1引言 近年来，随着电子元器件正向轻薄短小化的方向发展，迫切希望开发出能在高频下使用的高磁通密度、高磁导率和低铁损的金属磁粉心材料。电磁钢板等虽属于高磁通密度材料，但电阻率低，很难在高频下使用。由于铁氧体属于氧化物材料，虽然电阻率高且在高频下的损耗低，但磁通密度比金属软磁材料低。因此，对应高频特性和磁通密度特性的要求，以弥补电磁钢板或铁氧体不能单独满足磁特性范围为目的，将具有电绝缘作用的树脂材料与铁等金属磁性粉末混合，经压制成型，开发出了金属磁粉心。 然而，过去具有交流磁特性的磁粉心，对电绝缘性树脂的依赖性很大，为确保充分的电绝缘性，必须混合大量的树脂，故存在着成型体密度低以及因树脂属于有机材料而耐热性差等问题，并受到成型后消除应力退火的限制。 本篇论文报导了在改善磁粉心的电绝缘性的同时，开发出了无机系绝缘材料，并经过在铁粉表面包敷绝缘材料的尝试，论述了经绝缘处理的铁粉，压制成磁粉心后的磁特性结果。 2提高磁性能的手段 磁粉心的磁性能（磁通密度、磁导率、铁损、频率特性）主要依赖于所用的金属磁性粉末的磁性能、粒度分布、成型体密度和成型体的电阻率。 要想提高磁粉心的磁通密度，首先要提高金属磁性粉末自身的磁通密度，这就要求使用添加元素和杂质元素少的纯铁粉。再就是提高磁粉心的成型密度。 当给强磁性体内部施加交流磁场时，就会产生磁体内部的能量损耗，它是影响电感器性能的重要因素，所以希望铁损越小越好。一般情况下，铁损大致可分为磁滞损耗和涡流损耗，通常铁损可用下列公式表示为： Wt =Wh+We = K1fBm1.6+K2f2Bm2 其中，Wh为磁滞损耗；We为涡流损耗；K1、K2为常数；f为频率；Bm为磁通密度。在高频下涡流损耗变得很大。因此，高频下所用的磁粉心，提高他的电阻率，抑制涡电流，降低涡流损耗就显得十分重要。 磁导率的提高，首先要提高磁性粉末自身的磁导率，另外，将铁粉加工成扁平状，使其磁各向异性，就可有效的提高铁粉自身的磁导率。由于成型时会产生一定的应力，使磁导率下降，故应在高温下进行消除应力退火，尽可能使应力释放出来。 综上所述，要想提高磁粉心的性能，同时提高成型密度、电阻率和耐热性就显得非常重要。具体方法是在扁平铁粉的颗粒表面形成薄薄的一层具有耐热性的绝缘被膜，然后在高温下进行消除应力退火。 3实验方法 3.1原料铁粉 使用铝硅铁和坡莫合金等的磁性粉末制成的磁粉心，是使用日本神户制钢生产的扁平纯铁粉290PC-2原料。加工前的扁平纯铁粉（300M）示于图片1，加工后的扁平纯铁粉（290PC-2）示于图片2。 3.2绝缘处理 为使铁粉粒子间具有电绝缘性和耐热性，可使用无机系的磷酸、硼酸和氧化镁的水溶液。将其绝缘材料和铁粉混合后干燥，制成绝缘处理铁粉（C）。为了便于比较，将没有进行绝缘处理的铁粉（A）、只混合树脂的铁粉（B）和绝缘处理的铁粉与树脂混合后的铁粉（D）制成磁粉心。其制造工艺示于图3。 3.3磁粉心的特性评价 作为特性评价的试样，是在490Pa压力下压制成10×10×60mm的长方体试样和外径φ36×内径φ24×厚5mm的环形试样。利用长方体的质量和尺寸算出密度，两端利用导电浆料贴上铜板电极，测试电阻率。 取环状试样，用B-H环式描绘器测试直流磁特性，用B-H测试仪测试交流磁特性。 4实验结果 4.1密度和电阻率 各种磁粉成型体的密度和电阻率示于图4。铁粉（A）混合0.8wt%的树脂，成型体（B）的密度比（A）约低0.2g/cm3，绝缘处理铁粉混合树脂（D）的密度比（A）约低0.05g/cm3左右。另一方面，由图4可知，绝缘处理铁粉（C）电阻率达到1Ω.cm，混合树脂的铁粉比其电阻率增加20倍左右，在抑制绝缘处理铁粉表面的成型密度下降的同时，增加了电阻率。另外，绝缘处理铁粉一混合树脂，成型体（D）的电阻率就增加到20Ω.cm以上。 4.2磁性能 各种磁粉心的涡流损耗和磁导率的频率特性分别示于图5和图6。如图5所示，绝缘处理铁粉和绝缘处理铁粉混合树脂制成的磁粉心（C、D）的涡流损耗几乎相等，比铁粉或铁粉中混合树脂的磁粉心（A、B）的涡流损耗要低。在这里，流经磁粉心内部的涡电流有铁粉粒子内部的涡电流和横跨多数粒子流经粒子间的涡电流。为了抑制涡流损耗，只有在粒子内产生的涡电流，这就意味着应在磁粉心（C）和磁粉心（D）的粉末粒子间形成电绝缘层。 由图2可知，尽管将树脂和绝缘处理铁粉混合制成的磁粉心（D）比绝缘处理铁粉制成的磁粉心（C）电阻率高10倍以上，但正如图5所示涡流损耗相等。这是因为当受粒子内涡电流支配时，即使粒子间的电阻率增加，也不会使粒子内产生的涡电流变化，而降低涡流损耗。这时，绝缘处理铁粉的绝缘被膜在粒子间形成电绝缘，这就意味着励磁条件支配粒子内涡电流，进一步提高电阻率。 磁粉心的电阻率对高频下的涡电流有一定影响，也对磁导率的频率特性有一定影响。由图6所示的磁导率的频率特性可知，光是铁粉制成的磁粉心（A）磁导率的频率特性为10KHz，将树脂与铁粉混合制成的磁粉心（B）在约100KHz下还能维持一定的磁导率，绝缘处理铁粉制成的磁粉心（C）和树脂与绝缘处理铁粉混合制成的磁粉心（D）在约400KHz的高频下维持一定的磁导率。再者，由密度的关系显示出绝缘处理铁粉（C）比树脂与绝缘处理铁粉混合制成的磁粉心（D）的磁导率约高20%左右。因此可以看出，作为磁导率稳定性高的磁粉心原料，其绝缘处理铁粉具有最佳的磁性能参数。 4.3耐热性 磁粉心根据成型时产生的应力，会带来矫顽力的增加和磁导率的下降，通常要进行消除应力退火。由释放应力这一观点看，希望消除应力退火温度越高越好，但过去混合树脂的磁粉心，因树脂的耐热性问题，树脂固化的最高退火温度充其量是在200～300℃的范围内。绝缘处理铁粉假如使用无机系绝缘材料，可提高消除应力退火温度。 图7示出为防止铁粉氧化，在氮气氛至600℃的温度下进行消除应力退火，制成的磁粉心在直流下测得的矫顽力和最大磁通密度10mT、频率100KHz下测得的磁导率结果。温度直到500℃，磁导率都在上升，可以认为释放应力磁导率提高，但到了600℃磁导率急剧下降，估计这是因为粒子间的电绝缘膜遭到破坏使涡电流增大，引起磁导率的下降。因此可以看出，绝缘被膜的耐热性至少可达到500℃。另外，关于矫顽力，因它是静态磁特性，造成绝缘被膜破坏原因的交流磁特性没有变化，伴同消除应力退火温度的升高，矫顽力下降，由此可知，通过退火可释放应力。 为了便于模拟调查绝缘被膜的破坏现象，在纯铁板上形成厚厚的一层绝缘被膜，加大被膜体积，与实施铁粉时进行同样的退火，用X射线衍射鉴定被膜的生成物，其结果示于图8。由图8可知，退火前的绝缘被膜分布图很宽，属于玻璃状被膜。考虑到即使在450℃的退火条件下，也有一部分不能鉴定的峰值维持较宽的分布，被膜没有太大的变化。由此可知，600℃的退火多数峰值都可确认，并产生被膜的结晶化。估计电阻率的下降是引起被膜结晶化的原因。 5应用例 电负荷比较小的民用产品，只进行绝缘处理就可以抑制铁损，不需要混合电绝缘树脂，使用绝缘处理铁粉制成的磁粉心，具有良好的磁通密度、磁导率和铁损。因此，在应用方面，需要提高小型化磁性元器件的磁性能，比如扼流圈等电源用元器件。 另外，正如4.2章节所述，绝缘处理铁粉混合树脂制成的磁粉心，具有高的电阻率。因此，在电负荷大使用环境严酷的工业用设备中，要求电阻率高的磁粉心时，绝缘处理铁粉混合树脂制成的磁粉心使用效果最佳。作为工业上的应用，有作为高压直流输电用（HYDC）交直变换元件的可控硅阳极扼流圈阀用磁粉心。 图9示出了有关绝缘处理铁粉中混合2wt%树脂的磁粉心和纯铁粉中混合同样数量树脂的磁粉心，在最大磁通密度50mT、频率15KHz下，连续驱动时的铁损迁移。 这里，虽然绝缘处理铁粉中混合树脂制作的磁粉心密度为6.65g/cm3，比没有混合树脂的磁粉心密度6.69g/cm3有些低，但前者的电阻率为488Ω.cm，比后者的18.9Ω.cm高出20倍以上。 由图9可知，虽然两种磁粉心在开始驱动时铁损几乎同样，但随着驱动时间的延长，对应纯铁粉中混合树脂的磁粉心，铁损开始慢慢增加，绝缘处理铁粉中混合树脂制作的磁粉心，驱动时间连续4000小时后，铁损仍然维持现状。这是因为纯铁粉中混合树脂的磁粉心在驱动中产生热量，使树脂老化，慢慢破坏了电绝缘性，而绝缘处理铁粉中混合树脂的磁粉心，因电阻率高，即使连续驱动，也可控制粒子间的涡电流。其关键就是起到了抑制铁损的作用，并提高了整机的安全性和可靠性。 6结束语 目前，以开发的铁粉表面形成无机系绝缘被膜的绝缘处理铁粉为原料制成的磁粉心，与过去混合树脂制成的磁粉心比较，可以高密度成型，并同时实现了高耐热性和高电阻率，使磁通密度、磁导率和频率特性得到提高，降低了铁损。其绝缘处理铁粉与具有绝缘被膜耐热性的树脂混合，发挥了高电阻率的特长，非常适用于电负荷大的设备上使用，并提高了效率和安全性及可靠性。