11月4日，華南理工大學機械與汽車工程學院、國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心（廣東省金屬新材料制備與成形重點實驗室）楊超教授課題組，聯合深圳大學和松山湖材料實驗室等研究團隊，在國際著名期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上發表題為“Local adaptive insulation in amorphous powder cores with low core loss andhigh DC bias via ultrasonic rheomolding”的研究論文。

5G通訊作為面向未來移動通訊需求的新一代通訊系統，預計在2030年將帶動國內經濟總產出10.6萬億元。

尤其值得關注的是，隨著寬禁帶半導體器件在電力、電子和電機等5G通訊產品中的廣泛應用，小型化、高頻低損耗和高電流工作條件對非晶磁粉芯部件的性能指標提出了更嚴格的要求。然而，非晶磁粉芯面臨高孔隙率和內部大量應力殘留等瓶頸問題，這些問題顯著降低了其磁導率并增加了磁損耗。同時，磁導率—直流偏置的性能倒置關系也是磁性材料面臨的共性難題。

因此，如何獲得低孔隙率、低內應力的高性能非晶磁粉芯，實現其磁導率提升、磁損耗降低且直流偏置 (7960 A/m下) 同步提升，已成為了行業內亟需的重大挑戰。

為應對這一挑戰，研究人員設計出一種具有雙凹透鏡結構的超聲流變局部自適應絕緣結構（圖1），有效解決了非晶磁粉芯中高磁導率、低磁損耗、高直流偏置難以兼顧的行業共性難題。該原理在于，局部自適應絕緣結構可有效緩解磁場誘導的高機械應力，提升非晶磁粉的磁化效率，同時協同其低內應力和低孔隙率的積極作用，獲得優異的綜合軟磁性能，為電感磁粉芯超聲流變一體化成型開辟了的新路徑。

圖2 局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯的軟磁性能及其與其他典型非晶磁粉芯的比較

在性能指標上（圖2），相比于傳統的核殼結構非晶磁粉芯，局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯磁導率提升了32~34% (1MHz)，相應的直流偏置性能從69.4~69.7%提高到87.4~87.8% (7960 A/m），同時磁損耗減少至1/20，從282.84~304.03kW/m3降至13.73~15.45kW/m3(100mT,100 kHz)。

在應用方面，相比于傳統的核殼結構非晶磁粉芯，超聲流變局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯具有顯著的優點：其制備工藝簡單，省略了絕緣包覆等4個工序（圖1），通過超聲流變工藝實現包覆—成型一體化，大幅降低制備成本；零件尺寸為10×4×1.5mm~ 20×12×4.5 mm，完全滿足目前市場急需的高端小型化非晶電感產品的尺寸要求，如知名電感制造商日本TDK公司所售非晶電感產品尺寸為2.0×1.2×1.4 mm；結合其優異的軟磁性能，可作為新一代小型化5G通訊產品的電感組件。

超聲流變局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯成型過程如視頻所示。白色、黑色和灰色襯度分別代表非晶粉末、樹脂粉末及其粉末混合物。隨著超聲能量加載，樹脂逐漸軟化，從而開始流動并自適應分散，導致密度和對比度增加，相應自適應分布逐漸明顯，導致出現大量黑霧。注意，合金粉末振動及其自適應捕獲流動樹脂形成絕緣結構，以及由此產生的致密化是超聲流變成型的主要機制。

綜上所述，研究人員通過仿真模擬設計了一種基于雙凹透鏡的局部自適應絕緣結構，并通過超聲流變絕緣成型一體化方法將其引入非晶磁粉芯。局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯的雙凹透鏡絕緣結構能夠有效緩沖磁場作用下高機械應力對磁粉顆粒磁化的影響。同時，其相比傳統核殼結構磁粉芯而言具有更低的內應力和孔隙率，使其能夠保持更好的磁化效率。因此，局部自適應絕緣結構非晶磁粉芯在磁導率和直流偏置性能上均顯著提升，克服了磁導率和直流偏置性能之間的倒置關系，并大幅降低了其磁損耗。

華南理工大學博士生李泓臻為該論文的第一作者，華南理工大學楊超教授、深圳大學馬將教授、松山湖材料實驗室孫寶安研究員為論文的共同通訊作者。本研究得到了松山湖材料實驗室汪衛華院士的指導與幫助，并獲得了廣東省基礎與應用基礎研究重大項目“新一代非晶合金的設計、制備及先進制造基礎研究”(No. 2019B030302010) 、國家自然科學基金(No. 52371027)及廣東省科技創新項目(No. 2021TX06C111)等項目的資助。