可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及复合软磁材料领域，尤其涉及一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着人机交互的发展，可穿戴触觉交互继视觉和听觉之后，也逐渐得到越来越多人的关注。力触觉交互在提高用户体验、增强交互自然性、扩展人机交互方式和促进多感官交互等方面都具有重要的意义。在触觉交互中，平面线圈可以作为触觉反馈装置，通过改变线圈的电流或磁场强度，产生相应的触觉刺激，如振动、压力等，可以让用户感受到虚拟物体的质地、形状等信息，从而为用户提供直观的触觉反馈。然而，随着设备集成度持续提升，迫切需要触觉器件的小型化，但这带来了有限的磁场范围和低的散热效率等难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料及其制备方法与应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨将软磁材料磨成粉体，通过颗粒分离得到2～5μm的软磁材料粉体；

(2)将软磁材料粉体、球形导热填料和二甲基硅油按4～5:5～4:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌0.5-2.0h；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.5-1.0h，得到软磁材料/导热填料/硅油混合材料；

(3)将0.2～10g步骤(2)制备得到的软磁材料/导热填料/硅油混合材料转移至压片模具中，在软磁材料/导热填料/硅油混合材料的上方和下方各放置一块PET膜，通过施加压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

进一步地，步骤(2)中，若搅拌过程中出现结块现象，喷洒酒精，但除气后需要在60℃环境下保持1～4h，直至质量不在减少后进行步骤(3)。

进一步地，所述软磁材料为铁硅铝、锰锌铁氧体、镁锌铁氧体或铁镍合金。

进一步地，所述球形导热填料为球形氧化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形氮化铝、球形氮化硼或球形碳化硅。

进一步地，所述压片模具为半径为4～80mm和厚度1～20mm的圆柱体压片模具，或长为4～160mm、宽为4～160mm和高为1～20mm的长方体压片模具。

进一步地，步骤(3)中，所述压力为10～20Mpa。

第二方面，本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

第三方面，本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的应用，将可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料作为平面线圈的填充物或平面线圈的一部分。

进一步地，所述平面线圈为漆包铜线线圈、封装液态金属线圈或铜包铝漆包线线圈。

第四方面，本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的应用，将可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料应用于力触觉界面。

本发明的有益效果是：

1)提高磁场强度：通过将软磁材料和导热硅脂相结合，可以有效地增强磁场强度；这种复合材料具有高磁导率，可以形成均匀的磁场分布，从而提高了磁场的稳定性和可靠性；

2)增强散热性能：导热硅脂具有良好的导热性能，可以将软磁材料产生的热量传递到散热器或其他散热部件，从而有效地降低温度并提高散热效率；这种材料还具有较好的耐高温性能，可以在高温环境下使用。

附图说明

图1为软磁铁硅铝材料和实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的XRD光谱图，其中，图1(a)为软磁铁硅铝材料的XRD光谱图，图1(b)为实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的XRD光谱图；

图2为软磁铁硅铝材料和实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的SEM形貌图，其中，图2(a)为软磁铁硅铝材料的SEM形貌图，图2(b)为实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的SEM形貌图；

图3为感应磁场强度-电流变化图，其中，图3(a)为实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料置于0.5mm线径的31圈平面线圈的下端的电流-感应磁场强度变化图，图3(b)为实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料置于0.2mm线径的50圈的平面线圈下端的电流-感应磁场强度变化图；

图4为不同电压激励下线圈温度随时间的变化图；

图5为线圈工作温度达到80℃时表面温度的线分布图；

图6为不同软磁复合材料使用方式对线圈表面温度随时间的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本发明进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明保护范围。

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨将软磁材料磨成粉体，通过颗粒分离得到2～5μm的软磁材料粉体；

(2)将软磁材料粉体、球形导热填料和二甲基硅油按4～5:5～4:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌0.5-2.0h；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.5-1.0h，得到软磁材料/导热填料/硅油混合材料；

(3)将0.2～10g步骤(2)制备得到的软磁材料/导热填料/硅油混合材料转移至压片模具中，在软磁材料/导热填料/硅油混合材料的上方和下方各放置一块PET膜，通过施加压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

步骤(2)中，若搅拌过程中出现结块现象，喷洒酒精，但除气后需要在60℃环境下保持1～4h，直至质量不在减少后进行步骤(3)。

所述软磁材料为铁硅铝、锰锌铁氧体、镁锌铁氧体或铁镍合金。

所述球形导热填料为球形氧化铝、球形氧化镁、球形氧化锌、球形氮化铝、球形氮化硼或球形碳化硅。

所述压片模具为半径为4～80mm和厚度1～20mm的圆柱体压片模具，或长为4～160mm、宽为4～160mm和高为1～20mm的长方体压片模具。

所述压力为10～20MPa。

使用发明的软磁复合材料来增强平面线圈空间磁场强度，平面线圈为漆包铜线线圈、封装液态金属线圈或铜包铝漆包线线圈，可以通过特斯拉计和红外热成像仪表征工作状态下的表磁强度和温度的变化，相关结果有助于将可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料应用于力触觉界面。

实施例1

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨，通过高速旋转的磨轮和物料之间的冲击力将铁硅铝磨成铁硅铝粉末，通过颗粒分离得到2μm的铁硅铝粉末；

(2)将铁硅铝粉末、球形氧化镁和二甲基硅油按4:5:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌0.5h，以保证充分的搅拌，使三类物料的均匀混合；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.5h，去除混合物中的气体，提高产品的致密度和稳定性，得到铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料；

(3)将2.0g步骤(2)制备得到的铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料转移至半径为20mm和厚度为1.5mm的圆形压片模具中，在铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料的上方和下方各放置一块半径为20mm的PET膜，通过施加15MPa压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

本实施例制备的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料为半径20mm、厚度1mm的混合磁性薄片。对实施例1制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料进行检测。利用三维特斯拉计检测实施例1制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料在半径为20mm、厚度为4mm的液态金属线圈空间范围内的磁场分布，发现可以将线圈的最大面磁场从15mT提高到20mT，磁场强度提高了33％，持续通电两分钟，利用红外相机测得的线圈表面最高温度低于60℃。

实施例2

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨，通过高速旋转的磨轮和物料之间的冲击力将铁硅铝磨成铁硅铝粉末，通过颗粒分离得到5μm的铁硅铝粉末；

(2)将铁硅铝粉末、球形氧化铝和二甲基硅油按5:4:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌1.0h，以保证充分的搅拌，使三类物料的均匀混合；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气1.0h，去除混合物中的气体，提高产品的致密度和稳定性，得到铁硅铝/氧化铝/硅油混合材料；

(3)将1.0g步骤(2)制备得到的铁硅铝/氧化铝/硅油混合材料60℃干燥1h后，转移至半径为10mm和厚度为1mm的圆形压片模具中，在铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料的上方和下方各放置一块半径为10mm的PET膜，通过施加15MPa压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

本实施例制备的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料为半径10mm、厚度0.5mm的混合磁性薄片。

检测

对实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料进行检测。检测实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的磁导率、磁场分布、散热性能等关键指标，确保其满足设计要求。如图1(a)和图1(b)所示，XRD光谱图表明实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料具有比较明显的衍射峰、具有很好的结晶性。如图2(a)和图2(b)所示，SEM形貌图表明使用的铁硅铝材料是球形的；在实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料中铁硅铝混合均匀，铁硅铝的结构在软磁复合材料备过程中并未被破坏。

应用

将实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料应用于平面线圈中，有效增强平面线圈的感应磁场强度。如图3(a)所示，

将实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料(FeSiAl软磁)置于0.5mm线径的31圈平面线圈的下端，如图3(b)所示，将实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料(FeSiAl软磁)置于0.2mm线径的50圈的平面线圈下端，在不同的激励电流下都能获得相应的感应磁场强度。随着电压的增大，生成的磁场越大，且在可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的作用下，磁感应强度也明显增加，大约增加在20％-40％之间，且随着施加的激励电压或电流的增加，磁场的增强比例也逐渐增加。根据软磁材料的磁学特征，可以得到一个增强的最大值，但是在小尺寸平面线圈的应用中，很难达到增强的最大值，当然不达到极值并不影响专利中涉及到的相关应用。

如图4所示，在有可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的作用下，3V电压激励下的线圈温度从室温25℃缓慢上升，在1分钟时达到60℃，在2分钟时达到70℃，大大降低了线圈工作时的温度。随着电压的减小，其线圈工作时积累的热量也大幅度降低。当线圈持续工作，当检测到最高温度为80℃时，得到的线温度分布曲线图如图5所示，说明工作状态下的最高温度集中于线圈中心位置。工作温度的相关测试结果还表明，不同的软磁复合薄膜的放置方式也可以达到不同的散热效果。如图6所示，利用两层实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料，其导热性能会比只用一层软磁复合材料时更好，但是，考虑到器件封装后的体积，只用一层实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料也可以有效地进行热管理。因此，实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料能够有效地阻值线圈热量的积累，且能够增强线圈的表面磁场。实施例2制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料具有高磁导率、均匀磁场分布、散热性能好等优势，可以广泛应用于各种需要散热和磁场增强的应用领域。

实施例3

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨，通过高速旋转的磨轮和物料之间的冲击力将锰锌铁氧体磨成锰锌铁氧体粉末，通过颗粒分离得到2μm的锰锌铁氧体粉末；

(2)将锰锌铁氧体粉体、球形氧化铝和二甲基硅油按4:5:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌1.0h，以保证充分的搅拌，使三类物料的均匀混合；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.5h，去除混合物中的气体，提高产品的致密度和稳定性，得到锰锌铁氧体/氧化铝/硅油混合材料；

(3)将6.0g步骤(2)制备得到的锰锌铁氧体/氧化铝/硅油混合材料转移至半径为10mm和厚度为2mm的圆形压片模具中，在铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料的上方和下方各放置一块半径为10mm的PET膜，通过施加15MPa压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

本实施例制备的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料为半径10mm、厚度1mm的混合磁性薄片。对实施例3制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料进行检测。将两层可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料分别放置于半径为10mm、厚度为1mm的0.5mm线径的漆包铜线线圈的上端和下端，利用三维特斯拉计检测其在空间范围内的磁场分布，发现可以铜线圈的最大面磁场从25mT提高到30mT，磁场强度提高了20％，持续通电两分钟，利用红外相机测得的线圈表面最高温度低于70℃。

实施例4

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨，通过高速旋转的磨轮和物料之间的冲击力将铁镍合金磨成铁镍合金粉末，通过颗粒分离得到2μm的铁镍合金粉末；

(2)将铁镍合金粉体、球形氧化镁和二甲基硅油按4.5:4.5:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌0.6h，以保证充分的搅拌，使三类物料的均匀混合；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.8h，去除混合物中的气体，提高产品的致密度和稳定性，得到铁镍合金/氧化镁/硅油混合材料；

(3)将0.5g步骤(2)制备得到的铁镍合金/氧化镁/硅油混合材料转移至半径为6mm和厚度为1mm的圆形压片模具中，在铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料的上方和下方各放置一块半径为6mm的PET膜，通过施加10MPa压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

本实施例制备的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料为半径6mm、厚度0.5mm的混合磁性薄片。对实施例4制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料进行检测。利用三维特斯拉计检测其在半径为6mm，厚度为4mm的液态金属线圈空间范围内的磁场分布，发现可以将线圈的最大面磁场从4mT提高到5mT，磁场强度提高了25％，持续通电两分钟，利用红外相机测得的线圈表面最高温度低于60℃。

实施例5

本发明提供了一种可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用气流磨，通过高速旋转的磨轮和物料之间的冲击力将铁硅铝磨成铁硅铝粉末，通过颗粒分离得到2μm的铁硅铝粉末；

(2)将铁硅铝粉体、球形氮化铝和二甲基硅油按4:5:1的质量比混合，并通过机械搅拌机在常温下搅拌0.5h，以保证充分的搅拌，使三类物料的均匀混合；随后转移至蒸发皿中，并在真空干燥箱中常温下除气0.5h，去除混合物中的气体，提高产品的致密度和稳定性，得到铁镍合金/氧化镁/硅油混合材料；

(3)将1.0g步骤(2)制备得到的铁镍合金/氧化镁/硅油混合材料转移至半径为10mm和厚度为3mm的圆形压片模具中，在铁硅铝/氧化镁/硅油混合材料的上方和下方各放置一块半径为10mm的PET膜，通过施加18MPa压力制备得到可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料。

本实施例制备的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料为半径10mm、厚度1mm的混合磁性薄片。对实施例5制备得到的可增强平面线圈空间磁场的软磁复合材料进行检测。利用三维特斯拉计检测其在半径为10mm，厚度为1mm的线径为0.2mm的漆包线铜线圈空间范围内的磁场分布，发现可以将线圈的最大面磁场从10mT提高到14mT，磁场强度提高了40％，持续通电两分钟，利用红外相机测得的线圈表面最高温度低于70℃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。