氧空位调控界面反应工程策略提升FeSiCr基软磁复合材料的高频低损耗性能

为解决传统有机绝缘系统热稳定性差(<500°C)限制软磁复合材料(SMC)高温应用的问题，研究人员创新性地提出氧空位(Vo)介导的界面反应工程策略，通过锰乙酸前驱体热解在FeSiCr粉末表面构建富Vo的MnO涂层(MnO-Vo)，经控温焙烧(400-800°C)诱导硅选择性氧化，形成稳定的SiO2/MnO复合无机绝缘层。该材料在600°C优化条件下实现体积电阻率提升4个数量级，有效磁导率36.8，500kHz/10mT时核心损耗低至95.4kW/m3，为高频电磁器件开发提供了新思路。

　　

随着5G通信、电动汽车和数据中心等新兴技术的快速发展，现代电子设备正朝着高频化、高功率密度和小型集成化方向演进。然而，高频条件下的低功率损耗已成为提升电子设备性能的关键瓶颈。作为电磁能量转换系统的核心材料，由"磁性金属-绝缘介质"异质结构构成的软磁复合材料(SMC)因其高磁导率、低矫顽力和优异的频率响应特性而备受关注。但传统有机绝缘系统如环氧树脂和聚硅氧烷存在热稳定性差(<500°C)的固有缺陷，不仅限制热处理选择空间，还会导致应力释放不完全，显著增加磁滞损耗并影响材料稳定性。这一现状促使科研人员转向研究磷酸盐、硅酸盐和陶瓷氧化物等无机绝缘系统，但如何精确调控绝缘层微观结构仍面临重大挑战。

安徽工业大学的研究团队在《Materials》发表了一项突破性研究，他们创新性地提出氧空位(Vo)介导的界面反应工程策略，通过缺陷化学控制理论解决了这一难题。研究人员采用热重-差热-质谱联用(TG-DTA-QMS)分析锰乙酸四水合物热分解行为，结合电子顺磁共振(EPR)表征氧空位浓度；利用场发射扫描电镜(FE-SEM)和能量色散谱(EDS)观测绝缘层形貌演变；通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析界面化学键合；最后采用B-H回线追踪仪和振动样品磁强计(VSM)系统评估电磁性能。

研究结果部分，3.1章节揭示了锰乙酸前驱体在130.6°C和324.2°C的两阶段热分解机制，EPR检测到g=2.003的强顺磁信号，证实MnO-Vo中氧空位浓度是标准样品的3.2倍。3.2章节显示600°C焙烧形成的SiO₂/MnO复合绝缘层厚度约0.28μm，XPS在102.5eV处出现Si-O特征峰，FTIR在1050.6cm^-1处显示明显SiO₂吸收带。3.3章节的电磁性能测试表明，优化样品体积电阻率达8.5×10³Ω·m，较纯FeSiCr提升4个数量级；在500kHz/10mT条件下，总损耗(P_total-cv)仅95.4kW/m³，其中涡流损耗(P_ec)占比降至6.6%，磁滞损耗(P_hyst)占89.3%；直流偏置性能测试显示70Oe场下磁导率保持率达70.2%。

这项研究的重要意义在于阐明了氧空位在界面反应中的三重作用机制：降低硅元素的扩散能垒、提供局部氧化环境、促进SiO₂外延生长。通过建立焙烧温度-绝缘层结构-性能的构效关系，证实600°C是实现绝缘层均匀性与磁性能平衡的临界点。与文献报道的ZnO-SiO₂-Cr₂O₃等多层涂层体系相比，该材料的磁导率提升20%以上，核心损耗降低38.6%，为设计新一代高频低损耗软磁复合材料提供了理论范式和技术路径。这种基于缺陷调控的界面工程策略可拓展应用于其他金属-陶瓷复合体系，对开发极端工况下的高性能电磁器件具有重要指导价值。