Preparation and properties of iron based soft magnetic composites coated with mixed resin
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摘要: 随着移动通讯、智能制造、汽车电子与电子新能源等新兴领域的快速发展，对磁粉芯的损耗及其他方面的性能提出了更高的要求。将环氧树脂与有机硅树脂进行共混改性，并对磷化处理后的羰基铁粉进行有机绝缘包覆，再对包覆后的磁粉进行压制成型及固化处理制备成铁基磁粉芯(SMCs)。研究了不同成分共混树脂对铁基磁粉芯组织结构与电磁学性能的影响。结果表明，共混树脂通过形成有效的包覆层结构，减少粉末颗粒在压制过程所引入的应变，同时隔离颗粒间的接触以切断涡流，使所制备的磁粉芯密度达到6.82 g/cm3、电阻率高达1.1×106 Ω·cm，并提高了品质因数，降低了高频损耗。当共混树脂由33.3wt%环氧树脂与66.7wt%有机硅树脂组成时，铁基磁粉芯的综合性能最佳，在200 kHz下的功率损耗仅为1182.7 kW/m3。通过选用合适成分的共混树脂包覆剂，进一步优化铁基磁粉芯的磁性能，在中高频领域具有广阔的应用前景。Abstract: With the rapid development of mobile communication, intelligent manufacturing, automotive electronics, electronic new energy and other emerging fields, reducing the magnetic loss and improving other properties of SMCs are required. The silicone resin mixed with epoxy resin was used to coat the phosphatized carbonyl iron powder (CIP). And the coated powders were fabricated into iron based soft magnetic composites (SMCs) through compression and curing. The effects of different mixed resins on the microstructure and electromagnetic properties of iron-based SMCs were studied. The results show that the mixed resin has been formed a reasonable coating layer on the surface of powders, which leads to reduce the strain of the powders introduced during compression and isolate the powders to cut off the eddy current. As a result, the density of SMCs can reach 6.82 g/cm3, the resistivity is as high as 1.1×106 Ω·cm. Meanwhile, its quality factor is improved and the magnetic loss at high frequency is reduced. When the mixed resin is composed of 33.3wt% epoxy resin and 66.7wt% silicone resin, the SMCs are provided with optimal comprehensive performance with 1182.7 kW/m3 loss only at 200 kHz. The magnetic properties of iron-based SMCs are further optimized through selecting the blending resin coating agent with suitable composition, which has a broad application prospect in the field of medium and high frequency.
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Keywords:
- soft magnetic composites /
- mixed resin /
- insulation coating /
- magnetic loss /
- quality factor
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猪笼草口缘区表面有纹理，可用水溶液润滑使其有利于捕捉滑入猪笼草的昆虫[1-2]。根据猪笼草的工作机制，研究人员提出了一种新型疏水表面：润滑剂注入型光滑多孔表面(SLIPS)。由于陷在多孔结构上的润滑剂与水相或其他液体不相溶，因此SLIPS结构不易损坏，具有良好的耐高温、耐高压性[3-4]。此外，陷在粗糙结构表面润滑剂流动性强，使润滑表面在受到外界干扰时能够完成自修复[5]。这些优势使SLIPS在液滴微流体[6-7]、防冰[8-9]、自清洁[10-11]、抗生物污染[12-13]、相变热传递[14-15]、减阻[16-17]等方面具有广阔的应用前景。
在SLIPS中加入刺激响应性材料，可在外界刺激下实现目标液滴动态操控，这种精准控制液滴运输的智能润滑表面因在生物芯片和微流控等领域的巨大应用潜力，引起了科研人员的广泛研究兴趣。目前，已通过机械力[18-19]、热[20-21]、电[22-23]、磁[24-25]和光诱导[26-27]等外界刺激改变SLIPS界面润湿性，从而控制液滴运动状态。Pu等[28]将磁性响应的铁/聚二甲基硅氧烷(Fe/PDMS)凝胶膜与硅油结合在一起，在脉冲磁场作用下利用Fe/PDMS凝胶膜上磁锥的可逆形成/消失，实现了水/气两用光滑凝胶表面分别对液滴和气泡的磁诱导操控。Zhao等[18]通过模拟蚯蚓的自适应液体释放和表面结构固定润滑剂的特性，描述了一种外部机械刺激下能够快速释放储存在纹理中润滑油的软聚合物涂层，从而在固态环境下保持自适应性减摩、耐磨和自清洁性能。Han等[29]展示了一种基于氧化锌纳米多孔复合材料的光电协同响应润滑面，在光电协同刺激下，可实现液滴的可控运动和图形化书写应用。
在以上所述外界刺激中，光响应润滑表面因其具有远距离、非接触操控和低接触角滞后等显著优势，被视为一种有竞争力的操控界面[30]。一般来说，添加的光响应材料(例如石墨烯、Fe3O4)赋予新表面光热响应功能，引发的润湿性梯度力(Fwet-grad)可作为强大的驱动力，同时注入的润滑剂使原本的疏水表面形成气/液/液/固体系统，进而可进行精准无损液滴操控。例如，Wang等[31]通过在光热响应石墨烯海绵中灌注石蜡，同时利用掩模对近红外光路进行图案化规划，能够实现材料表面的可编程液滴滑动路径。虽然这项工作具有良好的可重复性及高效的可调控性，但是石蜡润滑剂的高滞后阻力仍然是影响液滴响应速度的极大阻碍。后来，Gao等[30]利用液滴非对称变形和内部马兰格尼流之间的协同效应，开发了一种掺杂Fe3O4的光响应有机凝胶光滑表面，近红外诱导的动态温度梯度衍生出润湿梯度力、马兰格尼力，可作为驱动力实现液滴高效传输。尽管上述方法已经证明了液滴滑动路径和速度是可控的，但仍有一些问题有待解决：(1)为了防止与润滑剂不相溶的目标液体侵入SLIPS界面，需制备超疏水多孔基底，而采用模板转移法和化学氟化相结合的传统方法过于繁琐，且并不环保；(2)虽然目前已经有对液滴操控性能影响因素的研究，但不同润滑剂流变性能(黏度和表面张力)与滑动速度之间的定量关系还有待探究。因此，有必要对基于光热材料的多孔润滑表面展开一种更简便、更环保的制备方法，并从流体力学定量分析的角度深入了解其内在机制。
在此，本文用飞秒激光交叉扫描制备了一种基于Fe3O4纳米颗粒的光响应SLIPS，在单侧近红外光刺激下，不对称的近红外负载导致基底形成温度梯度，引起液滴润湿梯度和内部马兰格尼流，驱使多种类型液滴以较高的速度向任意方向滑动。利用简单加载/撤离近红外负载，可以选择性地控制液滴滑动/钉扎状态，液滴运动方向和路线可以通过调谐近红外光照射位置进行实时更新。此外，基于液滴流体动力学分析，通过定量分析Fe3O4含量、润滑剂流变性能、液滴表面张力与液滴移动速率、响应时间之间的关系，进而实现液滴操控性能优化。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
实验用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为道康宁SYLGARD184，Fe3O4颗粒直径为10 nm(纯度≥99.9%)；驱使液滴运动的近红外光照源为深圳台住激光公司的808 nm近红外点状激光器，功率为300 mW，照射面积为2.3 mm×1.4 mm点区域；近红外光激光器的辐射距离可以由一个专用万能支架在10~50 cm范围进行调整，实验中近红外辐射距离默认为10 cm。5 cSt矿物油、10 cSt二甲基硅油、10 cSt矿物油、100 cSt二甲基硅油、蓖麻油、无水乙醇、乙二醇、丙三醇、NaCl溶液均购于成都瑞思试剂公司，实验用水均为去离子水。
1.2 加工及表征设备
实验用飞秒激光器加工系统由美国Coherent公司Chameleon Vision-S种子激光和Legend Elite F HE-1K钛蓝宝石啁啾脉冲放大系统组成，激光波长为800 nm，脉冲宽度为104 fs，频率为1 kHz，加工过程中激光功率、扫描间距和速度分别设置为250 mW、100 μm和4 mm·s−1。
在样品性能表征中，用日本电子公司JSM-7500F冷场发射扫描电子显微镜观察样品表面形貌，用德国Dataphysics公司OCA20视频光学接触角测量仪测量加工样品界面上的液滴接触角。在室温条件下(10%RH湿度、20℃)将5.0 μL去离子水滴用悬滴法滴到样品上测其接触角，每组样品均在不同区域进行至少5次重复测试，然后取其平均值作为静态接触角。同时，接触角测量仪配有分辨率为1 280×1 024的屏幕截图软件bandicam，可拍摄操控不同液滴运动过程的视频和图片。
1.3 光热响应SLIPS的制备及表征
图1(a)为SLIPS简易制备过程。将Fe3O4纳米颗粒、PDMS预聚体和固化剂(预聚物与固化剂的比例为10∶1)手动混合，通过磁力搅拌器以2 000 r/min转速搅拌5 min；将均匀混合物倒入培养皿中，抽真空30 min后放置在100℃恒温箱中1 h，待固化后将其从培养皿中剥离得到Fe3O4/PDMS复合材料。利用飞秒激光对Fe3O4/PDMS复合薄膜进行交叉扫描，制备形成三维微柱阵列结构。如图1(b)和图1(d)所示，柱状结构的平均周期、柱宽、柱高分别为92、40、68 μm，生成的超疏水表面接触角为150°。通过图1(c)中局部放大电镜图观察可知，激光诱导的柱状结构由复合多级微纳米结构组成，包括微纳米颗粒、微纳米多孔和微柱，有助于减少润滑油的损失及防止目标液滴侵入界面。与其他激光加工方式相比，飞秒激光具有超快加工速度和超低热效应等优势，能够在不改变材料的本征晶相的情况下诱导分层微纳米结构，并且材料表面无飞溅熔渣，在改善液滴滑动性能方面更有效[32-34]；随后，将制备的柱状结构Fe3O4/PDMS薄膜浸入10 cSt二甲基硅油中24 h进行键合，硅油在毛细力的作用下会在柱状粗糙界面形成一层油膜；最后，将润滑处理过的光滑多孔表面垂直静置5 min去除多余的硅油，制备出掺杂Fe3O4的光热响应SLIPS。
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图 1 掺杂Fe3O4纳米颗粒的润滑剂注入型光滑多孔表面(SLIPS)制备过程 (a) 和飞秒激光刻蚀制备的超疏水微柱阵列薄膜电镜图((b)~(d))Figure 1. Facile fabrication of Fe3O4NPs-doped slippery lubricant-infused porous surface (SLIPS) (a) and SEM images of the as-prepared superhydrophobic micropillar-arrayed film by femtosecond laser cross-scanning ((b)-(d))PDMS—Polydimethylsiloxane2. 结果与讨论
2.1 光热响应SLIPS液滴操控原理
为实现液滴在SLIPS上的稳定滑动，目标液滴、润滑剂和原始粗糙界面的组合表面张力应满足以下标准[35]：
Δγ=γ2cosθ2−γ1cosθ1−γ12>0 (1) 其中：γ1、γ2、γ12分别为目标液滴的表面张力(水，γ1=72.7 mN·m−1)、润滑剂的表面张力(10 cSt二甲基硅油，γ2=19.7 mN·m−1)和他们之间的界面张力(γ12=56.5 mN·m−1)；θ1和θ2为目标液滴(θ1=150°)和润滑剂(θ2=0°)在原始粗糙界面的水接触角。对于该系统，∆γ=26.2>0符合标准，水滴在SLIPS上能进行稳定无损滑动。如图2(a)所示，通过施加单侧近红外刺激，SLIPS中Fe3O4纳米颗粒的光热效应引起温度梯度，液滴两端润湿梯度和内部拉普拉斯压差分别衍生润湿梯度力和马兰格尼力，驱使液滴由钉扎状态开始滑动；撤离近红外光时，液滴逐渐停止滑动直至恢复钉扎状态。图2(b)为10 μL水滴在Fe3O4含量为5wt%的SLIPS界面受近红外驱使的智能运动控制过程。
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图 2 基于近红外响应(NIR)在SLIPS界面进行液滴操控Figure 2. Droplet manipulation on night-time ozone profile (NIR)-responsive SLIPS图3为有无单侧近红外刺激下液滴润湿性变化的机制模型。根据经典杨氏方程[36]：
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图 3 无外界近红外刺激 (a) 和有外界近红外刺激时 (b) 润湿梯度差异原理Figure 3. Mechanism illustration for the wettability gradient variation without (a) and with (b) a unilateral NIR-stimulicosθ=(γog−γol)/γlg (2) 其中，γlg、γog和γol分别为液-气、油-气及油-液界面的张力。润滑剂表面张力γog与温度成反比，近红外触发端SLIPS区域温度升高将导致触发端γog减小，液滴接触角增大。如图3(a)所示，无近红外刺激下，γog(A)=γog(R)，θA=θR，其中A端为近红外触发端，R端为未触发端。如若施加单侧近红外辐射，如图3(b)所示，触发端A处SLIPS温度升高，γog(A)<γog(R)，θA>θR，液滴发生明显变形。在含5wt% Fe3O4的SLIPS上，在无近红外单侧辐照下，10 μL水滴的θA=θR =87°，而存在近红外单侧辐照A端时，前进角大于后退角，θA=92°>θR=85°。
在光热响应SLIPS施加非对称近红外负载，照射SLIPS区域Fe3O4纳米颗粒的光热效应导致基底存在温度梯度，液滴两端形成的润湿梯度衍生润湿梯度力Fwet-grad[37]：
Fwet−grad=γlg(cosθR−cosθA)d (3) 其中，d是液滴接触界面的特征长度，Fwet-grad方向由触发端A指向非触发端R。其次，由于液滴内部存在热传递和表面张力梯度，引发内部拉普拉斯压差，形成马兰格尼力FM [38]：
FM=πd24dγlgdTdTdx (4) 其中：dγlg/dT是液-气界面张力随温度的变化；dT/dx是沿液滴运动方向的表面热梯度。FM在运动平面上的方向是由热端指向冷端，即由A端指向R端。此外，由于液滴和润滑剂都具有黏度，因此液滴滑动时会产生与液滴运动方向相反的阻力FH[39]：
FH=α(ηlg+ηog)νπd2 (5) 其中：α是数值因子；ηlg是液滴黏度；ηog是润滑剂黏度；ν为液滴的滑动速度。FH方向与液滴运动方向相反，即与前两种驱动力方向相反。在近红外驱动液滴运动过程中，FM远小于Fwet-grad[40-41]，因此在分析中忽略FM，将Fwet-grad视为主驱动力。
基于以上近红外驱动液滴的动力学分析，可以推断，在光诱导液滴运动的初始阶段，光热响应SLIPS产生的热量与表面润滑剂进行缓慢的热传递和热交换，液滴润湿梯度不足以克服润滑界面黏附力作用，Fwet-grad<FH，液滴保持钉扎状态；待表面温度升高至液滴两端形成足够大的润湿梯度，Fwet-grad>FH，液滴将由钉扎状态开始加速运动；与此同时，FH随着运动速度加快而不断增大，液滴所受合力逐渐达到平衡，当Fwet-grad=FH时，液滴以稳定的速度运动；当近红外刺激被撤离，剩余温度梯度因向周围冷源传播而减小，此时Fwet-grad小于FH但不等于0，液滴会减速，但由于施加近红外刺激时基底的升温速度小于撤走红外时基底的降温速度，液滴的减速快于之前施加刺激时的加速过程[30]；在残余温度梯度消失时，FH=0，液滴会在没有近红外干扰的情况下恢复钉扎状态。
2.2 Fe3O4含量对液滴运动的影响
考虑到Fwet-grad大小主要由同一液滴的θA和θR之差决定，即由温度响应的润湿梯度决定，因此，Fe3O4质量分数通过对近红外辐射SLIPS区域温度变化造成影响，进而改变液滴滑动速度。从图4(a)可以看出，当SLIPS中Fe3O4质量分数从1wt%增加到5wt%时，液滴滑动速度逐渐增大，但当浓度大于5wt%时，液滴滑动速度几乎不变。以10 μL液滴为例，在含1wt%~7wt% Fe3O4的SLIPS上液滴的平均滑动速度分别测量为220、387、599、698、785、793和818 μm·s−1。在单侧近红外刺激下，随着SLIPS中光热响应材料含量越高，局域化温度越高，γog(A)越小，θA越大，液滴所受驱动力Fwet-grad也就越大。在初始阶段，液滴的流体动力学受Fe3O4相对含量增加引起的局部化温度升高的影响较大，然而随着掺杂量的进一步增加，温度达到饱和，液滴滑动速度也趋于饱和状态[42]。另外，可以通过改变液滴体积控制液滴运动，如图4(a)所示，随着液滴尺寸增大，滑移速度呈下降趋势。以含5wt%Fe3O4为例，5~40 μL水微滴的平均滑动速度分别为865、785、592、518、491和380 μm·s−1。液滴越大，与基底接触的特征长度越大，液滴与润滑剂之间逐渐增大的黏附力阻碍液滴运动。以上变化趋势分析也适用于图4(b)所示的调整近红外辐射距离控制液滴速度过程，在Fe3O4质量分数不变的情况下，随着光源距SLIPS辐射距离增加，液滴滑动速度下降；然而在距离上升到30 cm后，液滴滑动速率下降趋势渐缓，也达到饱和值。以含5wt% Fe3O4为例，10~60 cm辐射距离的水微滴(10 μL)平均滑动速度分别为785、547、482、456、440和413 μm·s−1。
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图 4 Fe3O4含量和液滴体积 (a) 及近红外光辐射距离 (b) 对液滴运动的影响Figure 4. Effect of Fe3O4-doped content and droplet volume (a) and irradiation distance (b) on droplet’s motion除了滑动速度，响应时间也是光响应操控液滴效率的关键，在此响应时间可以定义为近红外刺激下使液滴在SLIPS上开始运动的辐照时间，光接触液滴边缘的时间设置为0 ms。如图5(a)所示，在Fe3O4含量大于2wt%的SLIPS上，驱动液滴的响应时间小于1 s，随着Fe3O4含量的增加，反应时间缩短且变化趋势渐缓。由此可见，Fe3O4含量越高，SLIPS照射区域温度升高，导致Fwet-grad增长速度越快，从而缩短了光驱动响应时间。此外，图5(b)表明液滴体积的变化对运动响应时间影响不大。
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图 5 Fe3O4含量 (a) 及液滴体积 (b) 对液滴响应时间的影响Figure 5. Influence of Fe3O4NPs content (a) and droplet volume (b) on droplet’s response time2.3 润滑剂流变性能对液滴运动的影响
润滑剂的流变参数，包括表面张力(γog)和黏度(ηog)对液滴流体动力学的影响，前者影响Fwet-grad，后者影响FH。选择利用5种黏度越来越大的润滑剂润滑处理过的SLIPS，进行液滴滑动速度差异性研究，分别为5 cSt矿物油(5/2.76)、10 cSt二甲基硅油(10/2.01)、10 cSt矿物油(10/2.87)、100 cSt二甲基硅油(100/2.1)和蓖麻油(680 cSt/3.74×10−2 N·m−1)。在图6(a)中，随着界面润滑剂黏度增大，五种不同SLIPS上液滴速度分别为976、785、598、539、17 μm·s−1。由此可以很明显看出，润滑剂黏度与液滴的运动速度成相反变化趋势，结果与FH理论公式相吻合，润滑剂黏度越大，液滴滑动阻力FH越大。此外，在图6(b)对润滑油的表面张力与液滴滑动速度的定量分析中，并未发现明显规律。基于以上动力学分析，可以通过选择润滑剂种类来决定液体传输性能，在这种需要液滴快速精准运输的场景下宜选择黏度较小的润滑油，但由于矿物油稳定性比起硅油较差，在此次研究中选择10 cSt二甲基硅油对粗糙基底进行润滑处理。
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图 6 润滑剂黏度 (a) 和表面张力 (b) 对液滴运动的影响(含量为5wt%Fe3O4的SLIPS)Figure 6. Influence of lubricant’s viscosity (a) and surface tension (b) on droplet’s motion (5wt%Fe3O4-doped SLIPS)2.4 利用智能SLIPS操控不同种类液滴
要实现全方面的智能液滴运动操控，除了能够控制水滴外，外界刺激响应界面还应能实现不同类型液滴动态操控，这对于实现在芯片实验室、微流控反应器、远程液体输送等领域的广泛应用是很有必要的[5,31,43]。利用SLIPS操控液滴的前提条件是目标液滴与基底表面润滑剂不相溶，在满足此前提基础上，选择乙醇、乙二醇、丙三醇、水和NaCl溶液，来展示光热响应SLIPS操纵各种液滴的能力。如图7所示，随着五种目标液滴的表面张力逐渐增大(2.28×10−2、4.84×10−2、6.33×10−2、7.27×10−2、8.66×10−2 N·m−1)，θA和θR都逐渐增大，可以改变液滴特征长度即润湿面积，其相应的滑动速度分别测定为205、667、500、785和662 μm·s−1。由此可见，各种类型液滴的滑动速度与其表面张力不成线性关系，但与表面张力相关这点毋庸置疑。通过利用单侧近红外刺激实现不同类型液滴的智能精准输送，足以证明此界面可在多环境下展现其不受时空间限制的潜在优势。
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图 7 在5wt%Fe3O4的SLIPS上受近红外驱使的五种液滴随着表面张力不断增大的平均滑动速度变化Figure 7. Corresponding variations of NIR-actuating droplet’s average sliding velocity with the increasing of five droplet’s surface tension on 5wt%Fe3O4-doped SLIPS3. 结 论
(1) 利用飞秒激光正交线扫描技术，快速制备了一种掺杂Fe3O4纳米颗粒的光热响应润滑剂注入型光滑多孔表面(SLIPS)。利用温度梯度导致的液滴两端润湿梯度和内部马兰格尼流，通过简单加载/撤离单侧近红外光刺激，可选择性控制掺杂Fe3O4纳米颗粒SLIPS表面的液滴滑动/钉扎状态。通过调整近红外光触发位置，也可操控其表面各种类型液滴趋向任意方向滑动。
(2) 基于液滴运动过程中流体动力学模型，定量分析SLIPS表面Fe3O4含量、润滑剂流变参数及液滴类型对液滴滑动速度和响应时间的影响，以实现SLIPS表面液滴操控性能优化。
(3) 光响应操控界面的液滴动力学定量分析，为仿猪笼草光响应润滑表面设计及在微芯片技术、微流控技术、生物医学检测等相关领域的进一步应用提供了帮助。
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图 1 不同成分配比树脂包覆后磁粉的SEM图像： (a) SMCs；(b) 16.7wt%EP/SMCs；(c) 33.3wt%EP/SMCs；(d) 50.0wt%EP/SMCs；(e) 83.3wt%EP/SMCs；(f) 100.0wt%EP/SMCs
Figure 1. SEM images of the magnetic powders coated with different mixed resins: (a) SMCs; (b) 16.7wt%EP/SMCs; (c) 33.3wt%EP/SMCs; (d) 50.0wt%EP/SMCs; (e) 83.3wt%EP/SMCs; (f) 100.0wt%EP/SMCs
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图 2 不同成分配比树脂包覆磁粉芯的断面SEM图像：(a) SMCs；(b) 16.7wt%EP/SMCs；(c) 33.3wt%EP/SMCs；(d) 50.0wt%EP/SMCs；(e) 83.3wt%EP/SMCs；(f) 100.0wt%EP/SMCs
Figure 2. Fracture SEM images of the SMCs based on the powders coated with different mixed resins: (a) SMCs; (b) 16.7wt%EP/SMCs; (c) 33.3wt%EP/SMCs; (d) 50.0wt%EP/SMCs; (e) 83.3wt%EP/SMCs; (f) 100.0wt%EP/SMCs
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图 3 不同成分配比树脂对磁粉芯密度的影响
Figure 3. Effects of the mixed resin composition on the SMCs density
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图 4 不同成分配比树脂对磁粉芯电阻率的影响
Figure 4. Effects of the mixed resin composition on the SMCs resistivity
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图 5 不同成分配比树脂包覆磁粉芯的复数磁导率µ：(a) 实部μ'-环氧树脂占比曲线图；(b) 虚部μ''-频率曲线图
Figure 5. Permeability µ of the cores coated with different mixed resins: (a) μ'-epoxy resin proportion curve; (b) μ''-frequency curves
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图 6 不同成分配比树脂包覆磁粉芯的损耗因子
Figure 6. Loss factor of the cores coated with different mixed resins
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图 7 不同成分配比树脂包覆磁粉芯的品质因数
Figure 7. Quality factor of the cores coated with different mixed resins
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图 8 不同成分配比树脂包覆磁粉芯的功率损耗随频率变化曲线(a)和随树脂成分变化曲线(b)
Figure 8. Core loss curves of the cores under different frequencies (a) and with different resin compositions (b)
表 1 共混树脂成分配比
Table 1 Ingredients list of the mixed resin
Samples number Epoxy resin∶Silicone
resin (mass ratio)Epoxy percentage/
wt%SMCs 0∶1 0.0 16.7wt%EP/SMCs 1∶5 16.7 33.3wt%EP/SMCs 1∶2 33.3 50.0wt%EP/SMCs 1∶1 50.0 66.7wt%EP/SMCs 2∶1 66.7 83.3wt%EP/SMCs 5∶1 83.3 100.0wt%EP/SMCs 1∶0 100.0 Notes: SMCs—Soft magnetic composites; EP—Epoxy resin. 
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目的
随着移动通讯、智能制造、汽车电子与电子新能源等新兴领域的快速发展，对磁粉芯的损耗及其他方面的性能提出了更高的要求。本研究利用环氧树脂与有机硅树脂物理共混后所得的不同共混树脂对磁粉进行绝缘包覆，研究不同成分共混树脂对铁基磁粉芯组织结构与电磁学性能的影响规律。
方法将环氧树脂与有机硅树脂进行共混改性，并对磷化处理后的羰基铁粉进行有机绝缘包覆，其次对包覆后的磁粉进行压制成型及固化处理制备成铁基磁粉芯。利用Nova Nano SEM 430型号的场发射电子显微镜表征有机绝缘包覆后的磁粉与其磁粉芯断面的微观形貌；采用ST2644型超高阻微电流测试仪测量磁粉芯的电阻率；利用IM3536型号的LCR测试仪测试磁粉芯的复数磁导率和品质因数；采用SY-8218型号的B-H仪分析磁粉芯在不同频率条件下的功率损耗。通过选用合适成分的共混树脂包覆剂，进一步优化铁基磁粉芯的磁性能。
结果从样品的扫描电镜下的微观形貌可以看出，在环氧树脂占比为16.7~33.3wt.%时，颗粒在压制后球形度高，包覆层相对完整，磁粉芯具有较低的孔隙率。在有机硅树脂中混入环氧树脂可以增强补性，使得共混树脂同时具备表面分散均匀包覆与颗粒间局部偏聚包覆的效果。并且还能够有效缓冲压制过程中粉末颗粒发生的大量塑性变形，保持完整的球形度。从磁粉芯样品的物理特性可以看出，添加少量环氧树脂的共混树脂可以有效提高磁粉芯的绝缘能力，环氧树脂含量为33.3wt.%时，密度达到最高值6.82 g/cm，磁粉芯电阻率为1.1×10 Ω·cm，共混树脂包覆的磁粉芯具有相对较优的综合特性。从磁粉芯样品测试的磁性能可以看出，环氧树脂占比为33.3wt.%时，共混树脂包覆的磁粉芯的损耗因子最低，同时具有相对较高的磁导率和相对较高的品质因数。此外还发现，在不同频率条件下，随共混树脂中环氧树脂成分含量的增加，功率损耗均呈现先下降后上升的变化趋势，在环氧树脂占比为33.3wt.%时，磁粉芯的功率损耗达到最低值1182.7 kW/m(50mT@200kHz)，即共混树脂包覆的磁粉芯拥有良好的高频低损耗特性。因此，合理配比的共混树脂成分可以获得高性能铁基磁粉芯。
结论利用环氧树脂对有机硅树脂进行改性后的共混树脂，适用于铁基磁粉芯的有机绝缘包覆。(1)共混树脂通过包覆效果的互补，有效隔离磁粉颗粒，减少磁粉在压制过程中所产生的应变。(2)采用共混树脂作为有机绝缘包覆剂，所制备的磁粉芯同时具备高密度(6.82 g/cm)和高电阻率(1.1×10 Ω·cm)的特点，并有效提高了品质因数，降低了高频损耗。(3)共混树脂的最佳成分配比为环氧树脂占比33.3wt.%、有机硅树脂占比66.7wt.%，此成分共混树脂所制备的磁粉芯损耗相对最低，磁性能相对最优。
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仅采用单一成分的树脂进行有机绝缘包覆，只能在高温稳定性与粘结性能间进行选择，往往会出现“短板”。而尝试多组分共混树脂进行包覆可以得到较优的综合性能，从而拓宽铁基磁粉芯高温适用性。
本文通过环氧树脂对有机硅树脂进行共混改性，采用共混改性的树脂对磷化处理后的羰基铁粉进行有机绝缘包覆，并通过对磁粉进行压制成型及固化处理制备成铁基磁粉芯。共混树脂通过形成有效的包覆层结构，减少粉末颗粒在压制过程所引入的应变，同时隔离颗粒间的接触以切断涡流，使所制备的磁粉芯密度达到6.82 g/cm3、电阻率高达1.1×106 Ω·cm，并提高了品质因数，降低了高频损耗。当共混树脂由33.3wt.%环氧树脂与66.7wt.%有机硅树脂组成时，铁基磁粉芯的综合性能最佳，在200 kHz下的功率损耗仅为1182.7 kW/m3。通过选用合适成分的共混树脂包覆剂，进一步优化铁基磁粉芯的磁性能，在中高频领域具有广阔的应用前景。
不同成分配比树脂包覆磁粉芯的功率损耗：(a) 随频率变化；(b) 随树脂成分变化
计量
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