微量Al/Mo添加对低Nb含量Fe-Si-B-Cu-Nb纳米晶合金结构及高频磁性能的调控机制与性能优化

为解决高功率密度器件对高饱和磁通密度(Bs )与优异高频性能软磁材料的迫切需求，研究人员通过向Fe78.2 Si11 B8.5 Cu0.8 Nb1.5 合金中添加2 at.% Al或Mo，开发出兼具高Bs (1.50 T)、超高有效磁导率(μe 达30000@10 kHz)和低损耗(Pcv 430 kW/m3 @100 kHz)的纳米晶合金。该研究揭示了Al/Mo通过细化α-Fe晶粒(14.0-17.1 nm)和调控非晶基体结构，显著降低涡流损耗与过剩损耗的机制，为高频软磁材料设计提供了新思路。

　　

随着能源革命与低碳经济的推进，电力电子器件正朝着高功率密度与高效能方向快速发展。这一趋势对软磁材料提出了严苛要求：既需要高饱和磁通密度(B_s
)以保证能量传输效率，又需具备优异的高频特性以降低能量损耗。在众多软磁材料中，Fe基纳米晶合金因其适中的B_s
、低矫顽力(H_c
)、高磁导率(μ)和近零磁致伸缩等特性，成为1-500 kHz频率范围内最具应用潜力的电磁转换材料。然而，传统高B_s
纳米晶合金往往面临磁导率不足与高频损耗过高的瓶颈，如何突破这一性能制约成为领域内亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，来自大连理工大学的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表最新成果，通过创新性地向低Nb含量Fe-Si-B-Cu-Nb体系引入微量Al/Mo，成功开发出兼具超高B_s
与高频性能优化的新型纳米晶合金。研究采用电弧熔炼结合单辊快淬技术制备非晶带材，通过差示扫描量热法(DSC)分析晶化行为，利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征微观结构，结合振动样品磁强计(VSM)和阻抗分析仪测定磁性能，系统探究了Al/Mo对合金非晶形成能力、纳米晶化行为及高频磁性能的影响机制。

实验结果揭示多重突破性发现
在"Results"部分，XRD分析证实添加2 at.% Al/Mo的铸态带材均保持完全非晶结构，但Al促进局部类晶有序(CLO)形成，而Mo增强非晶均质性。DSC显示Al/Mo显著提高α-Fe晶化温度，其中Mo使晶化峰温提升18 K。经最佳退火后，Al/Mo使α-Fe平均晶粒尺寸(D_α-Fe
)从25.6 nm分别细化至17.1 nm和14.0 nm。

磁性能测试表明，Al/Mo添加使矫顽力(H_c
)降低超86%，100 kHz下有效磁导率(μ_e
)提升达476.9%，同时0.2 T/100 kHz条件下的核心损耗(P_cv
)下降超44.3%。尤为突出的是，Fe_76.2
Si₁₁
B_8.5
Cu_0.8
Nb_1.5
Mo₂
合金实现1.50 T高B_s
、1.4 A/m极低H_c
、10/100 kHz下μ_e
分别达30000/19400，以及430 kW/m³
的低P_cv
。

机制解析与理论创新
在"Discussion"部分，研究阐明性能提升的双重机制：一方面，Al通过诱导Cu原子偏聚促进α-Fe形核，Mo则通过抑制晶界迁移阻碍晶粒生长，共同实现纳米结构细化；另一方面，电阻率(ρ_e
)测试显示Al/Mo分别提高电阻率15.3%/28.6%，有效抑制涡流损耗(P_ec
)。磁畴观测证实添加元素可细化磁畴宽度至1/3-1/2，大幅降低过剩损耗(P_ex
)。

该研究通过巧妙的成分设计，突破传统高B_s
纳米晶合金的高频性能瓶颈，为开发新一代高频电力电子器件核心材料提供理论指导与技术支撑。其创新性体现在：首次阐明Al/Mo对Fe-Si-B-Cu-Nb体系非晶结构差异化的调控规律；建立"成分-结构-电阻率-磁畴-损耗"的多级关联模型；开发出综合性能优于商业Finemet的合金体系，具有重要的工程应用价值。