北京
隨著新能源與電力電子器件不斷向高頻化方向發展，對軟磁復合材料的磁導率穩定性、直流偏置性能與高頻損耗控制提出了更高要求。Fe基非晶/納米晶軟磁復合材料（SMCs）優勢顯著，但片狀Fe基非晶/納米晶磁粉在制備過程中，普遍存在絕緣包覆不夠均勻、高溫退火后絕緣完整性下降等問題，使得顆粒間渦流難以得到有效抑制，進而影響材料在高頻條件下的服役性能。
近日，清華大學深圳國際研究生院、深圳順絡電子股份有限公司與華南理工大學聯合團隊圍繞片狀FeSiBCuNb納米晶磁粉的絕緣包覆與結構調控開展研究。作者提出磷酸鈍化耦合TiO2沉積復合策略，在FeSiBCuNb片狀磁粉表面成功制備致密均勻的絕緣層，并通過后續晶化退火，同步誘導磁粉基體與包覆層之間發生元素互擴散，原位生成SiO2與Nb2O5過渡層，最終形成TiO2/磷酸鹽/(SiO2, Nb2O5)異質多層絕緣結構，實現納米晶軟磁復合材料界面絕緣特性與電磁性能協同提升。
相關工作以“Boosting Electromagnetic Properties of Nanocrystalline Soft Magnetic Composites by Constructing a Heterogeneous Insulating Multilayer”發表于ACS旗下應用材料領域權威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。其中，清華大學博士后周幫與華南理工大學博士周陽為共同第一作者，深圳順絡電子郭海總工、華南理工大學余紅雅教授、劉仲武教授為共同通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.5c26273
測試結果顯示，單純磷酸鈍化的粉末表面絕緣層分布不均，而采用磷酸鈍化與TiO2復合包覆后，粉末表面形成了更加均勻、完整的包覆層。多種表征結果共同證實，經過復合處理的磁粉表面生成了磷酸鹽與TiO2組成的連續絕緣層，顯著提升了包覆均勻性與界面絕緣效果。
圖1 片狀軟磁粉末包覆后的表面結構對比
經晶化退火后，粉末由非晶態轉變為α?Fe(Si)納米晶相與殘余非晶相共存的復合結構，同時界面元素發生定向擴散，原位形成梯度清晰、結構致密的三層非晶絕緣結構。該多層結構連續完整、界面結合力強，大幅提高了軟磁復合材料的體電阻率，高效阻斷顆粒間渦流通路。
圖2 晶化退火后的片狀軟磁復合粉末界面結構
通過損耗分離分析與電磁仿真證實，該異質多層絕緣結構可有效緩解磁粉表面電流密度集中，大幅降低渦流損耗；同時均勻包覆層可平滑粉末邊緣、減少壓制過程內應力，使磁滯損耗與剩余損耗同步降低，從而在顯著降低磁芯損耗的同時，有效提升了材料的頻率穩定性與直流偏置性能。
圖3 不同絕緣特性下的軟磁復合材料電磁仿真結果
該工作通過化學沉積、界面元素互擴散與晶化退火的協同作用下，改善了片狀磁粉表面的包覆層厚度與顆粒間絕緣性能，并系統研究了包覆工藝與退火處理對絕緣層結構演變的影響，闡明了異質多層絕緣結構對納米晶軟磁復合材料電磁性能的作用規律，為片狀Fe基納米晶軟磁復合材料的絕緣設計與性能優化提供參考，對高頻功率電感相關材料的開發具有一定的實用價值。
本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。
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