纳米级氮化铁复合软磁材料实现超高饱和磁化强度与磁软性协同优化

为解决软磁复合材料(SMCs)中高饱和磁化强度(Ms)与低铁损(Pcv)难以协同的难题，研究人员通过机械合金化(MA)结合热处理技术，在Fe-BN体系中成功引入纳米级Fe4N相，获得Ms达226 emu/g的SMCs，较传统α-Fe体系提升显著，同时Pcv降低67.2%。该研究为电子器件微型化提供了新型高性能磁性材料解决方案。

　　

现代电子设备微型化对软磁复合材料(SMCs)提出了近乎苛刻的要求：既需要像永磁体般强大的饱和磁化强度(M_s)，又要具备如丝绸般柔顺的磁软性以降低能量损耗。然而现实却如同鱼与熊掌——传统α-Fe基材料M_s遭遇200 emu/g的天花板，而低损耗的软磁铁氧体又因M_s不足0.5 T难以满足微型化需求。更令人头疼的是，现有技术往往需要添加铜(Cu)、铌(Nb)等非磁性元素来调控性能，这反而稀释了铁含量，形成恶性循环。

面对这一困局，中国科学院的研究团队另辟蹊径，将目光投向了具有"磁性增强器"之称的氮化铁相。Fe₄N相因其208 emu/g的本征M_s和高电阻特性，理论上能同时突破磁化强度和铁损的极限。但传统氨气氮化法耗时污染，等离子体氮化又仅能处理表面，这些技术瓶颈让氮化铁相在SMCs领域长期停留在理论设想阶段。

研究团队创新性地采用机械合金化(MA)技术，以纯Fe和BN粉末为原料，通过长达100小时的机械力化学作用，制备出粒径仅1.9 μm的Fe₈₄B₈N₈非晶纳米晶复合粉末。这种独特的结构创造了开放原子堆积环境，使氮原子得以深度掺杂。随后的短时热处理(650℃/2分钟)如同精准的分子剪刀，在材料中裁剪出体积分数达31.4%的纳米级Fe₄N相。

关键技术方法
研究采用机械合金化制备Fe-B-N非晶纳米晶复合粉末，通过延长球磨时间至100小时实现粒径控制；利用差示扫描量热法(DSC)确定相变温度；采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征微观结构；通过振动样品磁强计(VSM)测试磁性能；最后通过快速热处理实现Fe₄N相可控析出。

结构演变与磁性能调控
延长MA时间促使非晶相含量增加和颗粒细化，为氮的均匀掺杂创造条件。热处理后形成的Fe₄N纳米晶与残余非晶相构成双相结构，这种纳米级复相组织使M_s提升至226 emu/g，远超传统FeSi体系(200 emu/g)和非晶纳米晶材料(180 emu/g)。

磁损耗机制优化
Fe₄N相的高电阻特性显著降低涡流损耗，使复合材料在20 kHz/0.05 T条件下P_cv较无Fe₄N样品降低67.2%。纳米晶与非晶相的耦合作用还改善了磁导率(μ_e)的频率稳定性，使其在1-100 kHz范围内波动小于10%。

结论与展望
该研究突破传统α-Fe相的性能极限，通过纳米级Fe₄N相设计实现M_s与P_cv的协同优化。提出的机械合金化-短时热处理技术路线具有工艺简单、环境友好的优势，为高性能SMCs的工业化生产提供了新范式。未来通过调控Fe₄N相尺寸分布和界面工程，有望进一步优化高频磁性能，推动微型电感器、高频变压器等器件的发展。论文成果发表于《Journal of Materials Science》，通讯作者为Shao Liliang和Ke Haibo。