11月4日，華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院、國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)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(lián)合深圳大學(xué)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(fā)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(tǒng)，預(yù)計在2030年將帶動國內(nèi)經(jīng)濟總產(chǎn)出10.6萬億元。

尤其值得關(guān)注的是，隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件在電力、電子和電機等5G通訊產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)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(biāo)提出了更嚴(yán)格的要求。然而，非晶磁粉芯面臨高孔隙率和內(nèi)部大量應(yīng)力殘留等瓶頸問題，這些問題顯著降低了其磁導(dǎo)率并增加了磁損耗。同時，磁導(dǎo)率—直流偏置的性能倒置關(guān)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(nèi)應(yīng)力的高性能非晶磁粉芯，實現(xiàn)其磁導(dǎo)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(yè)內(nèi)亟需的重大挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計出一種具有雙凹透鏡結(jié)構(gòu)的超聲流變局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)（圖1），有效解決了非晶磁粉芯中高磁導(dǎo)率、低磁損耗、高直流偏置難以兼顧的行業(yè)共性難題。該原理在于，局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)可有效緩解磁場誘導(dǎo)的高機械應(yīng)力，提升非晶磁粉的磁化效率，同時協(xié)同其低內(nèi)應(yīng)力和低孔隙率的積極作用，獲得優(yōu)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(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)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(biāo)上（圖2），相比于傳統(tǒng)的核殼結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯，局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯磁導(dǎo)率提升了32~34% (1MHz)，相應(yīng)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(yīng)用方面，相比于傳統(tǒng)的核殼結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯，超聲流變局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯具有顯著的優(yōu)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品尺寸為2.0×1.2×1.4 mm；結(jié)合其優(yōu)異的軟磁性能，可作為新一代小型化5G通訊產(chǎn)品的電感組件。

超聲流變局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)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(yīng)分散，導(dǎo)致密度和對比度增加，相應(yīng)自適應(yīng)分布逐漸明顯，導(dǎo)致出現(xiàn)大量黑霧。注意，合金粉末振動及其自適應(yīng)捕獲流動樹脂形成絕緣結(jié)構(gòu)，以及由此產(chǎn)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(shè)計了一種基于雙凹透鏡的局部自適應(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)，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(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯的雙凹透鏡絕緣結(jié)構(gòu)能夠有效緩沖磁場作用下高機械應(yīng)力對磁粉顆粒磁化的影響。同時，其相比傳統(tǒng)核殼結(jié)構(gòu)磁粉芯而言具有更低的內(nèi)應(yīng)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(yīng)絕緣結(jié)構(gòu)非晶磁粉芯在磁導(dǎo)率和直流偏置性能上均顯著提升，克服了磁導(dǎo)率和直流偏置性能之間的倒置關(guān)系，并大幅降低了其磁損耗。

華南理工大學(xué)博士生李泓臻為該論文的第一作者，華南理工大學(xué)楊超教授、深圳大學(xué)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(wèi)華院士的指導(dǎo)與幫助，并獲得了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目“新一代非晶合金的設(shè)計、制備及先進制造基礎(chǔ)研究”(No. 2019B030302010) 、國家自然科學(xué)基金(No. 52371027)及廣東省科技創(chuàng)新項目(No. 2021TX06C111)等項目的資助。