原位磁性氧化物界面工程实现高频软磁复合材料高效制备

原位磁性氧化物界面工程实现高频软磁复合材料高效制备

近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室研究员柯海波、汪卫华团队提出“原位纳米磁性氧化物界面工程+超低压力成型”一体化制备策略，将粉末表面氧化“缺陷”转化为优势——通过可控原位氧化，在纳米非晶粉末表面自发形成厚度约2纳米的超薄磁性氧化物壳层。相关成果发表于《材料科学技术（英文版）》（ Journal of Materials Science & Technology ）。

在电力电子、5G/6G通信、AI服务器及新能源汽车等领域迅猛发展的背景下，电子元器件正朝高频化、大功率、小型化和低能耗方向演进。作为核心功能材料，软磁材料承担能量转换与信号传输的关键角色。然而，传统软磁材料各有短板：硅钢高频损耗急剧攀升；铁氧体虽高频损耗低，但饱和磁感应强度不足，难以支撑大功率和小型化需求。如何让一种材料同时具备高饱和磁化强度、高频稳定磁导率和低损耗，成为该领域长期追求的目标。

非晶基软磁复合材料因兼具非晶合金的高电阻率和磁性组元的优异磁响应，被视为破解难题的希望所在。但长期以来，其性能提升受制于三重矛盾：其一，传统雾化微米级非晶粉末受限于非晶形成能力与铁含量的相互制约，饱和磁化强度难以突破，微米尺寸又易引发较强涡流损耗；其二，为抑制颗粒间涡流并稳定磁导率，通常需包覆非磁性绝缘层，但这会稀释磁性相，导致饱和磁化强度下降；其三，传统制备流程涉及粉末制备、绝缘包覆、高压成型和高温退火等多步工序，各环节相互牵制，易引起绝缘层破坏、内应力集中或非晶基体晶化等问题。

聚焦上述挑战，研究团队在国家自然科学基金、广东省重点研发计划等项目资助下开展了一系列创新探索。此前，团队已取得两项重要进展：通过引入纳米级Fe 4 N相，将饱和磁感应强度提升至约226 emu/g，突破常规依赖α-Fe相析出提升的理论极限；提出表面纳米工程的包覆改性思路，实现磁导率与损耗的协同优化。在此基础上，团队提出“原位纳米磁性氧化物界面工程+超低压力成型”一体化制备策略。该壳层既能有效阻隔颗粒间涡流通道，又因其磁性本质而不产生显著磁稀释效应，从界面层面化解了绝缘与磁性能相互制约的核心矛盾。

据介绍，研究团队采用化学还原法制备出粒径细小的nano-FeB非晶粉末，由于粉末极细且界面丰富，仅需100 MPa的超低成型压力即可获得致密块体，无需传统工艺中数GPa的高压和后续高温退火去应力处理，将原本繁复的四步流程缩短为两步，大幅降低了能耗和时间成本。

nano-FeB粉末的饱和磁感应强度高达约172 emu/g，远超常规雾化铁基非晶粉末体系。其软磁复合材料在高达约85 MHz的频率范围内仍能保持磁导率稳定，品质因数达到约105（对应峰值频率约80 MHz），优于绝大多数已报道的微米粉末基软磁复合材料；在100 kHz下的损耗亦优于传统体系。更值得一提的是，该材料抗压强度较传统FeSiBCCr软磁复合材料（经树脂包覆、2 GPa压制和退火）提升约2倍，器件服役可靠性大幅增强。

这些优异性能的物理机制在于超细粒径与大量界面的协同效应。纳米颗粒之间密布的空隙形成强退磁场，有效抑制高频下磁导率的快速衰减；金属内核与表层磁性氧化物的界面处生成定向内建电场，限制电子沿垂直界面方向传导，从而显著削弱高频涡流损耗。两者共同作用，使材料在高频下兼具稳定磁导率与低损耗。

该研究为开发小型化、高频、低损耗的新型软磁器件提供了全新设计思路，在高速开关电源、射频电感、车载功率磁元件及AI服务器供电模块等前沿应用场景中具有广阔前景。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.07.067

主题：