铌含量调控优化铁基纳米晶合金高频软磁性能：低成本高Bs材料的突破

本文通过精准调控Fe-Si-B-Cu-Nb纳米晶合金中铌(Nb)含量至1.75 at.%，开发出Fe74.75Si13.5B9Cu1Nb1.75新型材料，在降低29.3%成本的同时实现1.43 T高饱和磁感应强度(Bs)，并保持与商用合金相当的100 kHz高频相对磁导率(μe)。该研究为高功率密度电力电子器件提供了兼具经济性与性能优化的解决方案。

　　

Highlight

铌元素在纳米晶合金体系中的作用犹如"双刃剑"：作为晶粒细化剂，它能有效抑制α-Fe(Si)晶粒过度生长（典型尺寸<20 nm），从而优化高频磁导率；但过量铌（~3 at.%）会稀释铁磁元素浓度，导致本征磁矩密度不可逆下降。本研究通过将铌含量降至1.75 at.%，在Fe-Si-B-Cu-Nb体系中实现性能突破。

Methods

采用真空感应熔炼法制备Fe_73.5+xSi_13.5B₉Cu₁Nb_3-x（x=0-3）合金锭，通过单辊旋淬技术制备非晶带材，并在氮气保护下进行纳米晶化退火。使用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征微观结构，振动样品磁强计(VSM)测试磁性能。

Results and discussion

当x=1.25（即Nb=1.75 at.%）时，合金展现最佳综合性能：

1. 1.

   晶粒尺寸(D≈12 nm)低于磁交换耦合长度，有效抑制磁晶各向异性

2. 2.

   铁原子浓度提升使B_s达1.43 T，较传统合金(1.23 T)提高16%

3. 3.

   100 kHz下μ_e保持与商用FINEMET合金相当

Conclusions

该工作通过"减铌增铁"策略，突破传统纳米晶合金Bs与μ_e的互斥关系，为新能源汽车电驱系统等高频高功率场景提供了兼具低成本（原料成本降29.3%）与高性能（B_s↑16%）的材料设计方案。