【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 隨著人工智能、電力電子和新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球電力需求持續(xù)增長，電力系統(tǒng)的能源效率和碳排放問題日益突出。軟磁材料廣泛應(yīng)用于變壓器、電機、電感等電力傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備中，其鐵損最終以熱的形式耗散，不僅降低電能利用效率，還會增加設(shè)備溫升和散熱需求。國際能源署數(shù)據(jù)顯示，2024年全球僅電力輸配網(wǎng)絡(luò)損耗就造成了約10億噸二氧化碳排放和2.7×10¹² kWh的電力損失。因此降低軟磁材料的鐵損，對于提升電能使用效率和碳排放具有重要意義。激光刻痕技術(shù)因能夠有效改變磁疇的寬度，已被廣泛用于降低非晶軟磁材料的鐵損。然而，對于結(jié)構(gòu)無序的非晶軟磁材料而言，激光輻照如何產(chǎn)生應(yīng)力、如何進一步影響磁各向異性、磁疇寬度和鐵損，長期以來缺乏定量研究。因此，建立一種適用于非晶軟磁材料的應(yīng)力測量方法，并進一步明確“應(yīng)力大小—磁各向異性—磁疇寬度—鐵損”之間的標度關(guān)系，對于開發(fā)低損耗非晶軟磁材料和器件，具有重要科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。
 

　　基于青島云路先進材料技術(shù)股份有限公司在材料研發(fā)中遇到的技術(shù)問題，清華大學(xué)物理系江萬軍課題組聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)課題組，開展了針對性研究，并在鐵基非晶軟磁材料的磁疇調(diào)控和低損耗研究方面取得進展。研究團隊提出了一種基于應(yīng)力誘導(dǎo)磁各向異性的磁疇調(diào)控方法，并將激光輻照、單軸拉伸實驗、磁光克爾效應(yīng)(MOKE)磁疇成像與多物理場模擬相結(jié)合，建立了“應(yīng)力大小—磁各向異性—磁疇寬度—損耗”之間的標度關(guān)系，并在廣泛應(yīng)用的非晶軟磁材料FeSiBC中，實現(xiàn)了超低損耗。相關(guān)成果以“Programmed Domain Architectures Enable Ultra-Low Magnetic Loss in Amorphous Soft Magnets”為題發(fā)表在材料科學(xué)類知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上。
 

　　非晶合金缺乏長程有序的晶格結(jié)構(gòu)，因此難以通過X射線衍射等方法直接定量分析其內(nèi)部殘余應(yīng)力。這一問題長期限制了人們對于“激光輻照如何改變非晶軟磁材料中磁疇”的定量理解。針對這一難題，在鐵基非晶軟磁體系FeSiBC中，研究團隊首次將可控單軸拉伸實驗與原位MOKE磁疇成像相結(jié)合，通過磁疇寬度隨外加拉伸應(yīng)力的變化，建立了應(yīng)力大小的“磁疇標尺”。隨著外加拉伸應(yīng)力由50 MPa逐漸增加至250 MPa，磁疇寬度連續(xù)變窄，呈現(xiàn)出可重復(fù)的應(yīng)力依賴關(guān)系(圖1)。
 

　　通過將外加拉伸應(yīng)力作用下得到的“應(yīng)力大小—磁疇寬度”關(guān)系，與不同激光刻痕間距下得到的“刻痕間距—磁疇寬度”關(guān)系進行對比，團隊發(fā)現(xiàn)在1—6 mm的激光刻痕間距范圍內(nèi)，等效拉伸應(yīng)力與刻痕間距呈近似線性關(guān)系。并由此得到1 mm刻痕間距對應(yīng)約290 MPa的等效拉伸應(yīng)力，而6 mm間距下則降低至約96.5 MPa。采用磁疇寬度為標尺，該方法由此能測量出非晶軟磁材料中的內(nèi)部應(yīng)力。
 

　　通過進一步優(yōu)化激光參數(shù)，研究團隊采用25 W激光功率輻照，在1 mm激光刻痕間距下，獲得了約345 J/m³的拉伸應(yīng)力誘導(dǎo)磁各向異性能，并將毫米尺度的磁疇壓縮至約82 微米寬磁疇。由此，按照“應(yīng)力大小—磁各向異性—磁疇寬度—損耗”這一標度關(guān)系，激光輻照可以對磁疇結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，為非晶軟磁材料的磁疇調(diào)控提供了可量化的理論指導(dǎo)。
 

　　磁疇結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控，最終真實器件中表現(xiàn)出極低的損耗性能。在50 Hz、1.3 T這一標準應(yīng)用測試條件下，未經(jīng)優(yōu)化激光刻痕的非晶帶材鐵損約為110 mW/kg；經(jīng)過激光刻痕優(yōu)化后的樣品，鐵損降低至僅約30.5 mW/kg，降幅達到72.3%。相較商業(yè)上廣泛應(yīng)用的激光刻痕產(chǎn)品(日立金屬MaDC-A)，本工作開發(fā)出的材料與器件，鐵損進一步降低約49%(圖2)。
 

　　本工作不僅獲得了極低的鐵損，更是在非晶軟磁材料中，建立了一種應(yīng)力定量表征方法。將激光刻痕從經(jīng)驗性的工藝手段，推廣為具有明確物理依據(jù)的磁疇調(diào)控策略，為低損耗非晶軟磁材料設(shè)計開發(fā)提供了新的思路，也為開發(fā)超低能效的變壓器、電機及電力電子系統(tǒng)提供新的可能性。
 

　　來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的訪問博士研究生宋華章、清華大學(xué)物理系博士研究生武小青、北京理工大學(xué)博士研究生董守哲和來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的訪問博士研究生鄧強為共同第一作者。清華大學(xué)物理系江萬軍教授、北京理工大學(xué)黃厚兵教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李鵬教授和青島云路先進材料技術(shù)股份有限公司李曉雨為共同通訊作者。該工作受到國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目以及清華大學(xué)—青島云路橫向課題等項目資助。
 

　　引用：江萬軍課題組在非晶軟磁材料應(yīng)力定量表征與超低損耗方面取得進展-清華大學(xué)物理系【引用時間：2026年10月3日】