一种连续硅钢长纤维电工磁性材料及其制备方法

摘要

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种连续硅钢长纤维电工磁性材料的制备方法，包括：S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:0.5‑20，pH值保持5.6‑8.5；S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:5‑20；S3.混合溶液在60‑80℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；S4.在铁凝胶温度15‑20℃时，加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例；S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝；S6.热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。本发明最终纺出长径比超过4000:1的连续硅钢长纤维，而非短纤维。

权利要求

1.一种连续硅钢长纤维电工磁性材料的制备方法，其特征在于，包括：S1  .取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氢氧化锰的摩尔比为1:0 .5‑20，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持5.6‑8.5，并搅拌均匀得到混合溶剂；

S2  .在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:5‑20，并搅拌均匀得到混合溶液；

S3 .混合溶液在60‑80℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

S4  .在铁凝胶温度15‑20℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；

S5 .混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

S6  .将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维；

步骤S1所述有机溶剂为：聚乙烯醇或柠檬酸中的一种或两者混合；

步骤S2所述金属铁盐为：硝酸铁或氯化铁中的一种或两者混合；

所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与铁元素的预定比例为：A：B＝1‑10:90‑99；

所述硅元素摩尔质量A满足：A/(A+B)＝C；所述C的取值范围为：0.01‑0.1；

步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为0 .5‑1  .2ml/h，电压为15‑25kV，两电极距离为12‑16cm；

步骤S6所述热处理操作包括：

(1)在放置有长纤维状素丝的加热装置中，充入氮氢混合气体，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，加热3‑4个小时；

(2)控制加热装置的温度为380‑420℃，于空气环境中，煅烧4‑5个小时；

(3)充入氢气，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，加热4‑6个小时；

以气体体积计，步骤(1)所述氮氢混合气体中，氮气：氢气＝1:5‑20；

步骤(1)、步骤(3)所述逐步提升加热装置的温度，其升温速度为5‑30℃/min；

采用氧化镁或氧化铬涂层材料，对步骤S6所得连续硅钢磁性长纤维进行喷涂涂层。

2.一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，其特征在于，采用权利要求1所述的连续硅钢长纤维电工磁性材料的制备方法制备得到。

说明书

一种连续硅钢长纤维电工磁性材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及一种连续硅钢长纤维电工磁性材料。

背景技术

[0002] 在低频磁场下使用的软磁材料，要求具有高的磁导率和低的矫顽力等性能。磁导率高，当线圈匝数一定时，通以不大的激磁电流就能产生较高的磁感应强度，从而获得高的
输出电压。材料的矫顽力低，磁滞回线的面积小，则铁损亦小。因此，利用高磁导率、低矫顽
力的材料制成的铁芯有助于缩小产品的尺寸，提高灵敏度。

[0003] 低频软磁材料以硅钢片为主。含少量碳的铁中加入0.8～4.5％的硅，就是硅钢。硅钢与电工用的纯铁相比，电阻率较高，铁损低，磁时效应基本消除。目前硅钢片广泛用于电
机、变压器、继电器、互感器、开关等产品的铁芯。虽然硅钢片的饱和磁感应强度高，但是由
于含有硅元素，硅钢片的导热系数降低而硬度提高，脆性增大。正因如此，高性能冷轧硅钢
片的磁性对应力的影响比较敏感，在冲剪、叠装或卷绕铁芯的过程中，都会产生应力，使磁
性能恶化。这个缺点极大限制硅钢片应用于在各种特定结构与尺寸的设备。

[0004] 关注到磁性纤维材料的生产与应用日益成熟，生产用于低频磁场的连续硅钢长纤维电工材料将成为可能。连续硅钢长纤维可认为是硅钢片的一维体现，要求体态为丝状，宽
度为纳米或微米级别，具有较高的长径比。连续硅钢长纤维电工材料将硅钢片从三维结构
变为硅钢纤维的一维结构，在纳米和微米尺度下，可使磁导率进一步提高，矫顽力大大减
少。

[0005] 目前，大部分磁性纤维的相关专利都是关于短磁性纤维的制备方法，且很少涉及硅钢纤维的相关方面。专利《一种Mn‑Zn铁氧体纤维及其制备方法》(见专利公开号：CN 
101104556 A)，具体阐述Mn‑Zn铁氧体纤维的具体制备方法。该专利主要公布制备的是铁氧
体纤维，主要用于高频磁场领域。同时采用的是挑丝或抽丝或甩丝得到，得到的纤维直径在
0.2～100μm，没有到达纳米尺寸。专利《一种壳核结构磁性纤维状二氧化硅纳米颗粒及其制
备方法和应用》(见专利公开号：CN 107362775 A)，具体阐述一种壳核结构磁性纤维状二氧
化硅纳米颗粒及其制备方法。其外层为纤维状二氧化硅，内核为中空四氧化三铁。该专利得
到的是短纤维或者是纳米颗粒，长径比短。同时利用蒸馏水与无水乙醇交替清洗后烘干，最
终才得到纳米颗粒，效率低。专利《一种远红外扁平形ECDP磁性纤维及其制备方法》(见专利
公开号：CN 102011210 A)，发明具有抗菌、抗紫外线与远红外保健功能的扁平状磁性纤维。
该专利采用的是熔融纺丝法，非溶胶凝胶法与高压静电纺丝法的结合，整体工艺更为复杂。
专利《一种磁性纤维及其制造方法》(见专利公开号：CN 101649503 A)，采用的双螺杆机挤
出，造粒，获得磁性纤维芯层料。使用皮层料与芯层料按比例用皮芯纺丝机纺出卷绕成丝。
与以上专利不同，本发明专利主要提出一种硅钢纤维的制备方法，结合溶胶凝胶法与高压
静电纺丝法，采用特殊的工艺流程与配比，最终得到的是连续磁性长纤维。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种连续硅钢长纤维电工磁性材料的制备方法，包括：

[0007] S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:0.5‑20，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持5.6‑8.5，并搅拌均匀得到混合溶剂；

[0008] S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:5‑20，并搅拌均匀得到混合溶液；

[0009] S3.混合溶液在60‑80℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

[0010] S4.在铁凝胶温度15‑20℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；

[0011] S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

[0012] S6.将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。

[0013] 进一步的，步骤S1所述有机溶剂为：聚乙烯醇或柠檬酸中的一种或两者混合。

[0014] 进一步的，步骤S2所述金属铁盐为：硝酸铁或氯化铁中的一种或两者混合。

[0015] 进一步的，所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与铁元素的预定比例为：A：B＝1‑10:90‑99。

[0016] 进一步的，所述硅元素摩尔质量A满足：A/(A+B)＝C；所述C的取值范围为：0.01‑0.1。

[0017] 进一步的，步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为0.5‑1.2ml/h，电压为15‑25kV，两电极距离为12‑16cm。

[0018] 进一步的，步骤S6所述热处理操作包括：

[0019] (1)在放置有长纤维状素丝的加热装置中，充入氮氢混合气体，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，加热3‑4个小时；

[0020] (2)控制加热装置的温度为380‑420℃，于空气环境种，煅烧4‑5个小时；

[0021] (3)充入氢气，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，加热4‑6个小时。

[0022] 进一步的，以气体体积计，步骤(1)所述氮氢混合气体中，氮气：氢气＝1:5‑20；

[0023] 进一步的，步骤(1)、步骤(3)所述逐步提升加热装置的温度，其升温速度为5‑30℃/min。

[0024] 进一步的，采用氧化镁或氧化铬涂层材料，对步骤S6所得连续硅钢磁性长纤维进行喷涂涂层。

[0025] 此外，本发明还提供了一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，采用上述连续硅钢长纤维电工磁性材料的制备方法制备得到。

[0026] 本发明至少具有以下优点之一：

[0027] 本发明专利提供一种连续硅钢长纤维电工材料的制备方法。其至少具备如下优点。

[0028] 1.本发明专利结合溶胶凝胶法与高压静电纺丝法两种技术，根据不同的配比得到合适的可纺前驱体。通过控制合适的高压静电纺丝机的参数，结合滚筒式收集器，最终纺出
长径比超过4000:1的连续硅钢长纤维，而非短纤维。本发明提出的硅钢长磁性纤维制造工
艺，与目前硅钢片的冷轧或热轧工艺完全不同。

[0029] 2.从磁化特性的角度来看，本发明专利所得纳米尺度下的一维连续硅钢长纤维由于更接近铁单质本身的尺度量级，所获得的磁导率更高，矫顽力减少。连续硅钢长纤维电工
磁性材料利用纳米技术的优势，从源头上大大提升材料的磁性能，在相同体积下，使设备得
到更大的磁场强度。这样将会就一步缩小电工电气设备的尺寸，节省资源的消耗。

[0030] 3.本发明专利所得连续硅钢长纤维具有一维结构的优势，将有利于构建先进的产品设备结构，使其真正朝扁平化、微型化方向发展。通过特殊工艺，可以将一维结构的纤维
编织成二维平面的膜。这一优势特别有利于设备的扁平化发展。通过工艺的改造，甚至可以
直接在电工芯片中构造磁芯，催生新的芯片制造工艺，孕育新的产业与商机。通过3D打印技
术，可以直接的得到立体结构，省去传统工艺制造的铆接、焊接等流程，大大提升产品的生
产与交付速度。为柔性制造，个性化定制的工业4.0，提供基础技术革新支持。

具体实施方式

[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0032] 实施例1

[0033] 一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，采用下述方法制备得到：

[0034] S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:10，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持7.2，并搅拌均匀得到混合溶剂；步骤S1所述有
机溶剂为：聚乙烯醇。

[0035] S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:10，并搅拌均匀得到混合溶液；步骤S2所述金属铁盐为：硝酸铁。

[0036] S3.混合溶液在70℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

[0037] S4.在铁凝胶温度18℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与
铁元素的预定比例为：A：B＝2:98。

[0038] S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

[0039] 步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为0.8ml/h，电压为20kV，两电极距离为14cm。

[0040] S6.将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。

[0041] 实施例2

[0042] 一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，采用下述方法制备得到：

[0043] S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:20，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持5.6，并搅拌均匀得到混合溶剂；步骤S1所述有
机溶剂为：柠檬酸。

[0044] S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:20，并搅拌均匀得到混合溶液；步骤S2所述金属铁盐为：氯化铁。

[0045] S3.混合溶液在80℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

[0046] S4.在铁凝胶温度20℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与
铁元素的预定比例为：A：B＝10:99。

[0047] S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

[0048] 步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为1.2ml/h，电压为25kV，两电极距离为16cm。

[0049] S6.将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。

[0050] 实施例3

[0051] 一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，采用下述方法制备得到：

[0052] S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:0.5，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持8.5，并搅拌均匀得到混合溶剂；步骤S1所述有
机溶剂为：聚乙烯醇、柠檬酸等比例混合。

[0053] S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:5，并搅拌均匀得到混合溶液；步骤S2所述金属铁盐为：硝酸铁、氯化铁等比例混合。

[0054] S3.混合溶液在60℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

[0055] S4.在铁凝胶温度15℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与
铁元素的预定比例为：A：B＝1:90。

[0056] S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

[0057] 步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为0.5ml/h，电压为15kV，两电极距离为12cm。

[0058] S6.将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。

[0059] 实施例4

[0060] 一种连续硅钢长纤维电工磁性材料，采用下述方法制备得到：

[0061] S1.取有机溶剂、氢氧化锰与去离子水混合，其中有机溶剂与氧化锰的摩尔比为1:3，添加去离子水使最终使溶液的pH值保持6.8，并搅拌均匀得到混合溶剂；步骤S1所述有机
溶剂为：聚乙烯醇、柠檬酸等比例混合。

[0062] S2.在混合溶剂中加入金属铁盐，其中金属铁盐与混合溶剂的质量比为：1:12，并搅拌均匀得到混合溶液；步骤S2所述金属铁盐为：硝酸铁、氯化铁等比例混合。

[0063] S3.混合溶液在70℃温度下，真空脱水至凝胶态，得到铁凝胶；

[0064] S4.在铁凝胶温度18℃时，逐滴加入四氯化硅，并搅拌直至达到预定的硅元素与铁元素比例，得到混合凝胶；所述硅元素摩尔质量为A，铁元素摩尔质量为B；步骤S4所述硅与
铁元素的预定比例为：A：B＝5:98。

[0065] S5.混合凝胶采用高压静电纺丝法进行纺丝，并收集所得长纤维状素丝；

[0066] 步骤S5所述高压静电纺丝的控制参数为：流速为0.8ml/h，电压为18kV，两电极距离为13cm。

[0067] S6.将步骤S5所得长纤维状素丝置于加热装置中，热处理操作后得到连续硅钢磁性长纤维。

[0068] 实施例5

[0069] 基于实施例1‑4任一实施例，所述硅元素摩尔质量A满足：A/(A+B)＝C；所述C的取值范围为：0.01‑0.1。相比其余硅元素比例下的最终产品的纤维长度，控制硅元素摩尔质量
在该范围内可以明显提高最终产品的纤维长度，相比增长15‑20％。

[0070] 实施例6

[0071] 基于实施例1‑4任一实施例，步骤S6所述热处理操作包括：

[0072] (1)在放置有长纤维状素丝的加热装置中，充入氮氢混合气体，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，优选750℃，加热3‑4个小时，优选3.5小时；

[0073] (2)控制加热装置的温度为380‑420℃，优选400℃，于空气环境种，煅烧4‑5个小时，优选4.5小时；

[0074] (3)充入氢气，并逐步提升加热装置的温度，并最终稳定在730‑770℃，优选750℃，加热4‑6个小时，优选5小时。

[0075] 以气体体积计，步骤(1)所述氮氢混合气体中，氮气：氢气＝1:5‑20，优选1：10；步骤(1)、步骤(3)所述逐步提升加热装置的温度，其升温速度为5‑30℃/min，优选15℃/min。
该操作可以去除硅钢长纤维中多余的氧元素。

[0076] 基于本发明的1个实施例，采用氧化镁或氧化铬涂层材料，对步骤S6所得连续硅钢磁性长纤维进行喷涂涂层，可以起到良好的防腐蚀作用。

[0077] 本发明至少具有以下优点之一：

[0078] 本发明专利提供一种连续硅钢长纤维电工材料的制备方法。其至少具备如下优点。

[0079] 1.本发明专利结合溶胶凝胶法与高压静电纺丝法两种技术，根据不同的配比得到合适的可纺前驱体。通过控制合适的高压静电纺丝机的参数，结合滚筒式收集器，最终纺出
长径比超过4000:1的连续硅钢长纤维，而非短纤维。本发明提出的硅钢长磁性纤维制造工
艺，与目前硅钢片的冷轧或热轧工艺完全不同。

[0080] 2.从磁化特性的角度来看，本发明专利所得纳米尺度下的一维连续硅钢长纤维由于更接近铁单质本身的尺度量级，所获得的磁导率更高，矫顽力减少。连续硅钢长纤维电工
磁性材料利用纳米技术的优势，从源头上大大提升材料的磁性能，在相同体积下，使设备得
到更大的磁场强度。这样将会就一步缩小电工电气设备的尺寸，节省资源的消耗。

[0081] 3.本发明专利所得连续硅钢长纤维具有一维结构的优势，将有利于构建先进的产品设备结构，使其真正朝扁平化、微型化方向发展。通过特殊工艺，可以将一维结构的纤维
编织成二维平面的膜。这一优势特别有利于设备的扁平化发展。通过工艺的改造，甚至可以
直接在电工芯片中构造磁芯，催生新的芯片制造工艺，孕育新的产业与商机。通过3D打印技
术，可以直接的得到立体结构，省去传统工艺制造的铆接、焊接等流程，大大提升产品的生
产与交付速度。为柔性制造，个性化定制的工业4.0，提供基础技术革新支持。

[0082] 应该注意到并理解，在不脱离本发明权利要求所要求的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受
所给出的任何特定示范教导的限制。