《Materials Science and Engineering: B》：Combined regulation of electrical, magnetic, and thermal properties of pure Fe magnetic powder cores by KH580-functionalised aluminium nitride lamellar interfaces
编辑推荐：
•
KH580功能化的AlN-s在Fe颗粒表面形成稳定的层状涂层。
•
4 wt%的AlN-s
- •
KH580功能化的AlN-s在Fe颗粒表面形成稳定的层状涂层。
- •
4 wt%的AlN-s使体电阻率升高至7.6 × 10^3 Ω·m。
- •
1 wt%的AlN-s通过平衡绝缘性和磁通连续性降低了P Cv。
- •
AlN-s层状结构使热导率提高到26 W·m^-1·K^-1。
引言
软磁复合材料（SMCs）通常是通过粉末冶金方法将涂有绝缘介质的铁磁颗粒固化而成[1]。由于它们具有较高的饱和磁通密度、良好的直流偏置能力以及适用于三维磁通设计，SMCs被广泛用作新能源汽车、光伏逆变器和高效电源系统中的磁性功能材料[2]。随着电力电子设备向更高功率密度、更高效率和微型化的发展，SMCs需要同时具备低芯损耗和高效的热传输性能，以减轻局部过热对磁稳定性和使用寿命的不利影响。在各种SMCs中，Fe粉末芯因原材料成本低、饱和磁化强度高和良好的压实性能，在10–100 kHz的中低频范围内仍具有吸引力，适用于功率因数校正电感器、电磁干扰滤波器和低频线路滤波器[3]。然而，Fe颗粒本身的低电阻率会在压实后形成连续的Fe导电路径，从而在交变磁场下产生较大的涡流损耗[4]。此外，由芯损耗引起的热量积聚可能会进一步加速磁性能的恶化。因此，在保留低成本和可扩展制造优势的同时，调节颗粒间的电气绝缘性、芯损耗和热传输能力仍然是纯Fe磁粉芯进一步应用的关键问题。
构建颗粒间的绝缘层是调节SMCs电气传输特性和高频损耗的常用策略。人们已经在有机涂层、无机涂层和复合涂层方面做出了大量研究。传统的有机树脂涂层易于加工且具有良好的粘结性能；然而，它们在高温退火过程中容易发生热分解，从而损坏绝缘层并增加颗粒间的直接接触[5]。无机氧化物或盐类涂层（如Al2O3、MgO、SiO2、TiO2和ZrO2）通常具有高电阻率和良好的热稳定性，但它们的非磁性可能导致磁性能减弱[6]。此外，物理吸附涂层在高压压实过程中容易开裂或脱落，从而降低实际的绝缘效果[7]。近年来，多层复合涂层、硅烷偶联改性和界面微结构工程被用来提高绝缘层的连续性、附着力和整体磁性能[8]。然而，大多数代表性研究集中在FeSiAl[9]、FeSiCr、FeNi和非晶/纳米晶合金磁粉芯[10]上，而对于低成本Fe粉芯的功能化涂层策略则研究不足[11]。更重要的是，现有研究主要集中在电阻率和芯损耗上，而热导率与磁性能之间的关联和权衡则受到相对较少的关注[12]。
氮化铝（AlN）纳米片为纯Fe磁粉芯的界面调控提供了一种可行的材料设计途径。AlN结合了电气绝缘性、热稳定性和潜在的热导率[13]，其层状结构有利于在Fe颗粒间构建物理绝缘界面并抑制连续导电路径的形成[14]。同时，均匀分布的层状界面可以为热量扩散提供通道，从而缓解磁芯运行过程中的局部热量积聚[15]。然而，未经表面改性的无机层状材料通常难以在不规则水雾化Fe颗粒表面实现稳定的吸附和均匀分布。AlN纳米片与Fe颗粒之间缺乏有效的界面相互作用可能导致在后续压实和热处理过程中纳米片的脱落、迁移或聚集[16]。此外，过度或不连续的层状覆盖可能会中断Fe颗粒间的磁通路径，增加界面相关损耗并降低整体磁性能。因此，使用了γ-巯基丙基三乙氧基硅烷（KH580）对AlN纳米片进行功能化处理[17]，以促进AlN-s在Fe颗粒表面的吸附和扩散[18]、[19]。
本研究探讨了AlN-s含量与颗粒间电阻、磁性能、芯损耗和热导率之间的关系，以及一种性能的改善是否伴随着其他性能的折中。为此，制备了Fe/AlN-s复合粉末和用KH580功能化的AlN纳米片改性的Fe/AlN-s复合磁粉芯，并对其结构稳定性、表面化学状态、在Fe颗粒表面的涂层行为以及AlN-s的局部界面相互作用进行了研究。此外，还分析了AlN-s含量对体电阻率、有效磁导率、直流偏置特性、芯损耗和热传输行为的影响。通过比较这些测量属性随组成的变化，本研究旨在确定它们之间的关联、权衡以及应用依赖的多性能平衡。分析揭示了所测电学、磁学、损耗和热性能之间的组成依赖性联系。
章节摘要
样品制备
氮化铝纳米片（AlN，纯度≥99.5%）由上海麦克林生化科技有限公司提供。γ-巯基丙基三乙氧基硅烷（KH580，纯度≥98%）由新华制药试剂有限公司提供。实验过程中使用的分析级无水乙醇作为分散介质。平均粒径为45 μm的水雾化Fe粉末由安钢（鞍山）冶金粉末材料有限公司提供，并作为磁性基体粉末使用。
AlN-s纳米片的结构稳定性和表面功能化
使用XRD、TGA和XPS分析了KH580处理后AlN-s的晶体结构、热质量损失和表面化学性质。这些测量结果为研究其在Fe颗粒表面的分布提供了依据。
图2(a)显示了原始AlN和AlN-s的XRD图谱。原始AlN在大约2θ = 33.2°、36.0°、37.9°、49.8°、59.3°、66.0°和72.6°处有清晰的衍射峰，分别对应于(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(112)晶面。
讨论
KH580的功能化处理主要促进了复合粉末制备过程中AlN-s在Fe颗粒表面的吸附和扩散。图3中共存的Al和N信号以及图5中的AlN衍射峰证实了复合粉末中存在AlN-s。压实和500°C退火后，图4中的同一场SEM和N图显示N仍然富集在Fe颗粒边界处。这一证据表明AlN-s衍生的含Al界面在整个制备过程中得以保持。
结论
本研究使用KH580功能化的AlN纳米片制备了Fe/AlN-s复合粉末和Fe/AlN-s复合磁粉芯，评估了颗粒间绝缘性、磁性能、芯损耗和直接测量的热导率之间的组成依赖性关联和权衡。主要结论如下：
-
KH580的功能化处理促进了AlN-s在Fe颗粒表面的吸附，未改变AlN的主要晶体结构。4 wt%的
CRediT作者贡献声明
Huaqin Huang：撰写-原始草案、方法论、数据整理。 Hongkang Zhao：概念设计。 Ze Hu：资源协调。 Kaixuan Li：监督。 Jie Li：撰写-审阅与编辑、项目管理。 Qiang Fu：方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究的资金支持来自安徽省重大产业创新计划（AHZDCYCX-LSDT2023–01）。
数据声明
作者声明没有可能影响本研究结果的竞争性财务利益或个人关系。
