【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(jīng)成為一個(gè)全球性的重要研究課題。我國政府近年來也制定了多項(xiàng)政策來促進(jìn)和鼓勵(lì)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展與推廣。在電力電子應(yīng)用中,軟磁材料被廣泛應(yīng)用于制造各種能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件。因此,在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中,具有低損耗和高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的軟磁材料具有很大的應(yīng)用價(jià)值。無論在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用還是低頻領(lǐng)域的應(yīng)用都有巨大的應(yīng)用前景。高性能軟磁材料的應(yīng)用不僅可以提高能量轉(zhuǎn)化效率,減小設(shè)備體積,而且還可以在節(jié)約能源的同時(shí)降低資源的消耗。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,復(fù)合結(jié)構(gòu)型的材料在應(yīng)用方面體現(xiàn)出了越來越多的優(yōu)勢。復(fù)合結(jié)構(gòu)型材料可以通過其多相比例的改變、相內(nèi)及相間組織形貌的多樣性來獲得適用于不同場合的應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(diào)性與應(yīng)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(guān)注的原因,一是由于其價(jià)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(rèn)的綜合性能最好的軟磁材料,其具有高磁導(dǎo)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(diǎn)。在眾多領(lǐng)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(jīng)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(duì)它的研究時(shí)間相對(duì)于其它傳統(tǒng)的軟磁材料而言相對(duì)較少,仍需要大量的時(shí)間和研究工作來進(jìn)一步明確非晶/納米晶軟磁材料性能并對(duì)其制備工藝和配方進(jìn)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(jīng)過絕緣包覆后,通過粉末冶金方法制備的復(fù)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(dǎo)率隨頻率變化小、磁導(dǎo)率的恒定區(qū)域廣且磁導(dǎo)率可通過絕緣介質(zhì)和軟磁粉末的比例來對(duì)應(yīng)用性能進(jìn)行調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電器、扼流線圈、高精度設(shè)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(qiáng)以及絕緣粘結(jié)劑種類和絕緣粘結(jié)劑含量等因素的影響,同時(shí)與熱處理溫度也有著密切的聯(lián)系,完善的制備工藝和詳細(xì)的制備方法已經(jīng)成為磁粉芯制備的關(guān)鍵技術(shù)和核心問題。本文從鐵基非晶/納米晶合金和磁粉芯入手對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)型軟磁材料的制備及性能行了系統(tǒng)的研究。首先對(duì)鐵基非晶/納米晶合金復(fù)合結(jié)構(gòu)型軟磁材料進(jìn)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(duì)合金的淬態(tài)結(jié)構(gòu)、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(shí)也有效的提升了合金的熱穩(wěn)定性,對(duì)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(huì)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(yīng)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(yīng)用,我們針對(duì)于典型的hitperm型fe44co44zr7b4cu1合金進(jìn)行了研究。我們?cè)趂e44co44zr7b4cu1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(duì)合金淬態(tài)結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、晶化行為以及軟磁性能的影響。結(jié)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(jié)構(gòu),但對(duì)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(duì)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(nèi)熱處理1小時(shí)后能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。si元素的添加不僅可以有效提高合金的軟磁應(yīng)用,并可以相對(duì)地降低合金的成本。在550°c的溫度下熱處理300個(gè)小時(shí)后的(fe44co44zr7b4cu1)98si2合金相比于550°c下熱處理1個(gè)小時(shí)的樣品,合金中的晶粒并沒有發(fā)生明顯的長大現(xiàn)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(gè)小時(shí)的樣品矯頑力為50a/m,熱處理300個(gè)小時(shí)的樣品矯頑力為200a/m。通過能譜分析發(fā)現(xiàn),合金中的si原子以及cu原子隨著熱處理時(shí)間的增加發(fā)生了偏聚現(xiàn)象,這可能是導(dǎo)致合金長時(shí)間熱處理后矯頑力提升的原因。作為另一類復(fù)合結(jié)構(gòu)型軟磁材料——磁粉芯,本文也對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的研究,并得到一套較為完善的制備工藝。首先,通過對(duì)fe-si-b非晶粉芯制備工藝中的成型壓強(qiáng)、絕緣粘結(jié)劑含量和絕緣粘結(jié)劑中不同種無機(jī)物添加的改變,來考察了fe-si-b非晶粉芯的表現(xiàn)性能,并對(duì)fe-si-b非晶粉芯的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,隨著成型壓強(qiáng)的增大,fe-si-b非晶粉芯的磁導(dǎo)率(μe)提高同時(shí)損耗(P)降低。隨著絕緣粘結(jié)劑含量的增加,Fe-Si-B非晶粉芯的磁導(dǎo)率和損耗皆降低。在含有相同絕緣粘結(jié)劑含量的情況下,相對(duì)于單獨(dú)添加高嶺土或Al2O3,高嶺土和Al2O3的復(fù)合添加會(huì)獲得最好的交流應(yīng)用性能。通過調(diào)節(jié)成型壓強(qiáng)、絕緣粘結(jié)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(qiáng)下壓制成型,絕緣粘結(jié)劑含量為7wt%,成分包含有機(jī)硅樹脂、高嶺土及Al2O3所制得的Fe-Si-B非晶粉芯,經(jīng)過400°C的熱處理后,磁導(dǎo)率為28,在Bm為50mT時(shí)100kHz頻率下?lián)p耗僅為44.3W/kg。通過之前研究Fe-Si-B非晶粉芯所得的結(jié)果,我們?cè)贔e-Si-Al粉芯的研究中,選定成型壓強(qiáng)為1600MPa。在對(duì)Fe-Si-Al粉芯的表現(xiàn)性能的研究中發(fā)現(xiàn),粉芯制備工藝中絕緣粘結(jié)劑的含量、絕緣粘結(jié)劑成分及粉末粒度分布的改變對(duì)磁性能有明顯地影響。結(jié)果表明,隨著絕緣粘結(jié)劑含量的增加,Fe-Si-Al粉芯的磁導(dǎo)率損耗皆會(huì)降低。絕緣粘結(jié)劑含量相同時(shí),高嶺土和Al2O3的添加會(huì)提高Fe-Si-Al粉芯的交流應(yīng)用性能。在粉末未經(jīng)分篩時(shí),最高磁導(dǎo)率Fe-Si-Al粉芯配方為1wt%的絕緣粘結(jié)劑添加,絕緣粘結(jié)劑成分為有機(jī)硅樹脂、高嶺土及Al2O3。其磁導(dǎo)率為60,在Bm為50mT時(shí)100kHz下?lián)p耗為25.2W/kg。最低損耗Fe-Si-Al粉芯配方為7wt%的絕緣粘結(jié)劑添加,絕緣粘結(jié)劑成分為有機(jī)硅樹脂、高嶺土及Al2O3。其磁導(dǎo)率為45,在Bm為50mT時(shí)100kHz下?lián)p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(dǎo)率越高,但同時(shí)損耗也會(huì)增加。選用粒度50μm的磁粉,絕緣粘結(jié)劑含量7wt%,絕緣粘結(jié)劑成分為有機(jī)硅樹脂、高嶺土及Al2O3制作的粉芯在Bm為50mT時(shí)100kHz下?lián)p耗最低,損耗值為14.0W/kg,同時(shí)磁導(dǎo)率也最低,磁導(dǎo)率值為40。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM27

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本文編號(hào)：2327137