作为电力电子功率变换设备中的关键性材料，软磁材料是一类具有良好磁性能的材料，它们在外加磁场的作用下能够达到饱和磁化状态，并且在去除外部磁场后能够迅速失去磁性，可用于实现电能的变化与传输。随着电子行业的快速发展，新型电力电子设备及器件体积减小，对软磁材料的主要性能指标也提出了具体要求：

（1）高饱和磁化强度：以保证磁性元件具有较小的体积

（2）高的磁导率和较低的矫顽力：以保证磁性元件单位体积的高储能和对外界具有灵敏的响应。

（3）磁性能稳定性好：包括频率稳定性、热稳定性和时间稳定性，确保设备的可靠性

（4）低的功率损耗 ：降低设备的功率损耗，并避免因元器件发热引起的额外损耗和故障

软磁材料发展历程（来源：东方证券）及软磁粉芯

软磁材料的发展历经了硅钢片、铁氧体以及非晶、纳米晶软磁材料、磁粉芯4个阶段，其中磁粉芯是将金属或合金软磁材料制成粉末颗粒，并与绝缘材料混合后压制成型制备成的一类复合软磁材料，相比其他软磁材料，磁粉芯的软磁性能可在一个很大的范围内进行调节，主要通过选择合适成分的软磁合金粉末、无磁绝缘介质包覆工艺以及调整软磁颗粒的形貌粒度等来实现。

磁粉芯性能主要影响因素

一、成分

粉末的化学成分直接影响了其饱和磁感应强度和饱和磁化强度大小，根据金属软磁粉芯磁粉合金成分的不同，目前可以将金属软磁粉芯主要分为五大类：纯铁粉芯、铁硅铝粉芯、铁硅粉芯、铁镍粉芯和非晶/纳米晶粉芯。

1、纯铁磁粉芯——高性价比

是所有磁粉芯中制造成本最低的磁粉芯，其磁导率的频率稳定性和直流叠加性能好，但缺点是由于纯铁粉末电阻率比较低，在高频下应用时其涡流损耗较大，广泛用于滤波电感、储能电感和汽车点火线圈中。

2、铁硅铝磁粉芯——噪音小

相比纯铁粉芯，铁硅铝粉芯的价格略高，但磁损耗低 80%左右。因其磁致伸缩系数接近于 0，在工作时的噪音较小，在很多对于噪音有要求的电力电子工业的应用场合具有不错的前景，但其饱和磁通密度较低，在高的直流偏置场合中的应用受到限制。

3、铁镍磁粉芯——高饱和磁化强度、直流偏置特性佳

掺杂铁磁性元素镍能够制备高饱和磁化强度铁镍磁粉芯，它具有磁粉芯中最佳的直流偏置特性，但是其工艺复杂且涡流损耗很高，因此在电力电子和电机中并不常见，主要用于一些对直流偏置特性要求较高的设备中。

4、铁镍钼磁粉芯——综合性能好

往铁镍合金中掺杂钼元素，可增加电阻，降低铁镍磁粉芯的损耗，并减小其饱和磁滞伸缩系数和磁晶各向异性常数，是综合软磁性能极佳的一种软磁粉芯，但是，由于贵金属 Ni、Mo 的含量很高以及生产工艺复杂，铁镍钼磁粉芯的生产成本很高，主要应用于一些高端设备中。

几种常见金属磁粉心的电磁性能

二、软磁粉形貌粒度

磁粉颗粒的形貌对磁粉芯的性能有很大影响，一般包括球形和不规则形状，球形粉末主要由雾化法中的气雾化法制备，通过使用高速喷射的气流将熔融的液态合金打散成小液滴，并凝固成粉末，由于球形粉末表面光滑，有利于后续实现更均匀的绝缘包覆。除了气雾化法，雾化法还包括了以水为雾化介质的水雾化法，一般来说水雾化合金粉末的形状不规则、内应力较低，可直接压制成型，故制备的磁粉芯磁导率较高，但因包覆性不好，绝缘性较差。此外，机械破碎法也是软磁合金粉末常用的制备方法，这种方法工艺简单，成本较低，制备出的粉末呈不规则片状，是这几种方法制备的粉末中压制性最好的，制备的磁粉芯初始磁导率较雾化法的更高，但是其包覆性也更差，且粉末内应力过大，需进行后续去应力退火。

不同方法制备的粉末形貌：(a)水雾化法制备的类椭圆形不规则粉末，(b)气雾化法制备的球形粉末，(c)机械破碎法制备的片状不规则形粉末 

不同制备方式制备的粉末性能对比

除了形貌，粉末粒度也与磁粉芯的软磁性能有密切的关系。一般粒度较大的磁粉芯粉末，在压制过程中不容易搭桥，粉芯的生坯密度较大，制备的磁粉芯磁导率和饱和磁感应强度较高，但与此同时，磁粉芯的涡流损耗也较大。因此，可通过不同粒径的合金粉末搭配使用，有效有效降低粉芯内孔隙和提高粉芯性能。

三、绝缘介质选择

随着高频逆变技术的发展，电子元件逐渐向微型化和高频化发展，因此降低高频损耗就成了亟待解决的问题。包覆绝缘介质的作用就是把铁磁颗粒隔绝开来，阻止或减弱颗粒之间大涡流，从而使磁粉芯具有高频低损的特点。

磁粉芯的绝缘介质可分为有机和无机两种，有机绝缘剂主要是指一些热固性树脂，如环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等，由于大多数树脂本身是一种较好的粘结剂，利用其进行包覆后可提高压制后样品的强度，但是其耐热性能较差，高温下易碳化的同时，无法在压制后进行较高温度的去应力退火。无机绝缘剂主要包括云母、滑石、石英、磷酸盐、氧化物层等，与有机绝缘剂相比，其熔点较高，可在后续热处理过程中提高温度，充分释放内应力，从而降低磁损，但用无机包覆的磁粉芯压制性能、压制密度不如有机包覆。

纯 Fe 粉末经有机硅树脂包覆前后的 SEM 照片：(a)包覆前，(b)包覆后

纯 Fe 粉末包覆无机磷酸盐后的 SEM 照片：(a)包覆后 (b)包覆后放大

此外，不管是有机还是无机绝缘包覆，包覆用量都对磁电性能有很大的影响。 包覆用量增多会使磁粉的绝缘层变厚，虽然会降低粉芯的涡流损耗，提高粉芯的直流偏置能力，但是会使磁粉芯的有效密度减小,进而降低磁粉芯的有效磁导率，所以需要针对粉芯的具体应用场合调整包覆用量，实现磁电性能与实际的应用需求相符。

绝缘剂含量对磁粉芯有效磁导率µe及品质因数Q的影响

小结

磁粉芯材料具有高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗，契合了当今的电子元器件都向着小型化、高频化和高能量密度化的方向发展，被广泛应用于电力设备和高性能的电子功能器件中。磁粉芯的软磁性能通常可在一个大范围内进行调节，在选择应用时，需要根据实际需求和应用场景选择合适成分、形貌、粒度的软磁合金粉末以及无磁绝缘介质制备的软磁粉芯。

参考文章：

1、贺泓鑫,侯海彬,李奇等.磁粉芯的研究现状及发展趋势[J].磁性材料及器件.

2、孟庆珅. 高频功率电感用金属软磁粉芯的制备与磁性能研究[D].合肥工业大学.

3、贾许亮. 纯铁软磁复合材料的绝缘包覆及性能研究[D].广东工业大学.

4、刘国忠,杨啸峰,张公平等.金属磁粉芯绝缘包覆研究进展[J].磁性材料及器件.

5、张瑞标,朱小辉,杜成虎等.金属磁粉心的研究与发展[J].磁性材料及器件.

粉体圈 Corange

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。