纳米结构与高频磁畴工程协同实现富铁软磁合金的超低铁芯损耗

为解决新一代电力电子器件在高频工况下铁芯损耗过高的难题，研究团队通过纳米结构工程与高频磁畴调控的协同策略，在富铁非晶合金中实现了55%的铁芯损耗降低，达到10 kHz/1 T条件下75±1.3 W/kg的超低损耗水平。该研究通过诱导弱垂直磁各向异性(PMA)形成4.8±0.6 μm窄条纹磁畴，显著抑制了动态畴壁运动导致的过剩损耗(Pa)，为高能效微型化电力电子器件开发提供了新材料设计范式。

　　

随着人工智能、电动汽车和智能电网的快速发展，现代电力电子系统对高频软磁材料提出了前所未有的严苛要求。宽禁带半导体如SiC和GaN的突破性进展，使得电力电子器件的工作频率提升至数十kHz级别，然而磁性无源器件却成为系统能效提升的"卡脖子"环节——其损耗占比超过系统总损耗的50%。传统硅钢片在高频下铁芯损耗(PT)剧增，而纳米晶软磁材料虽具有较低损耗，却普遍面临饱和磁化强度(μ₀M_s)偏低(<1.8T)和昂贵元素依赖的困境。如何打破μ₀M_s与PT之间的性能权衡，成为该领域亟待解决的科学难题。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，由Satoshi Okamoto和Hossein Sepehri-Amin领衔的国际团队提出了一种颠覆性的解决方案。研究人员创新性地将纳米结构工程与磁畴调控相结合，在Fe_84.4Si_5.9B_4.3Cu_0.9C_1.1富铁非晶合金中，通过精确控制α-Fe纳米晶的体积分数(V_f=1-6%)，诱导产生了弱垂直磁各向异性(PMA)。这种独特的纳米结构设计使材料磁畴形态从宽幅弯曲畴转变为宽度仅4.8±0.6 μm的条纹畴，从而将10 kHz/1T条件下的PT从165.8 W/kg大幅降低至75 W/kg，降幅达55%。

研究团队采用工业级快淬法制备25μm厚非晶带材，通过短时(4s)快速退火(5.83K/s)精确调控V_f。借助TEM、APT和同步辐射XRD解析纳米结构，采用高频磁光克尔效应(MOKE)显微镜实时观测动态磁畴演变，结合微磁模拟阐明损耗机制。通过分解PT为磁滞损耗(P_h)、经典涡流损耗(P_e)和过剩损耗(P_a)，建立了纳米结构与磁性能的定量关系。

纳米结构特征与磁性能关联

当V_f从0%增至6%时，μ₀M_s从1.59T提升至1.61T，同时λ_s保持31ppm的高值。APT三维重构显示α-Fe纳米晶被Cu团簇催化成核，形成尺寸<20nm的均匀分布网络。这种结构使矫顽力(H_c)稳定在4A/m，电阻率(ρ)达1.56μΩ·m，为低P_h和P_e奠定基础。

磁畴工程机制解析

MOKE观测显示，原始非晶带材呈现宽幅(>20μm)弯曲畴，而V_f=5.1%的样品则形成规整条纹畴。微磁模拟证实，5kJ/m³的PMA能产生最优条纹畴结构，使磁化反转机制从畴壁位移转变为磁矩旋转，从而抑制80%以上的P_a。

性能比较与工业验证

该材料在10kHz下的PT较商用纳米晶合金降低40%，且保持1.6T的高μ₀M_s。控制实验证实，该策略可推广至其他高λ_s非晶体系，展现普适性。

这项研究突破了软磁材料高频损耗的物理极限，首次证实高λ_s材料通过纳米结构设计亦可实现超低PT。提出的"部分纳米晶化"新范式，为电力电子器件的小型化与能效提升提供了材料基础。未来通过优化PMA强度与纳米晶分布，有望进一步突破2T/50W/kg的性能边界，推动可再生能源与电动汽车领域的技术革新。