软磁复合材料硝酸钠钝化绝缘包覆新技术丨Engineering

近日，Engineering在线发表了浙江大学严密教授、吴琛副教授团队将硝酸钠钝化作为软磁复合材料绝缘包覆新技术的研究成果。软磁复合材料由金属磁粉经绝缘、黏结、压制、热处理制成，是能源、交通、航空、国防等领域的关键基础材料。金属软磁电阻率低是本质特性，涡流损耗极难控制，已成为限制软磁复合材料高频应用的关键问题。在科学研究和工业生产中，通常采用磷酸钝化绝缘包覆技术。然而，生成的磷酸盐包覆层在600 ℃以上的退火温度下易分解，失去绝缘效果。开发新型绝缘包覆技术，获得与磁粉基体结合强度高且热稳定性和绝缘性好的包覆层，对软磁复合材料高频应用具有重要意义。

在本研究中，严密教授、吴琛副教授团队提出了软磁复合材料硝酸钠钝化绝缘包覆新技术，通过系统的成分及微结构表征揭示了包覆层随NaNO₃钝化液pH值变化的演变规律，并从热力学和动力学的角度分析了包覆层的生长机理。研究表明，在pH2的酸性NaNO₃钝化液中，生成的包覆层由Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃和AlO(OH)组成。酸性条件下NO₃⁻的氧化性较强，钝化层生长速率较快，但同时由于H⁺浓度较高，生成钝化层溶解速率也较高，最终获得的钝化层厚度较小。随着pH值升高至5，NO₃⁻的氧化能力减弱，Fe₂O₃转化为Fe₃O₄。尽管钝化层的生长速率略有减小，但H⁺浓度的降低也大大抑制了钝化层的溶解，包覆层具有最大厚度，使得软磁复合材料的电阻率显著提高，交流（AC）磁性能最优（50 kHz和100 mT测试条件下，μ_e=97.2，P_cv=296.4 mW/cm³）。当NaNO₃钝化液的pH值进一步升至8时，NO₃⁻的氧化性大大减弱，钝化层仅有Al₂O₃、AlO(OH)和SiO₂生成，且生长缓慢，厚度明显减小。此外，磁粉表面局部发生腐蚀，软磁复合材料性能相应恶化。

本研究报道的NaNO₃钝化技术不仅可以扩展用于其他软磁合金体系，亦为开发利用氧化性物质如亚硝酸盐、超氧化物和高锰酸盐等制备新型绝缘包覆层奠定了基础。

图1.不同pH条件下包覆层的生长机理及其对磁性能影响。绝缘包覆层为氧化物阻挡层和氢氧化物沉淀层组成的双层结构，其生长和溶解速率随NaNO₃钝化液pH值变化，导致包覆层厚度及相应软磁复合材料磁性能演变。