在FeSi软磁复合材料表面原位沉积FePO4和Al(H2PO4)3的双层涂层，显著降低了高频下的磁芯损耗

《Journal of Alloys and Compounds》：Dual coatings of in-situ FePO4 and Al(H2PO4)3 on FeSi soft magnetic composites significantly decrease high-frequency core losses

双层磷酸盐绝缘涂层显著提升FeSi软磁复合材料性能，通过FePO4原位磷化层与Al(H2PO4)3溶胶-凝胶复合层协同作用，实现高电阻率（3.24Ω·cm）和低铁损（57mW/cm3@10mT/500kHz），优化热处理工艺后铁损降低35%。

　　

徐永康|吴林|党子豪|王一晨|范刚强|胡绍天|胡雅|方海浪

中国武汉科技大学化学与化学工程学院，湖北省煤炭转化与新碳材料重点实验室，武汉430081

摘要

目前电动汽车（EV）和太阳能电池中使用的绝大多数软磁复合材料（SMC）采用有机环氧树脂和硅树脂作为铁磁粉末的粘合剂和电绝缘体。然而，这些有机树脂无法承受高温应力退火，并且在数十年的使用寿命中容易老化；此外，用有机树脂粘合的SMC具有较差的回收性和可持续性。为了解决这些问题，本研究开发了由FePO₄和Al(H₂PO₄)₃组成的双层绝缘涂层。在通过原位磷酸钝化形成的高电阻FePO₄层的基础上，再涂覆一层Al(H₂PO₄)₃以增强绝缘层的粘附强度。由于Al(H₂PO₄)₃和FePO₄是同系磷酸盐，因此它们之间能形成强键。此外，Al(H₂PO₄)₃在加热过程中脱水缩合生成的玻璃相能有效填充SMC中的孔隙。本研究系统地研究了不同Al(H₂PO₄)₃添加量对SMC材料微观结构和磁性能的影响。结果表明，添加0.6 wt%的Al(H₂PO₄)₃显著提高了涂层的连续性和均匀性。最终制备的压缩磁环在10 mT/500 kHz的磁场下表现出3.24 Ω·cm的高电阻率和57 mW/cm³的低总磁损耗。优化退火工艺后，与初始涂层样品相比，磁损耗可降低35%。这项研究为高性能FeSi SMC的开发提供了一种有效的双层绝缘涂层策略，在电力电子行业中具有巨大的应用潜力。

引言

软磁复合材料（SMC）通过粉末冶金技术使用铁磁颗粒和绝缘材料制造，广泛应用于变压器、电动机、传感器和感应线圈等电磁领域[1]、[2]、[3]、[4]。它们具有成本适中、磁导率高、矫顽力低、电阻率高和损耗相对较低的特点。从化石燃料向可再生能源的快速转变导致了对高性能软磁材料的需求不断增加。然而，在高频应用中，SMC材料的磁损耗主要由涡流损耗主导[5]、[6]、[7]。因此，降低SMC中的高频涡流损耗已成为主流研究的方向。

设计和合成薄层、粘附性强、耐高温且电阻率高的绝缘壳结构对SMC材料至关重要。绝缘层通常分为有机和无机两类。有机涂层（如环氧树脂和硅树脂）具有优异的粘附性和柔韧性，但大多数有机涂层在高温退火条件下热稳定性较差，会导致最终SMC产品的磁性能下降[8]、[9]。此外，有机涂层的SMC在缺陷品和报废品中的回收性较差，因为在制造过程中会向软磁粉末中添加大量（0.5-2 wt%）的有机环氧树脂或硅树脂，这些成分（如碳和氢）会对软磁性能产生不利影响，并且在熔化和气雾化等回收过程中难以去除。

因此，克服传统有机环氧树脂和硅树脂涂层的局限性，用新型可靠、粘附性强、热稳定性高且电阻率高的无机绝缘壳替代它们，是当前SMC行业的主流研究方向。目前，已有许多研究利用各种氧化物（如MgO [10]、SiO₂ [11]、Al₂O₃ [13]、MnO₂ [15]、MnZn铁氧体 [16]和NiZn铁氧体 [17]）通过湿化学方法制备SMC材料的绝缘壳。

磷酸钝化在SMC行业中得到广泛应用，磷酸直接与软磁粉末表面反应形成高度粘附的绝缘层[18]、[19]、[20]。然而，单层磷酸绝缘层通常太薄且易碎，无法承受高压压实和随后的高温应力释放退火。为了解决单层磷酸绝缘的这些问题，工业界和学术界[21]、[22]、[23]、[24]都将有机环氧树脂或硅树脂引入SMC材料中。这种双涂层设计结合了有机和无机涂层的优点，从而提高了绝缘层的韧性。研究表明，双层涂层比单层涂层具有更完整的结构。然而，有机粘合剂的存在导致SMC材料在高温下的稳定性不足。此外，这些有机树脂中引入的碳和氢等有害元素会妨碍制造过程中的缺陷产品以及使用后的报废组件的回收利用（如熔化和气雾化）。因此，需要开发一种全无机双层绝缘涂层工艺，既能提高涂层的耐压性，又能保持高温稳定性，从而实现双层涂层的结构完整性和整体绝缘性能。

铝二氢磷酸盐是一种酸性的铝磷酸盐粘合剂，广泛用于陶瓷和耐火材料[25]、[26]。本文提出了一种方法：首先通过磷酸钝化在FeSi磁粉表面原位形成一层铁磷酸盐绝缘层[27]、[28]，确保FeSi粉末与铁磷酸盐层之间的牢固粘附；随后使用溶胶-凝胶法涂覆一层铝二氢磷酸盐。作为同系磷酸盐，铝二氢磷酸盐能与内部的铁磷酸盐层有效结合，形成紧密稳定的双层涂层结构。此外，铝二氢磷酸盐在高温下作为粘合剂，可增强粉末压实过程中FeSi软磁颗粒之间的结合。高温退火过程促进铝二氢磷酸盐的脱水和缩合，生成玻璃相，紧密包裹FeSi粉末颗粒并填充内部铁磷酸盐层中的微裂纹和孔隙，从而确保双层涂层的结构稳定性和整体绝缘性能。

实验部分

样品制备

本实验使用了由中国山西新生新材料有限公司生产、粒径为-800目的气雾化FeSi粉末作为原料。ICP-MS分析结果显示其组成为4.59 wt%的Si和95.03 wt%的Fe，其余为微量其他元素。采用化学钝化和溶胶-凝胶结合的方法制备了FePO₄-Al(H₂PO₄)₃复合绝缘涂层。首先，将气雾化FeSi粉末在磷酸混合溶液中进行钝化

微观结构和相组成

图2显示了磷酸钝化后FeSi粉末的表征结果。未经处理的原始粉末（图2a）表面光滑，球形度良好，适合后续涂层工艺。经过0.4 wt%磷酸处理后（图2b），整体颗粒形态仍较光滑；但观察到少量细小颗粒附着在颗粒表面

结论

本研究采用铝二氢磷酸盐作为粘合剂和二次绝缘涂层，用于磷酸钝化的FeSi软磁粉末，并系统研究了其对FeSi SMC微观结构、电阻率以及静态和动态磁性能的影响。通过化学钝化和溶胶-凝胶方法在FeSi颗粒表面构建了双层FePO₄-Al(H₂PO₄)₃绝缘结构。

CRediT作者贡献声明

王一晨：研究工作、数据分析。范刚强：研究工作、数据分析。吴林：初稿撰写、项目管理、数据分析、数据整理。党子豪：研究工作、数据分析。方海浪：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请。胡绍天：研究工作、数据分析。胡雅：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金申请。徐永康：初稿撰写、方法设计。

利益冲突声明

本文不存在利益冲突

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号61904130）、湖北省重点研发计划（项目编号2025BAB001、2023BAB122）以及湖北省煤炭转化与新碳材料重点实验室（项目编号WKDM201907）的宝贵支持。同时，我们还要感谢武汉科技大学分析与测试中心的王飞洲工程师和张国红工程师的帮助