一步球磨法制备FeSiBNbCu@Fe3O4基纳米晶软磁复合材料的性能研究及其高频应用探索

为解决高频电力电子器件对低损耗(Pcv)、高磁导率软磁复合材料(SMCs)的迫切需求，研究人员创新性地通过一步球磨法在FeSiBNbCu纳米晶薄片表面构建Fe3O4绝缘涂层。该研究显著降低了涡流损耗(较未涂层样品降低76.5%)，同时保持高饱和磁化强度(Ms≥125 emu/g)，为新能源汽车充电桩和5G基站等高频场景提供了新型软磁解决方案。

　　

随着宽禁带半导体器件在电力电子领域的普及，对软磁材料提出了更严苛的高频性能要求。传统软磁复合材料(SMCs)虽通过粉末绝缘涂层技术实现了低损耗，但复杂的多步涂层工艺导致生产效率低下、成本高昂。特别是当使用纳米Fe₃O₄颗粒作为涂层时，其易团聚特性更使得均匀分散成为行业难题。

山东大学材料科学与工程学院的研究团队在《Powder Technology》发表的研究中，开创性地将纳米Fe₃O₄颗粒直接引入球磨工艺，通过机械力化学作用同步实现FeSiBNbCu非晶带材的粉碎、纳米晶化与表面涂层。该研究采用X射线衍射(XRD)分析相组成，振动样品磁强计(VSM)测试磁性能，并结合扫描电镜(SEM)观察微观形貌，系统探究了不同Fe₃O₄含量(0-4 wt%)对材料性能的影响。

粉末表征
XRD显示经500℃退火后样品出现α-Fe(Si)纳米晶衍射峰，平均晶粒尺寸为14.3 nm。SEM证实球磨后粉末呈厚度约1-3 μm的薄片状结构，Fe₃O₄颗粒均匀附着表面。当涂层含量达3 wt%时，粉末电阻率提升至1.74×10⁵ Ω·cm，较未涂层样品提高4个数量级。

磁性能分析
VSM测试显示3 wt% Fe₃O₄样品在100 kHz下损耗仅310 mW/cm³，较空白组降低76.5%。磁导率在1 MHz仍保持稳定值(μ≈32)，这归因于Fe₃O₄涂层有效抑制了涡流效应。值得注意的是，饱和磁化强度(M_s)始终维持在125 emu/g以上，证明磁性稀释效应得到良好控制。

该研究通过创新的一步球磨工艺，成功解决了纳米颗粒分散与绝缘涂层均匀性的技术矛盾。所制备的SMCs兼具低损耗、高频率稳定性和良好加工特性，特别适用于DC/DC转换器等高频场景。Guibing Shi等研究者提出的工艺路线将传统多步涂层简化为单步完成，生产效率提升300%以上，为5G通信基站和新能源汽车充电设备的电感元件提供了新材料选择。研究还发现过量Fe₃O₄(>3 wt%)会导致颗粒团聚，反而劣化性能，这为工业化生产提供了关键工艺窗口参数。