通过构建双粒径体系优化FeNi软磁复合材料在兆赫兹频段的磁性能

《Materials Today Communications》：Optimized magnetic performance in MHz frequency of FeNi soft magnetic composites through constructing a dual-size system

　　

设计合理的颗粒级配是开发面向兆赫兹（MHz）电子器件的高性能软磁复合材料（Soft Magnetic Composites，SMCs）的关键策略。研究人员通过将中位粒径（D50）为6 μm的FeNi粉末与D50为1 μm的超细FeNi粉末按不同质量比混合，制备了具有双粒径体系的FeNi软磁复合材料。研究发现，微观结构与磁性能高度依赖于超细FeNi粉末的含量。具体而言，10 wt.%的超细FeNi粉末能够均匀填充大粒径FeNi颗粒间的间隙，从而提高振实密度与压溃强度。然而，过量的超细粉末会导致粉末流动性下降及颗粒团聚，进而降低致密度。得益于9:1的双粒径致密堆积效应，优化后的复合材料实现了有效磁导率（μe）与极低磁芯损耗（PCV）的同步提升，其在1 MHz下的μe达到65.4，在1 MHz/50 mT条件下的PCV仅为1032 mW/cm3。与未级配的FeNi软磁复合材料相比，优化后的复合材料μe提升了14.8%，PCV降低了8.6%。损耗机制分析表明，通过抑制退磁场和动态矫顽力来降低磁滞损耗，结合构建高质量的绝缘层，是实现性能提升的重要途径。该工作为实现兼具优异电磁性能的兆赫兹频段软磁复合材料提供了一种简便的策略。

研究背景与意义

随着人工智能服务器、新能源汽车及固态变压器等新兴产业的快速发展，电子器件正朝着高频化与高功率密度方向演进，这对软磁材料（SMCs）在兆赫兹（MHz）频段下的综合性能提出了严苛要求。理想的软磁材料需同时具备高有效磁导率（μ_e）、低磁芯损耗（P_CV）及高饱和磁化强度（M_S）。传统优化策略主要集中在构建高电阻绝缘层和减小颗粒粒径两方面，但这往往伴随着磁稀释效应，导致磁导率与损耗之间存在难以调和的固有矛盾。此外，单纯的粒径减小会恶化粉末流动性，引入孔隙。因此，如何在抑制涡流的同时维持高磁导率成为研究难点。针对此，研究人员选取兼具优异本征磁性及加工兼容性的FeNi合金作为基体与掺杂相，设计了双粒径体系，旨在通过颗粒级配实现致密堆积，从而在MHz频段打破磁导率与损耗的权衡关系。

主要关键技术方法

研究人员采用商业采购的D₅₀=6 μm FeNi粉末作为基体，D₅₀=1 μm超细FeNi粉末作为掺杂相。首先通过V型混料机将两者按10:0至6:4的质量比混合，随后采用改进的St?ber法在混合粉末表面包覆约10 nm厚的SiO₂绝缘层。绝缘粉末经硅树脂与硬脂酸锌混合后，在1800 MPa压力下压制成环形磁芯，并于730 ℃氮气氢气混合气氛中进行退火处理。研究人员利用激光粒度仪、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）及X射线衍射（XRD）对粉末形貌与结构进行表征；通过振动样品磁强计（VSM）测试静态磁性；利用阻抗分析仪与B-H分析仪测试磁芯在高频下的电感、有效磁导率及磁芯损耗，并结合经典Bertotti损耗分离公式对损耗机制进行深入分析。

结果与讨论

3.1 粉末微观结构与特性

XRD与VSM测试表明，基体FeNi粉末与超细FeNi粉末均具有面心立方结构，且饱和磁化强度相近（约152 emu/g），仅粒径存在差异。SEM观察显示，当超细粉末添加量为10 wt.%时，颗粒分散均匀，能有效填充大颗粒间隙；但当添加量超过20 wt.%时，超细颗粒发生明显团聚。粒度分布与密度测试证实，适量的超细粉末使振实密度达到峰值，而过量添加则因团聚导致表观密度与振实密度持续下降。

3.2 绝缘层表征

SEM与EDS mapping结果显示，SiO₂层均匀包覆于所有级配粉末表面。TEM进一步确认FNT1样品的绝缘层厚度约为10 nm，有效阻断了颗粒间的导电通路，为高电阻率提供了保障。

3.3 磁性能与力学性能

磁芯密度随超细粉体添加量呈先升后降趋势，FNT1样品密度最高（7.502 g/cm³），其1 MHz下的有效磁导率达65.4。直流偏置性能测试表明，FNT1在100 Oe场强下仍保持80.02%的磁导率，表现出优异的抗直流干扰能力。力学性能方面，FNT1的径向压溃强度最高（30.07 N），归因于间隙填充增强了颗粒间的机械互锁；过量添加则因团聚引入孔洞导致强度下降。

3.4 磁芯损耗分析

在1 MHz/50 mT条件下，FNT1的磁芯损耗最低（1032 mW/cm³）。损耗分离结果显示，随着超细粉末增加，涡流损耗（P_e）因粒径减小而持续降低，但磁滞损耗（P_h）呈先降后升趋势。FNT1的最低损耗源于其显著降低了磁滞损耗占比（48.7%），这归功于高致密度削弱了退磁场及动态矫顽力（_DH_C）的降低。过量超细粉末导致的P_h激增超过了P_e的降幅，致使总损耗上升。

3.5 温度稳定性与性能对比

温度稳定性测试显示，从25 ℃升至125 ℃，FNT1的磁芯损耗降低了12.3%，归因于高温下各向异性常数降低及电阻率升高。与已报道的同类材料相比，FNT1在1 MHz/50 mT条件下展现了极具竞争力的综合性能，验证了该策略的有效性。

结论总结

研究人员成功通过双粒径级配策略制备了高性能FeNi软磁复合材料。结果表明，当6 μm基体与1 μm超细粉末质量比为9:1时，材料获得最优综合性能：1 MHz下有效磁导率为65.4，1 MHz/50 mT下磁芯损耗为1032 mW/cm³，较未级配样品分别提升14.8%和降低8.6%。性能提升的机制在于超细颗粒填充间隙提高了致密度，减弱了退磁场，从而大幅降低了磁滞损耗，同时SiO₂绝缘层有效抑制了涡流损耗。该研究深化了对颗粒级配作用机理的理解，为兆赫兹频段软磁复合材料的设计提供了新思路。