基于磁交换长度调控的FeCo基合金宽带吸波性能突破

《Advanced Science》：Exchange Length Tailored Magnetic Resonance for Broadband Absorption in FeCo-Based Alloys

本文提出一种基于磁交换长度（Lex）调控的晶间耦合新策略，通过Cu掺杂将软磁合金的Lex从12.7纳米提升至19.1纳米，显著增强磁矩集体进动范围。该策略使有效磁各向异性（Keff）降低至8.6 kJ·m?3，磁交换强度提升25%，最终在1.8毫米厚度下实现8.1 GHz有效吸收带宽（EAB），性能提升47.1%，为软磁材料高频吸波应用提供新范式。

　　

引言

电磁波吸收材料在电磁兼容和无线通信领域需求迫切。软磁合金因具有高饱和磁化强度、优异磁导率和强磁损耗等优势，成为新一代吸波材料的理想候选者。然而，软磁材料受斯诺克极限和共振特性制约，存在有效吸收带宽较窄和共振频率调控困难的瓶颈。组分设计虽可调控磁导率（μ）和磁损耗角正切（tanδ_μ）等关键电磁参数，但共振峰拓宽仍面临挑战。

元素组成与微观结构

通过真空感应熔炼和机械球磨制备了FCNC系列片状粉末样品。X射线衍射分析表明所有样品均呈现体心立方结构。随着Cu掺杂量增加，晶格常数从2.873 ?减小至2.862 ?，且非晶相体积分数显著增加。高分辨透射电镜显示Cu掺杂诱导形成7-10纳米纳米晶，晶格条纹出现明显弯曲变形。选区电子衍射证实存在大量随机取向的纳米晶，能量色散X射线光谱表明Fe、Co、Ni、Cu元素分布均匀。

优异磁性能

振动样品磁强计测试表明，Cu掺杂使饱和磁化强度（M_s）从122.7 emu·g^?1提升至189.4 emu·g^?1，矫顽力（H_c）从116.1 Oe降低至74.8 Oe。有效各向异性常数（K_eff）从9.2 kJ·m^?13降至8.6 kJ·m^?13。关键发现是晶粒尺寸（D=8.7纳米）显著小于磁交换长度（L_ex=19.1纳米），这种D<L_ex的关系导致强晶间交换耦合。磁力显微镜显示Cu掺杂样品具有更高的磁畴壁密度，磁畴尺寸从39.8纳米扩展至60.0纳米，交换刚度从1.5×10^?12提升至3.1×10^?12J·m^?1。

片状波吸收器件

电磁参数测试表明，Cu掺杂在10-18 GHz频段诱发多重弛豫峰。FCNC-2样品在12.0 GHz处出现明显的交换共振峰，磁损耗因子（tanδ_μ）显著提升。科尔-科尔图显示多个半圆，证实存在界面极化和偶极子弛豫等多种介电弛豫机制。衰减常数分析表明Cu掺杂实现了频率依赖的"损耗重新分布"。反射损耗计算显示，FCNC-2在1.8毫米厚度下实现最小反射损耗-55.1 dB，有效吸收带宽达8.1 GHz（9.3-17.4 GHz），性能优于大多数已报道研究。

结论

本研究通过L_ex导向的微结构工程，在FeCo基合金中构建了纳米晶-非晶双相结构。Cu掺杂促进晶粒细化至8.7纳米，显著小于L_ex（19.1纳米），引发强晶间交换耦合。该耦合效应使磁矩跨晶界集体排列，降低磁各向异性，将交换共振频率移至12.0 GHz。协同增强的介电损耗（界面极化、晶格畸变）和磁损耗（交换共振、畴壁共振）机制，使材料在1.8毫米厚度下获得8.1 GHz超宽有效吸收带宽。这项工作为开发高性能软磁吸波材料提供了新思路。