硅掺杂增强Nd2Fe17?xSix易面软磁复合材料的高频性能与热稳定性研究

为解决高频电力电子器件中软磁材料功率损耗高、热稳定性差的问题，研究人员通过还原扩散法合成Nd2Fe17?xSix磁晶易面软磁复合材料（MC-ESMCs），发现硅掺杂将易面取向度提升至95.4%，功率损耗降低47.8%，居里温度提高至117°C，为第三代半导体器件提供了高性能软磁解决方案。

　　

随着电力电子器件向高频化、微型化发展，传统软磁材料面临严峻挑战：铁基合金虽具有高饱和磁化强度但电阻率低，铁氧体电阻率高却磁化强度不足。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了器件性能提升。更棘手的是，第三代半导体技术的普及使得工作频率进入GHz时代，现有软磁复合材料（SMCs）在高频下的功率损耗问题愈发突出。

在此背景下，研究人员将目光投向具有本征易面特性的2:17相化合物。这类磁晶易面软磁复合材料（MC-ESMCs）通过晶体学特性实现磁矩定向排列，无需像传统易面材料（S-ESMCs）那样依赖粉末形貌调控。然而，现有研究对MC-ESMCs的高频损耗机制和热稳定性缺乏系统认识。

中国某研究机构（根据CRediT声明推测为国内团队）通过巧妙的硅掺杂策略，在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表重要成果。研究采用还原扩散法结合行星式球磨技术制备Nd₂Fe_17?xSi_x（x=0-1）粉末，通过旋转磁场取向制备MC-ESMCs。利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，振动样品磁强计（VSM）测试静态磁性能，阻抗分析仪测量高频特性，系统探究了硅含量对材料性能的影响。

相组成分析显示硅掺杂未改变2:17相晶体结构，但引起晶格收缩。（3 0 3）晶面衍射峰从42.07°移至42.57°，证实硅原子成功取代铁位点。这种取代显著提升了易面取向度（DEO），当x=1时DEO达95.4%，较未掺杂样品提升42%。

磁性能测试发现硅掺杂使矫顽力从87.51 Oe骤降至15.89 Oe，降幅达81.8%。更令人振奋的是，磁畴壁共振频率和自然共振频率分别提升至2.1 GHz和14 GHz，这归因于高DEO使磁化矢量与外场夹角最小化。在6 mT/3 MHz条件下，功率损耗从3,458.74 kW/m³降至1,806.67 kW/m³，降幅近50%。

热稳定性研究取得突破性发现：硅掺杂将居里温度从60°C提升至117°C。第一性原理计算表明，硅原子通过改变晶格参数和Fe-Fe交换作用增强了磁耦合强度。这种热稳定性提升使材料适用温度范围扩大近一倍。

该研究开创性地证明：通过精准的硅掺杂可同步优化MC-ESMCs的DEO、高频性能和热稳定性。所制备材料在GHz频段仍保持优异性能，为5G通信、新能源汽车等高频应用场景提供了理想解决方案。Liaoliao Yang等研究者提出的"磁晶调控优先于形貌调控"的设计理念，为新一代软磁材料开发指明了方向。特别值得注意的是，这种性能提升不依赖昂贵的稀土元素或复杂工艺，具有显著的产业化应用价值。