高性能软磁复合材料：基于旋转反应器溅射技术优化Fe3O4涂层的低损耗与高磁导率研究

为解决高频电子器件中软磁复合材料（SMCs）的功率损耗（Pcv）高和磁导率（μ）不足的问题，研究人员通过旋转反应器溅射技术在FeSiBCr非晶磁粉表面构建厚度可控的Fe3O4绝缘层。结果表明，15 nm涂层使功率损耗降低73.5%，有效磁导率提升133.8%，同时界面SiO2层的形成显著抑制涡流损耗。该技术为高性能SMCs的规模化制备提供了新思路。

　　

论文解读

研究背景

在电动汽车、机器人和高频通信设备快速发展的今天，软磁材料（Soft Magnetic Materials）的性能直接决定了能源转换效率。传统硅钢和铁氧体材料面临“高频损耗高”与“饱和磁化强度（M_s）低”的双重困境。软磁复合材料（SMCs）虽通过绝缘涂层缓解了这一问题，但传统化学镀层或球磨法难以实现纳米级均匀包覆，且易引入缺陷。如何精准调控涂层厚度与微观结构，成为突破性能瓶颈的关键。

研究设计与方法

研究人员采用旋转反应器溅射技术，在FeSiBCr非晶磁粉表面沉积15-50 nm的Fe₃O₄层，通过控制溅射时间（2-8小时）和退火工艺（250°C）优化涂层。结合透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和电子能量损失谱（EELS）分析界面结构，利用振动样品磁强计（VSM）和B-H分析仪测试磁电性能。

研究结果

3.1 Fe₃O₄涂层微观结构

• TEM显示涂层厚度与溅射时间呈线性关系（5.6 nm/h），15 nm涂层偏差仅±2.2 nm。
• EELS证实Fe₃O₄层诱导界面形成3 nm非晶SiO₂，源于退火过程中Si的扩散与氧化。

3.2 电学与磁学性能

• 15 nm涂层使粉末电阻率提升8-10倍（89.7 mΩ·cm），同时饱和磁化强度（M_s）保持稳定。
• 矫顽力（H_ci）降低49%，归因于XPS检测到的氧空位（V_o）减少。

3.3 功率损耗优化

• 15 nm涂层样品在100 kHz下功率损耗（P_cv）降至135.8 mW/cm³，较未涂层降低73.5%。
• 损耗分离理论显示，SiO₂界面层抑制涡流损耗（P_e降低61.7%），而缺陷减少使磁滞损耗（P_h）下降83.7%。

结论与意义

该研究通过创新性溅射技术实现了Fe₃O₄涂层的纳米级精准调控，其“绝缘-磁性”协同设计不仅解决了传统SMCs的性能矛盾，还为高频电子器件提供了可规模化生产的材料解决方案。成果发表于《Materials》，为多功能粉末涂层技术开辟了新路径。