近日，日本物質(zhì)·材料研究機構(gòu)（NIMS）、東北大學和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）聯(lián)合宣布，他們成功開發(fā)出一種新型鐵基磁性材料，能將電力損耗降低至傳統(tǒng)材料的一半以下。這項突破性進展預計將在下一代高頻變壓器和電動汽車（EV）的驅(qū)動電源電路等領(lǐng)域得到廣泛應用。

左圖為傳統(tǒng)非晶態(tài)薄帶的納米結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)。右圖為所開發(fā)材料的納米結(jié)構(gòu)控制和磁疇結(jié)構(gòu)控制示意圖

背景：高頻應用中的軟磁材料挑戰(zhàn)

隨著以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體材料的興起，高電壓、高頻率和高溫運行的半導體器件正快速發(fā)展。然而，作為電源電路核心組件的軟磁材料，其自身的能量損耗問題卻日益突出，成為制約整體效率提升的關(guān)鍵瓶頸。

在眾多軟磁材料中，鐵基非晶（Amorphous）和納米晶（Nanocrystalline）材料因其高飽和磁化強度和低矯頑力等優(yōu)越特性而備受關(guān)注。因此，研究團隊將重點放在開發(fā)更低損耗的軟磁材料上。

核心技術(shù)：納米級組織控制與磁疇優(yōu)化

該研究團隊通過融合兩種關(guān)鍵方法，成功提升了以鐵為主成分的非晶合金薄帶的磁性能。

•納米尺度的組織控制：團隊利用液態(tài)快冷法制備出鐵基非晶薄帶，并對其進行部分晶化處理。利用透射電子顯微鏡（TEM）觀察，確認材料中均勻分布著納米尺寸的鐵晶粒。

•高頻磁疇結(jié)構(gòu)優(yōu)化：利用磁光克爾效應顯微鏡（MOKE），研究人員觀察到材料內(nèi)部形成了精細的條狀磁疇結(jié)構(gòu)。通過微磁學模擬，他們發(fā)現(xiàn)這種獨特的結(jié)構(gòu)是由于材料中產(chǎn)生了微弱的垂直磁各向異性所致。

正是這種納米級的組織控制和優(yōu)化的磁疇結(jié)構(gòu)，使得材料在數(shù)十kHz的高頻范圍內(nèi)，大幅抑制了占軟磁材料總損耗80%以上的“過剩損耗”。

左側(cè)是液態(tài)快冷樣品和部分結(jié)晶化的低損耗樣品的TEM圖和電子衍射圖樣。右側(cè)是液態(tài)快冷樣品和低損耗樣品的磁光克爾效應顯微鏡圖像和微磁學模擬結(jié)果

產(chǎn)業(yè)前景與成本優(yōu)勢

此次開發(fā)的新型合金薄帶中，鐵的重量占比超過94%，其余成分也主要由硼、磷、碳、銅、硅等相對低廉的元素組成。這使其具備顯著的成本優(yōu)勢。研究團隊已成功制備出寬度60毫米、厚度25微米的工業(yè)規(guī)格薄帶，表明該技術(shù)已具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用潛力。

這項技術(shù)將為開發(fā)下一代高頻軟磁器件提供堅實基礎(chǔ)，有望在電動汽車、消費電子和可再生能源等多個領(lǐng)域帶來革命性變革。

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