低損耗軟磁材料問(wèn)世，電力損失減半，有望革新電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)

近日，日本物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）、東北大學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）聯(lián)合宣布，他們成功開(kāi)發(fā)出一種新型鐵基磁性材料，能將電力損耗降低至傳統(tǒng)材料的一半以下。這項(xiàng)突破性進(jìn)展預(yù)計(jì)將在下一代高頻變壓器和電動(dòng)汽車(chē)（EV）的驅(qū)動(dòng)電源電路等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

左圖為傳統(tǒng)非晶態(tài)薄帶的納米結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)。右圖為所開(kāi)發(fā)材料的納米結(jié)構(gòu)控制和磁疇結(jié)構(gòu)控制示意圖

背景：高頻應(yīng)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(dǎo)體材料的興起，高電壓、高頻率和高溫運(yùn)行的半導(dǎo)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(wèn)題卻日益突出，成為制約整體效率提升的關(guān)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(qiáng)度和低矯頑力等優(yōu)越特性而備受關(guān)注。因此，研究團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)更低損耗的軟磁材料上。

核心技術(shù)：納米級(jí)組織控制與磁疇優(yōu)化

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)融合兩種關(guān)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(tuán)隊(duì)利用液態(tài)快冷法制備出鐵基非晶薄帶，并對(duì)其進(jìn)行部分晶化處理。利用透射電子顯微鏡（TEM）觀察，確認(rèn)材料中均勻分布著納米尺寸的鐵晶粒。

•高頻磁疇結(jié)構(gòu)優(yōu)化：利用磁光克爾效應(yīng)顯微鏡（MOKE），研究人員觀察到材料內(nèi)部形成了精細(xì)的條狀磁疇結(jié)構(gòu)。通過(guò)微磁學(xué)模擬，他們發(fā)現(xiàn)這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是由于材料中產(chǎn)生了微弱的垂直磁各向異性所致。

正是這種納米級(jí)的組織控制和優(yōu)化的磁疇結(jié)構(gòu)，使得材料在數(shù)十kHz的高頻范圍內(nèi)，大幅抑制了占軟磁材料總損耗80%以上的“過(guò)剩損耗”。

左側(cè)是液態(tài)快冷樣品和部分結(jié)晶化的低損耗樣品的TEM圖和電子衍射圖樣。右側(cè)是液態(tài)快冷樣品和低損耗樣品的磁光克爾效應(yīng)顯微鏡圖像和微磁學(xué)模擬結(jié)果

產(chǎn)業(yè)前景與成本優(yōu)勢(shì)

此次開(kāi)發(fā)的新型合金薄帶中，鐵的重量占比超過(guò)94%，其余成分也主要由硼、磷、碳、銅、硅等相對(duì)低廉的元素組成。這使其具備顯著的成本優(yōu)勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)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(shù)已具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。

這項(xiàng)技術(shù)將為開(kāi)發(fā)下一代高頻軟磁器件提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有望在電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子和可再生能源等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性變革。