综述：高功率磁性器件用软磁复合材料发展的若干问题

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Several issues on the development of soft magnetic composites for high-power magnetic devices

　　

第三代功率半导体所催生的新型电路拓扑，对高功率磁性器件用软磁复合材料（soft magnetic composites, SMCs）提出了更高性能要求。新能源汽车、光伏发电、人工智能等应用领域要求SMCs兼具高有效磁导率、优异的直流偏置（DC-bias）性能以及低磁芯损耗。近年来，面向高功率磁性器件的SMCs在优化DC-bias性能和降低磁芯损耗方面已取得显著进展。然而，随着新应用场景和新型高功率磁性器件设计理念的出现，其整体电磁性能仍亟需进一步提升。与此同时，技术层面与理论层面仍存在若干关键问题。基于当前研究现状与最新研究开发（R&D）成果，本文系统总结了高功率磁性器件中SMCs所面临的关键挑战及其可行解决方案。重点讨论了若干核心问题，包括如何在高频条件下实现高有效磁导率、优异的DC-bias性能，以及在更高频率和温度下获得低磁芯损耗。此外，文章还强调了高功率磁性器件用SMCs未来发展的挑战与机遇。

1. Introduction

文章首先指出，第三代功率半导体在新能源汽车、光伏发电、人工智能（AI）及新一代移动通信等领域快速普及，推动微型逆变器、车载充电器（OBC）和AI服务器降压模块向数千瓦至数十千瓦功率等级发展，开关电源工作频率也正向超过1 MHz演进。在此背景下，高功率磁性器件需要具备更高功率密度、更高工作频率和更小体积。此类器件通常在>0.5 kW功率、强直流偏磁和高频开关条件下长期稳定运行，其工作频率覆盖20 kHz至10 MHz。相较传统金属/合金软磁材料，软磁复合材料（SMCs）通过软磁相与绝缘介质构成多相结构，可有效切断颗粒间涡流通路，从而在高频工况下降低涡流损耗。文章进一步指出，SMCs较软磁铁氧体具有更高饱和磁感应强度（B_s）、更优热稳定性、优良DC-bias特性和更好的电磁兼容性（EMC），并且因绝缘介质可兼作分布式气隙，通常无需额外宏观气隙。近年来产业界与学术界围绕粉体制备、绝缘包覆、热处理和压制成形展开了大量研究，但仍存在有效磁导率、直流偏置稳定性和磁芯损耗之间的权衡问题，且实验室先进工艺与工业量产之间仍有脱节。因此，文章提出三项核心任务：提高有效磁导率及其频率稳定性、增强高电流下的DC-bias性能、降低高频高温条件下的磁芯损耗（P_c）。

2. State of the art of the SMCs for high-performance magnetic devices

本节综述了高性能磁性器件用SMCs的产业制备现状。文章指出，当前工业制备主要包括母合金雾化和机械破碎两类粉体制备路线，分别得到球形和不规则形貌粉末。现阶段高性能SMCs主要建立在三类材料体系之上：晶态Fe-Si基、Fe-Ni基以及非晶/纳米晶基体系。Fe-Si基SMCs包括Fe-Si与Fe-Si-Al体系，因成本稳定且综合性能适中，在光伏、汽车和AI领域应用最广；Fe-Ni及Fe-Ni-Mo体系具有更高磁导率、更优DC-bias性能和更低损耗，但受Ni、Mo高成本限制，多用于军工、航空航天和高端AI领域；非晶/纳米晶Fe基SMCs近年来发展迅速，表现出较大性能潜力，但由于其亚稳微结构、高硬度和耐蚀性，对粉体制备、绝缘包覆及成形提出更高技术要求。文章还提到，通过旋转水雾化工艺（SWAP），可获得兼具大粒径和高Fe含量的非晶粉末，从而缓解磁导率与B_s之间的矛盾。总体而言，2023—2025年间，SMCs在DC-bias性能和磁芯损耗方面已有明显进展，但高端应用仍受制于多性能协同优化不足以及量产工艺适配性不强的问题。

3. How to enhance effective permeability and its frequency stability

本节围绕有效磁导率（μ_e）及其频率稳定性的提升展开。文章指出，提高μ_e有助于在相同电感要求下减少绕组匝数。依据文中公式，μ_e受颗粒尺寸、颗粒间距、压实密度和内应力状态显著影响。虽然增大颗粒尺寸可提升磁导率，但会明显加剧涡流损耗，因此更可行的方向是降低“磁稀释效应”、提高压实密度以及充分释放应力。同时，Snoek极限表明高初始磁导率通常伴随较差高频稳定性，而金属/合金低电阻率又会诱发高频涡流，因此实现高μ_e与良好频率稳定性的统一是SMCs发展的关键难题。

3.1. Ultra-thin and magnetic insulation coatings

文章首先讨论超薄绝缘包覆和磁性绝缘包覆。传统磷化和添加绝缘介质方法虽已工业化，但往往存在包覆层偏厚、均匀性不足和磁稀释严重等问题。原子层沉积（ALD）可在粉体表面实现纳米级甚至数纳米级均匀绝缘层沉积，如Al₂O₃、SiO₂等，从而在兼顾绝缘性的同时降低对磁相体积分数的削弱。文中列举多项研究表明，ALD超薄涂层有助于在较高μ_e下显著降低磁芯损耗，并改善温度稳定性。但该方法仍受制于成本高、效率低，工业化推广尚需开发低成本高效率原子级沉积技术。另一方面，磁性绝缘层如Fe₃O₄和铁氧体涂层可缓解非磁性涂层造成的磁稀释效应。通过颗粒添加、原位氧化、溶胶-凝胶、溅射等方法构建磁性绝缘层后，可在一定程度上同时改善磁导率和损耗性能。尤其是纳米颗粒缓冲层还能减轻压制应力、优化磁畴结构，从而实现高饱和磁化、高磁导率与低损耗的协同提升。

3.2. Full utilization of particle size distribution

本节强调粒度分布优化对于提升压实密度和μ_e的重要作用。基于紧密堆积模型，粗颗粒之间必然形成八面体、四面体及三角空隙，若引入合适粒径的细粉进行填充，可提高整体致密度并减少非磁性孔隙。文中总结了Fe-Si球形粉末以及片状非晶粉与球形非晶细粉混合的研究，结果均表明适量细粉有利于提高密度、B_s和μ_e，并降低部分损耗。然而，细粉含量过高会因比表面积增大、表面缺陷增多和绝缘层比例提高而抑制磁畴运动，使μ_e反而下降。对于片状或不规则非晶/纳米晶粉末，其堆积机制、最优级配和性能调控规律仍不清晰，仍需进一步实验与模拟研究。

3.3. Ultrasonic-assisted forming

文章进一步介绍超声辅助成形（ultrasonic-assisted forming, UAF）在非晶/纳米晶SMCs中的应用。传统冷压虽效率高、适于量产，但高压下颗粒摩擦会导致组织不均、残余应力大和绝缘层破坏；热压和热等静压虽能提高密度，却存在效率低的问题。UAF作为新近提出的技术，可在极低压制压力和极短时间下实现较高成形质量，减轻颗粒破碎和孔隙形成。研究结果表明，UAF能够在提升密度和μ_e的同时，显著改善100 kHz以上的损耗表现，并提升DC-bias性能与μ_e频率稳定性。其机理可能与形成双凹透镜形绝缘结构、改善颗粒间绝缘状态及降低颗粒间涡流有关，因此被认为是实现多性能协同优化的有前景工艺。

3.4. Achieving an easy magnetization direction along the magnetic circuit

针对非晶/纳米晶SMCs常规退火中应力释放不充分且高温易引发异常晶粒长大的问题，文章提出磁场辅助退火的潜力。磁场退火已在带材磁芯中证明可通过改变磁畴结构和诱导磁各向异性来改善软磁性能。对于粉芯SMCs，横向和纵向磁场辅助退火均可有效降低矫顽力（H_c）、改善磁滞回线形状，并诱导沿磁路方向的易磁化方向，从而提升μ_e并降低磁滞损耗。尤其对于纳米晶Fe-Si-B-Cu-Nb体系，横向磁场退火还可在提高μ_e的同时改善其频率稳定性，这一结果打破了传统上高μ_e与频率稳定性之间的制约关系，显示出优化磁畴结构与提高谐振频率（f_r）的协同效应。

4. How to improve DC-bias performance

本节讨论直流偏置性能提升机制。文章指出，DC-bias性能本质上反映材料在外加强直流场下维持磁导率和电感能力的水平，工业上通常以100 Oe和200 Oe下的磁导率保持率表征。改善DC-bias性能的核心在于抑制磁饱和，主要途径包括选用高B_s材料以及通过增加气隙、削弱颗粒间磁耦合来降低局域磁饱和倾向。

4.1. AI-assisted design of high-B_s alloy compositions

文章认为，高B_s合金设计是提升DC-bias性能的重要基础。Fe-Co合金虽具有极高B_s，但因H_c较高且Co成本昂贵，难以广泛用于高功率器件。相比之下，Fe基非晶/纳米晶合金虽B_s略低，但兼具低损耗和高磁导率，更适合构建高性能SMCs。然而，其成分设计需在高Fe含量与足够玻璃形成能力之间取得平衡。由于多元合金实验优化周期长、成本高，机器学习（machine learning, ML）和人工智能（AI）被引入成分设计。文章总结了数据库构建、特征选择、模型训练、性能预测与实验验证等流程，并列举多项研究说明：随着数据规模扩大和算法优化，B_s与居里温度（T_c）等参数预测精度已显著提升，可有效加速高B_s非晶/纳米晶合金开发。同时，文章强调高B_s成分发现后，还需匹配足够高冷却速率的粉体制备技术，如SWAP，以保障获得理想非晶组织。

4.2. Reducing the magnetic coupling between magnetic particles

文章指出，颗粒间磁耦合对DC-bias性能有显著影响。通过对不同非晶粉体复合体系的比较发现，即使样品具有相近μ_e和频率稳定性，颗粒表面缺陷、绝缘完整性及细粉团聚程度仍会显著影响其在不同直流磁场下的磁化行为。适量缺陷能够在低场下增加磁畴壁钉扎，减缓磁化过程，从而提升低场DC-bias表现；但细粉过量会带来团聚和绝缘不完全问题，在高场下反而加快磁化并削弱抗偏磁能力。因此，减少颗粒间磁耦合是提高DC-bias性能的关键。文章进一步指出，这与通过超薄、磁性绝缘层提高μ_e的思路存在冲突，因此未来应加强不同合金体系交换长度研究，并发展异质或特殊形貌绝缘结构，以突破传统核壳结构在高μ_e与高DC-bias之间的权衡限制。UAF形成的双凹透镜绝缘结构即被视作典型范例。

5. How to reduce core loss at high frequency and high temperature

本节系统分析高频高温下磁芯损耗降低路径。文中将总损耗分解为磁滞损耗（P_h）、涡流损耗（P_e）和剩余损耗（P_r）。其中，P_h与频率f成正比，P_e与B²f²d²/ρ成正比，因此高频条件下涡流损耗占主导。对高功率磁性器件而言，工作温度常可达150 °C，因此降低室温和高温下的P_h与P_e均十分关键。

5.1. Development of powders with low H_c and high resistivity

文章指出，制备低H_c、高电阻率粉末是降低损耗的基础。Fe-Si-Al体系因磁晶各向异性常数K₁和磁致伸缩λ可在一定成分区间内接近零，具备较低H_c和较高电阻率；Fe-Ni/Fe-Ni-Mo体系也存在低各向异性、低磁致伸缩成分窗口，但因缺乏非金属元素，电阻率相对较低。Fe基非晶合金依托长程无序结构和随机各向异性模型，具有极低H_c和较高电阻率；纳米晶合金则由纳米α-Fe固溶体和非晶基体组成，兼具低各向异性场和较优温度稳定性，因此在高温下损耗可保持稳定甚至略降。文章还强调，可通过第一性原理计算等计算科学手段设计高电阻率多元合金，同时通过包覆后高温预退火实现晶粒长大和应力释放，在不发生粉末冶金粘结的情况下进一步降低H_c和磁滞损耗。

5.2. Construction of a durable high-insulation structure

本节聚焦耐久高绝缘结构构建。传统无机/有机复合包覆尽管可以实现颗粒间绝缘，但普遍存在界面结合弱、涂层易裂和均匀性不足等问题。文章认为，构建高致密度、高附着力和高绝缘性的包覆结构，是突破高频损耗瓶颈的核心途径，尤其耐高温无机绝缘层更具应用价值。研究表明，致密均匀的SiO₂等氧化物层可显著改善μ_e和损耗的温度稳定性。除原位氧化外，ALD、溅射和溶胶-凝胶也可实现氧化物沉积，但其界面附着力往往不如原位方法。近年来，界面反应工程受到关注，例如TiO₂与Fe-Si-Al之间的受限固相反应可原位生成晶格匹配的Al₂O₃界面层，降低涡流损耗；磷酸盐/SiO₂与纳米晶粉末之间的互扩散可形成过渡氧化层，提高界面保护与绝缘效果；Sn扩散与铝热反应可构筑体相/界面协同绝缘结构，同时降低磁滞损耗；NaAlO₂催化可形成双层Al₂O₃结构，其中内层原位外延生长、外层提供附加绝缘覆盖。总体上，复合包覆和多层包覆将是未来高功率SMCs涂层设计的重要方向，因为其有望在减薄涂层、增强致密性与附着力的同时，提升电磁性能和高温稳定性。

6. Summary and prospects

最后，文章从总结与展望角度指出，第三代功率半导体推动的高频高功率应用，要求SMCs同时具备高有效磁导率、优异DC-bias性能以及高频高温低损耗特征。2023—2025年间，围绕绝缘包覆、粉体成形、退火和成分设计已出现多项新技术。ALD有利于构建超薄氧化物绝缘层，UAF可形成特殊绝缘结构并实现多性能协同优化，磁场辅助退火有助于诱导沿磁路方向的易磁化方向，机器学习则显著加速高B_s非晶/纳米晶合金设计。文章进一步提出，可借鉴其他磁性材料领域的先进技术，例如Al-Si界面扩散和Nd-Fe-B永磁体晶界扩散工艺，发展宏观异质结构SMCs，实现“高电阻率表层+高B_s芯部”的空间分区设计，以同时兼顾低涡流损耗和高DC-bias性能。与此同时，大规模产业化仍受制于粉体质量稳定供应、均匀绝缘包覆、温压成形一致性和退火应力消除效率等全流程精密控制问题。文章认为，未来若开关电源工作频率提升至数MHz、功率提升至1 MW级，SMCs将在材料体系、装备、工艺及产业链协同方面面临更高要求，而这也将持续推动相关基础研究和工程创新。