近日，日本物質·材料研究機構（NIMS）、東北大學和產業(yè)技術綜合研究所（AIST）聯合宣布，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）的驅動電源電路等領域得到廣泛應用。

左圖為傳統非晶態(tài)薄帶的納米結構和磁疇結構。右圖為所開發(fā)材料的納米結構控制和磁疇結構控制示意圖

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：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。

•高頻磁疇結構優(yōu)化：利用磁光克爾效應顯微鏡（MOKE），研究人員觀察到材料內部形成了精細的條狀磁疇結構。通過微磁學模擬，他們發(fā)現這種獨特的結構是由于材料中產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)化的磁疇結構，使得材料在數十kHz的高頻范圍內，大幅抑制了占軟磁材料總損耗80%以上的“過剩損耗”。

左側是液態(tài)快冷樣品和部分結晶化的低損耗樣品的TEM圖和電子衍射圖樣。右側是液態(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果

產業(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，表明該技術已具備大規(guī)模產業(yè)化應用潛力。

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

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