近日，Nature Communications在線刊登了我校材料與環(huán)境工程學院張雪峰教授團隊的研究論文“High-frequency FeSiAl-based soft magnetic composites via simultaneously suppressed eddy and hysteresis losses”。該工作采用體相摻雜/界面絕緣包覆同步優(yōu)化策略，通過金屬原子互擴散制備FeSiAl:Sn/Al2O3軟磁復合材料，有效降低了渦流和磁滯損耗，為工程應(yīng)用領(lǐng)域高頻軟磁復合材料的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。論文第一作者為杭州電子科技大學李紅霞教授和東北大學李逸興副教授，通訊作者為杭州電子科技大學張雪峰教授和趙榮志副教授。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64794-0

 隨著新能源汽車、光伏技術(shù)和5G/6G通信等行業(yè)的快速發(fā)展，高頻高性能軟磁復合材料的需求變得十分迫切。目前，原位絕緣包覆技術(shù)能夠有效降低顆粒間渦流損耗，在千赫茲功率器件方面已占據(jù)重要地位。然而，隨著器件的工作頻率升至兆赫茲，過高的功率損耗嚴重阻礙了其應(yīng)用潛力。由于渦流損耗和磁滯損耗之間存在權(quán)衡關(guān)系，因此，如何在抑制顆粒間渦流損耗的同時，同步降低軟磁復合材料的顆粒內(nèi)渦流損耗和磁滯損耗，是目前該領(lǐng)域面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

該研究中提出了一種體相/界面同步優(yōu)化策略，通過退火過程中金屬原子的互擴散來制備FeSiAl:Sn/Al?O?軟磁復合材料，為上述挑戰(zhàn)提供了簡單有效的解決方案（如圖1所示），實現(xiàn)了超低功率損耗并保持頻率穩(wěn)定的磁導率至數(shù)十兆赫茲。FeSiAl:Sn的形成一方面提高了基體的電阻率，有效抑制了顆粒內(nèi)渦流損耗；另一方面，通過緩解晶格畸變降低了矯頑力，從而減少了磁滯損耗；同時，原位生長的Al?O?絕緣層有效降低了顆粒間渦流損耗。該軟磁復合材料實現(xiàn)了低功率損耗47 mW/cm3 (50 mT/100 kHz)及1344 mW/cm3 (50 mT/1 MHz)，并在數(shù)十兆赫茲范圍內(nèi)保持60的有效磁導率，截止頻率達250.7 MHz。

 圖1. Origination of FeSiAl:Sn/Al2O3 structure. a, Schematic diagram of the substitution of Sn and formation of Al2O3 by mutual diffusion. b-c, Schematic representation of the power loss suppression mechanism in FeSiAl:Sn SMCs. Inter-eddy loss is effectively mitigated through the incorporation of an insulating Al2O3 layer (b). In parallel, hysteresis and intra-eddy losses are suppressed by substituting Sn for Al, which results in a reduction of coercivity and an increase in electrical resistivity (c).

 該項工作不僅揭示了提升軟磁復合材料高頻性能的關(guān)鍵機制，為開發(fā)高頻低損耗軟磁復合材料奠定了工程應(yīng)用基礎(chǔ)，同時也為其他材料體系的開發(fā)提供了有益借鑒，特別是基于異質(zhì)原子擴散與置換的設(shè)計理念。此外，該工作也為未來構(gòu)建具有定制功能層的先進材料提供了理論支撐，并為多種高端應(yīng)用場景開辟了新路徑。