树脂）被应用于磁颗粒表面以提供电气绝缘，但它们的热稳定性较差，会在高温下分解，导致高频损耗迅速增加。相比之下，无机氧化物（如Al₂O₃[33],[34],[35]、MoO₃[36],[37]、SiO₂[39],[40]和MgO等[41],[42]）具有更好的热稳定性。然而，氧化物与磁颗粒之间的界面结合力较弱，常常影响绝缘层的完整性。为了解决这个问题，研究人员探索了在磁颗粒表面形成铁氧体涂层的溶胶-凝胶方法。虽然这种方法显著提高了电阻率，但制备过程复杂且需要大量的实验优化。

为了提高绝缘层与磁颗粒之间的粘附力，许多研究人员采用了适当的有机酸钝化处理。刘等人发现，用硝酸对FeSiAl颗粒进行钝化后，有效磁导率提高到157.3，功率损耗降低到241.3 mW/cm³（100 mT @ 50 kHz）[13]。同样，陈等人使用磷酸溶液对FeSiAl颗粒进行钝化，有效磁导率达到33.79，功率损耗降至629 mW/cm³（30 mT @ 200 kHz）[43]。显然，适当的钝化处理对提升磁性能有积极作用。然而，钝化后磁粉的压实仍然是一个挑战。在磁颗粒表面有意添加或自然形成的粘合物质可以显著提高材料的压实效率。这一发现促使我们采用混合涂层方法制备FeSiAl SMCs。

在这项工作中，我们开发了一种混合涂层方法来制备高频FeSiAl SMCs。首先用磷酸对FeSiAl颗粒进行表面改性以改善界面性能，然后通过高速机械破碎技术沉积Na₂O?nSiO₂绝缘层，形成优异的多层绝缘结构。绝缘层主要通过热脱水形成，其中硅酸钠与FeSiAl颗粒物理结合，确保了均匀覆盖和更好的粘合剂粘附。此外，通过调整压实压力和退火温度进一步优化了制备过程，从而提高了磁性能。这种混合涂层方法不仅增强了磁颗粒与绝缘层之间的结构完整性，还提升了SMCs的高频磁性能。本研究为开发适用于高频应用的FeSiAl SMCs提供了新的途径，为先进软磁复合材料的设计和制备提供了新的见解。

材料

图1. FeSiAl/PSS SMCs的混合涂层过程示意图。FeSiAl粉末由Aviation Mett Additive Technology Co., Ltd.提供；氯仿、正庚烷、磷酸和硅酸钠购自Macklin Biochemical Co., Ltd.；去离子水在实验室中制备。本研究中使用的所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。

FeSiAl/PSS SMCs的制备

微观结构特征

图2展示了用不同浓度磷酸处理的FeSiAl颗粒的SEM形态，包括原始FeSiAl粉末以进行对比分析。如图2a所示，原始FeSiAl颗粒呈规则的球形，粒径约为10 μm，表面有细小的条纹。当磷酸浓度为0.1 wt%时，表面条纹略有增加。

结论

本研究成功采用混合涂层策略制备了FeSiAl/PSS SMCs。在酸化过程中，Fe和Al原子部分溶解并与磷酸根离子发生反应，主要形成了内层绝缘层（FePO₄、Fe₃(PO₄)₂和Al(PO₃)₃）。颗粒表面附近的局部pH值升高导致Fe(OH)₃和Al(OH)₃的短暂形成，这暂时保护了内层磷酸盐层免受进一步氧化。长时间的反应促进了...

作者贡献声明

陈燕：研究、数据分析。孙家义：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。曲宣辉：指导、研究、资金筹集。张琳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、指导、方法学研究、研究、资金筹集、数据分析。季连泽：撰写 – 初稿撰写、指导、方法学研究、资金筹集、数据分析。张鹏：资源提供、数据分析。李星宇：资源提供、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了深圳市科技计划（CJGJZD20230724093159002）、国家自然科学基金（52474387、52374366、52074032、52204369、12404250）、广东省基础与应用基础研究基金（2021B1515120033）、中国国家博士后创新人才支持计划（BX20230043）以及浙江省自然科学基金（LQN25A040008）的财政支持。