突破传统性能瓶颈：基于非晶-纳米晶嵌套结构的FeCo基合金实现高Bs低Hc与优异延展性协同优化

　　为解决高Bs与低Hc难以兼得的难题，中国科学院研究人员通过设计(Fe0.8 Co0.2 )86 B12 Si1 C1 非晶合金（磁元素含量96.62 wt.%），创新构建表面非晶-纳米晶嵌套结构。经低温应变退火后获得Bs=1.9 T、Hc=4.4 A/m的卓越软磁性能，同时保持100%弯曲应变下的延展性，突破了传统软磁材料性能权衡瓶颈，为宽禁带半导体电力电子器件发展提供新材料解决方案。

　　

在能源转型与电气化加速的时代背景下，电力电子器件正朝着高频化、小型化和高功率密度方向迅猛发展。宽禁带半导体(WBG)技术的突破虽然大幅提升了器件开关速度，却让传统软磁材料陷入了"性能跷跷板"的困境——如同试图让一位短跑选手同时拥有马拉松运动员的耐力。当前主流Fe基非晶合金虽具有低矫顽力(H_c
)的优势，但其饱和磁通密度(B_s
)往往止步于1.56 T，远低于硅钢的1.9-2.1 T。这种性能失衡的根源在于非晶合金需要添加大量非磁性元素来维持玻璃形成能力(GFA)，导致磁元素含量受限。更棘手的是，提高磁元素含量易诱发晶化，不仅会恶化H_c
，还会使材料脆如薄冰，在器件运行中产生碎屑导致短路风险。

针对这一世纪难题，中国科学院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果。他们采用"组分设计-结构调控"双轮驱动策略，通过精确控制熔体淬火温度(T_q
)和铜辊转速，成功制备出磁元素含量高达96.62 wt.%的(Fe_0.8
Co_0.2
)₈₆
B₁₂
Si₁
C₁
非晶合金。该材料在应变退火后展现出惊人的"性能三重奏"：Bs达1.9 T的磁饱和强度、Hc仅4.4 A/m的磁导率，以及承受100%弯曲应变的延展性，首次实现了鱼与熊掌的兼得。

研究团队运用三大关键技术：通过电弧熔炼与急冷法制备成分梯度样品；采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)解析非晶-纳米晶嵌套结构；结合振动样品磁强计(VSM)和万能试验机进行磁学-力学性能协同测试。通过系统研究25种不同T_q
(1000-1200℃)和冷却速率(23.6-50.7 m/s)的工艺组合，建立了"工艺-结构-性能"的全构效关系图谱。

【设计成分】
通过Fe-Si-B体系优化，以Co部分取代Fe增强磁交换作用，B含量调控在12 at.%保障GFA，Si/C添加抑制粗大晶粒形成。理论计算表明该组分具有最大原子堆垛密度(0.72)和混合熵(0.89 kJ/mol·K)。

【淬态非晶合金】
发现表面接触铜辊侧因更高冷却速率形成50-100 nm厚非晶层，而自由面呈现α-(Fe,Co)纳米晶嵌入非晶基体的嵌套结构。最佳工艺参数下(1150℃/40 m/s)获得初始H_c
=8.2 A/m，Bs=1.85 T。

【应变退火效应】
380℃退火10分钟使Bs提升至1.9 T，同时Hc降低53%。原位TEM显示应变诱导纳米晶<110>择优取向，有效缩短磁畴壁位移的结构关联长度至20 nm，抑制磁晶各向异性对Hc的影响。

【力学性能】
三点弯曲试验证实退火后样品仍保持完全塑性变形能力，断裂应变达1.8%，优于传统纳米晶合金(通常<0.5%)。嵌套结构通过晶界滑移机制吸收应变能，阻止裂纹扩展。

这项研究颠覆了"高Bs必牺牲延展性"的传统认知，其创新性体现在三方面：首次实现96.62 wt.%超高磁元素含量的非晶合金稳定制备；发现应变退火诱导的纳米晶织构化可同步优化Bs和Hc；建立的"表面非晶-亚表面纳米晶"梯度结构设计准则具有普适意义。正如研究者Zhaotong Zhuang和Haiyang Bai在讨论部分强调的，这种材料在10 kHz高频下的铁损较传统非晶合金降低42%，特别适合作为WBG器件的磁芯材料。该成果不仅为下一代电力电子器件提供关键材料支撑，其揭示的"结构梯度化调控"理念更可拓展至其他功能材料设计领域，展现出广阔的工业应用前景。