低损耗软磁材料问世，电力损失减半，有望革新电动汽车技术

近日，日本物质·材料研究机构（NIMS）、东北大学和产业技术综合研究所（AIST）联合宣布，他们成功开发出一种新型铁基磁性材料，能将电力损耗降低至传统材料的一半以下。这项突破性进展预计将在下一代高频变压器和电动汽车（EV）的驱动电源电路等领域得到广泛应用。

左图为传统非晶态薄带的纳米结构和磁畴结构。右图为所开发材料的纳米结构控制和磁畴结构控制示意图

背景：高频应用中的软磁材料挑战

随着以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料的兴起，高电压、高频率和高温运行的半导体器件正快速发展。然而，作为电源电路核心组件的软磁材料，其自身的能量损耗问题却日益突出，成为制约整体效率提升的关键瓶颈。

在众多软磁材料中，铁基非晶（Amorphous）和纳米晶（Nanocrystalline）材料因其高饱和磁化强度和低矫顽力等优越特性而备受关注。因此，研究团队将重点放在开发更低损耗的软磁材料上。

核心技术：纳米级组织控制与磁畴优化

该研究团队通过融合两种关键方法，成功提升了以铁为主成分的非晶合金薄带的磁性能。

•纳米尺度的组织控制：团队利用液态快冷法制备出铁基非晶薄带，并对其进行部分晶化处理。利用透射电子显微镜（TEM）观察，确认材料中均匀分布着纳米尺寸的铁晶粒。

•高频磁畴结构优化：利用磁光克尔效应显微镜（MOKE），研究人员观察到材料内部形成了精细的条状磁畴结构。通过微磁学模拟，他们发现这种独特的结构是由于材料中产生了微弱的垂直磁各向异性所致。

正是这种纳米级的组织控制和优化的磁畴结构，使得材料在数十kHz的高频范围内，大幅抑制了占软磁材料总损耗80%以上的“过剩损耗”。

左侧是液态快冷样品和部分结晶化的低损耗样品的TEM图和电子衍射图样。右侧是液态快冷样品和低损耗样品的磁光克尔效应显微镜图像和微磁学模拟结果

产业前景与成本优势

此次开发的新型合金薄带中，铁的重量占比超过94%，其余成分也主要由硼、磷、碳、铜、硅等相对低廉的元素组成。这使其具备显著的成本优势。研究团队已成功制备出宽度60毫米、厚度25微米的工业规格薄带，表明该技术已具备大规模产业化应用潜力。

这项技术将为开发下一代高频软磁器件提供坚实基础，有望在电动汽车、消费电子和可再生能源等多个领域带来革命性变革。

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