通过在熔融氯化亚锡中对铁硅合金进行高温活性氧化以构建原位混合涂层，实现高直流偏压性能

《Materials Science and Engineering: B》：Realizing high DC bias performance by constructing an in-situ hybrid coating via high-temperature active oxidation of FeSi in molten stannous chloride

　　

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  通过活性氧化制备了具有高直流偏磁性能的FeSi软磁复合材料。
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  通过腐蚀活化在FeSi表面构建了复合氧化膜。
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  最优腐蚀结构表现出优异的磁解耦和绝缘性能。
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  腐蚀后的软磁复合材料保持了高磁饱和度和低铁损。

引言

在新能源产业的推动下，电子设备正越来越多地向大功率应用、高频运行和低铁损方向发展 [1]、[2]、[3]。软磁复合材料（SMCs）由于其优异的高频性能、低铁损和软磁饱和特性，被视为有前景的材料 [4]、[5]、[6]。然而，在一些特定应用中，如大功率电源和大功率变压器，对软磁复合材料的直流偏磁性能提出了更高的要求 [7]、[8]、[9]。

目前，关于改善软磁复合材料磁性能的研究主要集中在实现保持高磁导率和降低铁损之间的平衡 [10]、[11]、[12]、[13]。因此，需要精确控制涂层方法和绝缘层厚度，以最大限度地减少非磁性相的形成并保持磁芯的磁结构。然而，这些材料固有的高磁导率不可避免地限制了它们的直流偏磁性能。这是因为理想的绝缘层主要作为电绝缘层，对磁粒子的磁畴结构影响有限。

直流偏磁性能定义为在强直流偏磁场下保持磁导率的能力，这本质上要求磁芯具有优异的抗磁饱和能力。提高直流偏磁性能的常规方法是选择具有高饱和磁化强度、优化磁各向异性、降低矫顽力和最小化磁致伸缩的材料 [14]、[15]、[16]。其中，非晶/纳米晶粉末由于其独特的晶态/非晶结构而具有更高的直流偏磁性能和更低的磁损耗 [17]、[18]、[19]。例如，Guo等人使用新型Fe_73.3P₅Si_7.6B_9.5C_1.9Nb₂Cu_0.7粉末制备了高性能软磁复合材料，这些复合材料在高达20 MHz时表现出约30的高稳定性μ'以及在100 Oe下82.7%的优异直流偏磁性能 [20]。另一种方法是在颗粒之间引入均匀的间隙或非磁性相以形成磁解耦结构 [21]、[22]。这种结构打断了相邻颗粒之间的磁耦合，从而影响磁化过程并增加材料的饱和磁场。Wang等人制备了FeSi@BN-s软磁复合材料，发现较高的BN-s含量减轻了直流偏磁场增大时磁导率的下降。BN-s含量为8 wt%的FeSi@BN软磁复合材料实现了最佳磁性能，包括在50 mT和100 kHz下的总功率损耗为215.70 kW/m³以及在100 Oe下73.9%的高直流偏磁性能 [23]。然而，非晶合金的高成本限制了它们的应用，而传统方法需要大量添加非磁性相且无法构建均匀的退磁场。因此，开发一种可行且具有成本效益的方法制备具有高直流偏磁性能的软磁复合材料具有重要意义。

低成本的FeSi基软磁复合材料具有高饱和磁化强度，因此表现出优异的直流偏磁性能，使其成为克服这一挑战的理想候选材料。一种可行的解决方案是在FeSi粉末上构建原位磁解耦结构。在我们先前的工作中，我们证明可以通过FeSi在空气中的低温热氧化形成薄薄的绝缘涂层（约10 nm） [24]。结果表明，在低温下氧化层的生长受到内部SiO?层屏障效应的限制，而当温度升高到500 °C时，绝缘性能严重恶化。为了克服这一限制，我们提出利用FeSi在熔融氯化物盐中的活性氧化来优化氧化路径，这是一种特殊的腐蚀过程。这种方法使FeSi能够在低氧分压下实现足够的氧化速率，从而在高温（超过700 °C）下实现氧化。热力学和动力学条件促进了二氧化硅层的形成。选择具有适当熔点（247 °C）和沸点（623 °C）的氯化亚锡作为腐蚀剂，它能够有效减少氯残留并促进活性氧化过程。系统讨论了氯化亚锡高温活性氧化的机制和氧化层结构的演变。此外，还彻底研究了氧化物涂层对磁性能的影响。在高温（≥700 °C）下，FeSi表面在熔融氯化物盐中的广泛腐蚀和氧化加速导致在FeSi表面形成厚厚的复合氧化层（约100 nm）。这种厚而均匀的复合氧化层表现出优异的绝缘性能，并在磁芯内形成连续的非磁性相。它提供了大而均匀的退磁场，显著提高了抗饱和磁化能力。因此，氧化FeSi软磁复合材料在100 Oe下达到90.7%的高直流偏磁性能，并保持147 mW/cm³的低铁损（在50 mT、50 kHz下）。

分节摘要

通过原位氧化方法制备软磁复合材料

选择Fe-6.5 wt% Si粉末（气雾化粉末，成分见表1，300目）作为软磁复合材料的磁基体材料。将0.015 g的氯化亚锡二水合物（SnCl?·2H?O）完全溶解在20 mL的无水乙醇中。然后，将20 g的FeSi粉末加入溶液中，以400 rpm的转速机械搅拌1小时以形成均匀的涂层。随后，将0.1 g的环氧树脂分散到丙酮中并与10 g的FeSi粉末混合

氧化层的微观结构和演变

S1–700、S2–700和S3–700颗粒的SEM图像如图1b-d所示。经过700 °C下2小时的活性氧化后，与原始FeSi粉末相比，S1粉末的表面形貌从光滑变为粗糙，表面出现了一些不规则的岛状颗粒。这可以归因于FeSi合金在熔融氯化物盐下的活性氧化行为。在高温退火过程中，熔融的氯化亚锡引发腐蚀反应

结论

在本工作中，我们成功开发了一种新的原位氧化方法来制备具有高直流偏磁性能的FeSi软磁复合材料，该方法基于熔融氯化物盐中的活性氧化。系统研究了氧化层的生长机制以及氧化物涂层对软磁复合材料磁性能的影响。结果表明，高温下的活性氧化过程由自限制氧化和持续刻蚀之间的竞争效应所控制。随着

CRediT作者贡献声明

黄海：撰写—初稿，验证，调查，概念构思。 景晓东：撰写—审阅与编辑，验证，监督，资金获取。 郭兰州：调查，形式化分析。 周东青：软件，资源，调查。 熊小强：软件，资源，项目管理。 陈坤：软件，方法论。 熊莹莹：方法论，数据整理。 朱威海：软件，资源。 穆罕默德·伊姆兰·阿什阿德：可视化，调查。 倪军武

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互冲突的经济利益或个人关系，这些关系可能影响本报告中所述的工作。

致谢

我们感谢中国国家重点研发计划（编号：2023YFB3809200）提供的资金支持。我们还感谢中国科学院宁波材料技术与工程研究所的谢家杰博士提供的技术和设备支持。

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