热压烧结FeSi基软磁复合材料的最新进展

《Journal of Materials Research and Technology》：Recent Advances in Hot-Press Sintered FeSi-Based Soft Magnetic Composites

　　穆罕默德·阿里夫|钟业锡|钟秀丽
应用物理系与自然科学研究所， Kyung Hee大学，龙仁17104，韩国

**摘要**
软磁复合材料（SMCs）由于其高饱和磁化强度、高磁导率、低矫顽力和降低的芯损耗，被广泛用于电动机、变压器、传感器和电感器等电磁设备中。为了满足高频应用的需求，SMCs需要具备高磁导率和低芯损耗。近年来，各种基于铁的合金颗粒（如FeSi、FeCo、FeSiAl、FeNi和非晶合金）被涂覆了高电阻率绝缘层，形成了核壳结构。其中，FeSi引起了特别的关注。人们探索了多种策略来改善SMCs的磁性能；然而，先进的压实技术被证明特别有效。本综述重点介绍了热压在制备基于FeSi的SMCs中的作用，并讨论了优化微观结构、增强磁耦合和减少孔隙率以适应先进电磁应用的关键因素。

**1. 引言**
软磁材料（SMMs）对于实现现代电磁设备中的高效率、高功率密度和小型化至关重要，这些设备用于能量转换、功率传输和信号处理。随着对紧凑型、高频和节能电子系统的需求不断增加，软磁复合材料（SMCs）的发展受到了显著关注，因为它们具有可调的结构、电气和磁性能组合。这些复合材料表现出各向同性的铁磁行为、高磁导率、低矫顽力和增强的电阻率，这些特性共同有助于抑制交变磁场下的涡流损耗。这些特点使得SMCs特别适合用于高级电力电子设备，包括高频变压器、电感器、电动机和转换器。

SMCs的磁导率和磁化强度取决于其磁相含量以及结构中分布的气隙的稀释效应。因此，制备SMCs时，会将铁磁相涂覆在电介质相上，然后将复合颗粒压缩在一起，形成核壳异质结构。这种微观结构设计能够在颗粒之间实现有效的电绝缘，从而在高频下最小化涡流损耗。然而，整体磁性能受饱和磁化强度、磁导率、矫顽力和总芯损耗等竞争因素的平衡所控制。特别是，磁相成分、颗粒间结合强度和微观结构均匀性对SMCs的高频响应起着关键作用。

关于铁磁相，使用了多种类型的粉末，包括纯Fe、基于Fe的合金、基于Ni的合金或Fe-Co粉末合金。然而，由于FeSi基SMCs具有优异的软磁性能、高电阻率、高饱和磁化密度和相对较低的成本，近期研究主要集中在这些材料上。不幸的是，它们的内在脆性限制了粉末压实过程中的可压缩性和可达到 的密度，从而影响了最终的磁导率和芯性能。因此，许多研究集中在微观结构调整、表面修饰和纳米颗粒增强上，以改善FeSi基复合材料的软磁性能。例如，D. Liu等人研究了不同质量分数的Fe纳米颗粒对Fe-6.5 wt%Si/Fe混合SMCs的微观结构和磁性能的影响；R. Zhao等人研究了FeNi纳米颗粒对FeSi/FeNi软磁粉末芯（SMPC）的微观形态、内部结构和软磁性能的影响；J. Wang等人研究了Ti掺杂对Fe-6.5 wt%Si软磁复合材料微观结构和磁性能的影响；Li等人研究了Ge含量对通过冷压制备的FeSiGe SMPCs的微观结构和软磁性能的影响。

绝缘剂可以是无机的（如磷酸盐、SiO2、TiO2、MnO3）或有机材料（如硅树脂、酚醛树脂）。无机材料因其高电阻率、高热稳定性和低成本而受到青睐。然而，它们会降低铁磁相的体积分数，从而导致磁导率和磁通密度的下降。为了制备具有增强磁性能的SMCs，采用了多种策略，包括合金设计、颗粒尺寸匹配、表面涂层选择和压实优化。其中，表面绝缘材料和新型压实技术特别有效。本综述强调了热压在制备具有增强磁性能的基于FeSi的软磁复合材料中的重要性。

**2. 基于Fe的软磁复合材料的基础知识**
2.1. 关键特性
软磁复合材料的关键基本特性是有效磁导率和芯损耗。
**有效磁导率（μe）**
磁导率是软磁材料的一个重要参数。然而，有效磁导率（μe）是另一种表示含有气隙的磁芯磁导率的指标。具有高磁导率的磁芯存储的能量较少，它主要依靠气隙来储存能量。SMCs的有效磁导率可通过以下公式计算：
\[μe = \frac{L \cdot μo \cdot N}{A_e}\]
其中，L表示磁芯的电感，le表示环形SMCs的有效磁回路长度，μo表示真空磁导率，N表示缠绕在磁芯上的绝缘铜线的匝数，A_e表示SMCs的有效横截面积。

**芯损耗**
芯损耗是影响电子设备效率、能量传输效率和性能稳定性的重要特性。根据Bertotti的经典损耗分离理论，总芯损耗（Pcv）主要分为三类：磁滞损耗（Ph）、涡流损耗（Pe）和剩余损耗（Pr）：
\[Pcv = Ph + Pe + Pr\]
其中，Ph是磁滞损耗，Pe是涡流损耗，Pr是剩余或超额损耗。
磁滞损耗表示单个磁化循环单位体积内的能量损失。

**2.2. 加工方法：粉末冶金（PM）**
粉末冶金（PM）是一种固态且经济可行的技术，广泛用于制造金属基复合材料（MMCs）。该方法涉及可控地混合基体和增强体粉末，然后通过压实和烧结来生产致密复合材料。由于该过程在主要成分的熔点以下进行，因此可以最小化不良相变和过度晶粒生长。整个PM过程通常包括三个主要阶段：粉末混合、将混合后的粉末压实成绿色坯体，以及后续的烧结以实现最终致密化和结合。

**混合**
粉末冶金的初始阶段是在基体粉末内实现增强体颗粒的均匀分布。均匀分散对于确保一致的微观结构发展和优化的复合材料性能至关重要。在许多情况下，粉末分散在乙醇或丙酮等液体介质中以提高混合效率并减少颗粒团聚。此步骤中通常使用磁力搅拌或机械搅拌来促进均匀性。混合不良可能导致局部应力集中、晶粒细化受限以及在后续处理阶段形成微裂纹。

**压实**
混合后，混合粉末在高压下使用圆柱形/环形模具进行压实。这一步骤将粉末混合物塑造成预定义的几何形状，形成所谓的绿色坯体。施加的压实压力显著影响绿色坯体的密度、机械稳定性和孔隙率。提高压实压力通常可以增强颗粒的重排和颗粒间接触，从而减少孔隙体积并提高机械强度。适当的压实对于生产具有足够结构完整性的绿色坯体以进行后续处理至关重要。然而，过高的压力可能会引起裂纹或缺陷密度梯度。因此，优化压实压力对于在高密度和结构稳定性之间取得平衡至关重要。

**烧结**
烧结是粉末冶金加工的最后和最关键阶段。在烧结过程中，绿色坯体被加热到主要成分的熔点以下，使相邻颗粒间的原子发生扩散。这种扩散过程促进了颗粒接触点的颈形成和生长，从而增强了结合和逐步致密化。随着烧结的进行，孔隙尺寸和体积减小，冶金结合加强了基体和增强体相之间的界面。这些微观结构变化提高了复合材料的机械强度、结构完整性和整体耐久性。必须仔细控制烧结温度、保持时间和气氛，以优化致密化，同时防止不良反应或晶粒粗化。

**3. 热压烧结的基于FeSi的SMCs的进展**
Yue Qiu等人使用热压烧结技术制备了Fe–Si@SiO2软磁粉末芯（SMPCs），并系统研究了不同轴向压力下核壳结构和异质界面的演变。Fe–Si@SiO2核壳粉末以Fe–Si粉末为核心，SiO2为壳层，通过流化气相原位沉积法合成。首先将Fe–Si颗粒放置在直径为30毫米的滤网上，然后将其置于垂直管式炉内，并在氩气气氛下流化。当炉温达到647 °C时，将预先加热至约150 °C的四乙基正硅酸盐（TEOS）以去除气体，以300 mL/min的流速通入炉内60分钟，形成均匀的SiO2绝缘层。冷却炉子至室温后，收集涂覆后的复合粉末。随后，将适量的合成的Fe–Si@SiO2核壳粉末装入石墨模具中，并使用热压烧结（HPS）炉进行压实。温度升至910 °C并保持10分钟，然后再保持10分钟以确保充分致密化。炉子以50 °C/min的速率冷却。烧结过程中施加了10–17 kN的轴向压力，并保持直至温度达到910 °C。最后，将烧结后的软磁粉末芯在650 °C下退火120分钟以缓解内部应力并改善磁性能。结果表明，轴向压力对磁性能有显著影响，因为界面结合和微观结构完整性的变化。在14 kN的轴向压力下获得了最佳的磁性能。为了阐明轴向压力对磁导率和频率稳定性的影响，图1展示了核壳异质结构的演变。正如预期的那样，SMCs的磁导率随着频率的增加而逐渐降低。有趣的是，具有完整核壳异质结构的样品的初始磁导率（14和15 kN）略低于部分形成结构的样品（10-13 kN），尽管它们表现出更好的频率稳定性。这种行为可以归因于连续且发育良好的绝缘SiO2层的存在，该层增加了有效趋肤深度并抑制了涡流效应，从而在更宽的频率范围内稳定了磁导率。然而，当轴向压力进一步增加到16和17 kN时，磁导率再次下降，这与核壳异质结构的退化和磁畴连续性的破坏有关。这可能是由于SiO2颗粒和Fe-Si粉末之间的交换耦合效应，导致自旋取向发生变化。

图1. 在不同轴向压力下烧结的Fe-Si@SiO2软磁复合材料（SMPCs）的磁导率变化。经许可转载自《皇家化学会》2022年。

图2(a)显示了在不同轴向压力下烧结的Fe-Si@SiO2 SMPCs的总磁芯损耗（Pcv）。对于所有样品，Pcv随着测试频率的增加而增加，这是软磁材料的典型特征，因为滞后和涡流效应的增强。然而，随着轴向压力的增加，Pcv先减小然后增加。在10 mT和100 kHz的测试条件下，17 kN下烧结的样品显示出相对较高的总磁芯损耗，约为897.4 kW/m3。相比之下，14 kN和15 kN下烧结的样品的损耗分别显著较低，约为699.4 kW/m3和704.7 kW/m3。

王等人[57]使用流化床化学气相沉积（FBCVD）后热压烧结技术成功合成了基于Fe-Si-Al的软磁复合材料。该研究重点评估了不同烧结温度下绝缘层的稳定性和完整性及其对磁性能的影响。Fe-Si-Al/SiO2核壳粉末是通过流化床化学气相沉积（FBCVD）方法合成的。首先，将Fe-Si-Al粉末放置在直径为30毫米的不锈钢滤网上，置于垂直管式炉内，并在氩气气氛中流动化。当炉温达到667 °C时，将预先加热至约150 °C以脱气的四乙基正硅酸盐（TEOS）以300 mL/min的流速通过氩气引入炉内，持续60分钟，促进粉末表面形成均匀的SiO2绝缘层。随后，将制备好的Fe-Si-Al/SiO2核壳颗粒装入石墨模具中，并通过电热压烧结进行固化。温度升至1123 K并保持10分钟，再保持10分钟以确保充分致密。然后以50 K/min的速率将炉温降至323 K，并在恒定压力10 MPa下冷却。最后，将烧结后的软磁复合材料在1223至1423 K的温度范围内进行后热处理，持续120分钟，以优化微观结构和磁性能。

图3显示了热处理温度对制备的SMCs磁导率和频率稳定性的影响。一般来说，磁导率随频率的增加而减小，这是软磁材料的特性。然而，随着烧结温度的升高，特别是在1423 K时，这种下降变得更加明显。在较高温度下磁导率加速降低归因于绝缘层的退化和颗粒间耦合的增加，这加剧了涡流效应并影响了频率稳定性。

图4(a)展示了不同热处理温度对Fe-Si-Al软磁复合材料总磁芯损耗（Pcv）的影响。结果表明，Pcv随着热处理温度和测试频率的增加而先减小后增加。对于未经热处理的样品，在10 mT和100 kHz下的总磁芯损耗约为606.5 kW/m3。经过1223 K热处理后，该值降至531.9 kW/m3，在1373 K时达到最低值约432.7 kW/m3，分别减少了18.7%和28.7%。此外，与未经处理的样品相比，1373 K下热处理的复合材料在涡流损耗和滞后损耗方面都有显著减少，分别减少了34.8%和76.28%。这些改进归因于应力释放、颗粒间键合的改善以及高温下的绝缘特性的优化。

肖刚等人[58]使用化学气相沉积（CVD）后热压烧结技术制备了Fe-Si/SiO2核壳异质结构，并研究了热处理温度对SMCs微观结构的影响。首先，将Fe-Si粉末放置在直径为30 μm的网筛上，置于垂直管式炉内，并在氩气气氛中流动化。随后，在667 °C下以300 mL/min的恒定氩气流速将四乙基正硅酸盐（TEOS）引入炉内，持续60分钟合成Fe-Si/SiO2核壳颗粒。所得粉末（28.0 g）随后装入石墨模具中，并在14 MPa的压力下进行压力辅助烧结。烧结过程在298–1153 K的温度范围内进行。温度逐渐升至1153 K并保持600秒，然后再保持600秒，然后冷却至室温。烧结后，将获得的软磁复合材料（SMCs）在823、873、923和973 K下进行后热处理，保持时间分别为30、60、90和120分钟，以优化其磁性能。

图6展示了制备的Fe-Si/SiO2软磁复合材料（SMCs）的频率稳定性和磁导率对温度的依赖性。随着测试频率的增加，磁导率逐渐减小，这可以归因于残余应力和畴壁钉扎效应，这些因素阻碍了畴壁运动并降低了磁性能。然而，在较高温度下的热处理提高了高频时的磁导率稳定性。这种改进与应力释放和更连续的SiO2层的形成有关，该层增加了有效趋肤深度并抑制了涡流效应。当热处理温度进一步升高至973和1023 K时，核壳异质结构部分破坏，导致结构退化和磁导率更快下降。相比之下，在923 K下热处理的样品表现出相对较高且更稳定的磁导率，其在更宽的频率范围内保持稳定，表明应力松弛和结构完整性之间达到了最佳平衡。

图7显示了不同热处理温度对Fe-Si/SiO2 SMCs总磁芯损耗（Pcv）分布的影响。总磁芯损耗（Pcv）最初随着热处理温度的增加而增加，随后减小。在923 K下热处理的SMCs显示出最低的总磁芯损耗为639.9 kW/m3，与过度热处理和未经处理的样品相比分别减少了约32.6%和27.8%。随着热处理温度的升高，滞后损耗（Ph）首先由于应力释放和磁畴移动性的改善而减小，然后在较高温度下核壳结构开始退化时增加。相比之下，涡流损耗（Pe）在823–973 K的温度范围内相对稳定，这可以归因于压制过程中残余应力的最小化和绝缘完整性的保持。在最佳热处理温度923 K下，Pe减少了11.8%，而Ph相比未经处理的SMCs减少了41.9%。这表明总磁芯损耗的改善主要归因于滞后损耗的减少而非涡流损耗。

张瑞等人[59]在超低压力160 MPa下通过热压实法制备了高致密度和优异磁性能的非晶FeSiBCCr SMCs。使用水雾化FeSiBCCr非晶粉末（-400目，D50 ≈ 24.3 μm），名义组成为Fe73.72Si11B11C2Cr2.28（at%）作为原料。粉末用无水乙醇清洗三次以去除表面杂质。随后，将0.3 wt%的磷酸溶解在20 mL的丙酮中加入粉末并搅拌直至溶剂完全蒸发。重复此表面处理过程以确保均匀钝化，然后在120 °C下干燥1小时。钝化后，将2.5 wt%的硅树脂溶解在20 mL的丙酮中加入粉末并混合直至丙酮完全蒸发。接着添加1.5 wt%的硬脂酸锌作为润滑剂，混合物通过400目筛网筛分以获得均匀颗粒状粉末。在真空条件下，将处理后的粉末在445至515 °C的目标温度范围内压实成环形芯体，压实速率为20 °C/min，成型压力为80–160 MPa，保持时间为2–10分钟。作为对比，参考样品在室温下600 MPa下压实。最后，所有制备的SMCs在真空条件下浸泡在硅胶稀释剂中并在150 °C下固化1小时。

图8(a–c)展示了在不同压实温度（Tc）、保持时间（th）和成型压力（Pm）下制备的非晶FeSiBCCr SMCs的有效磁导率与频率的关系。值得注意的是，所有复合材料在1 MHz范围内都表现出优异的高频稳定性。此外，100 kHz时的磁导率（μe@100 kHz）随着Tc和th的增加而先增加后减小；而在Pm的情况下，它持续增加。在f=100 kHz、Tc = 475 °C、th = 6 min和Pm = 160 MPa时观察到的最大值约为73.1，比在600 MPa和25 °C下压实的样品高3.39倍。

图9(a–c)显示了总磁芯损耗（Pcv@100 kHz, 0.05 T）随频率增加的趋势。然而，随着Tc和th的增加，Pcv@100 kHz, 0.05 T先降低然后升高，在Tc = 475 °C和th = 6 min时达到最低值275.3 kW/m3，比参考样品（579.5 kW/m3）低57.4%。此外，Pcv@100 kHz, 0.05 T随着成型压力的增加而逐渐减小。

图9显示了在不同（a）压实温度（Tc）、（b）保持时间（th）和（c）成型压力（Pm）下制造的FeSiBCCr SMCs的总磁芯损耗（Pcv）与频率的关系。(d)展示了在100 kHz（μe@100 kHz）下μe随Tc、th和Pm的变化。版权所有 2024，《合金与化合物杂志》
Rui Wang等人[60] 使用热压技术制备了不同含量的羰基铁粉（CIP）涂层的FeSiAl SMCs。首先，将FeSiAl气溶胶合金粉（100克）、去离子水（15毫升）、C4H6CaO4?H2O粉末（1.5重量%）和不同浓度的CIP（0%、3%、6%、9%和12%）在恒温（70℃）下通过机械搅拌混合30分钟，然后在真空炉中干燥1小时。接下来，将复合粉末放入石墨模具中，使用热压烧结炉进行压缩。温度在10分钟内升至850℃，并保持该温度额外10分钟以确保充分致密化。整个烧结过程中施加恒定压力14 MPa。最后，将制备好的FeSiAl基复合材料在氩气气氛中于650℃下热处理约60分钟以消除残余应力并优化磁性能。结果表明，如图10（a）所示，随着CIP含量的增加，复合材料的密度显著从6.47克/立方厘米增加到6.63克/立方厘米。相比之下，电阻率呈现相反趋势，随着CIP添加量的增加而降低（图10（b）），这可以归因于磁颗粒之间导电路径的形成增强。所有复合材料都表现出良好的软磁性能，包括高饱和磁化和相对较低的矫顽力（约2 Oe），如图10（c）和（d）所示。图10（d）展示了不同CIP含量的FeSiAl核心和FeSiAl基SMCs的频率依赖性有效磁导率谱。随着测试频率的增加，FeSiAl核心和复合材料的磁导率最初下降，然后稳定下来，反映了SMCs典型的频率分散行为。随着CIP含量的增加，有效磁导率首先增加，然后在500 kHz时达到最大值44.1。

版权所有 2024，《陶瓷国际》
Rui Wang等人[41] 成功制备了CIP掺杂浓度的Fe–Si–Al/CIP复合材料，并研究了不同CIP含量对Fe–Si–Al基SMCs微观结构和磁性能的影响。Fe–Si–Al/SiO2核壳颗粒通过化学气相沉积（CVD）合成。Fe–Si–Al粉末放置在一个垂直管炉内的不锈钢过滤器（孔径30微米）上，并在氩气流通下流动。四乙基正硅酸盐（预热至约150℃）以300毫升/分钟的流速引入，持续80分钟以形成SiO2涂层。然后将含有2%、4%、6%、8%和10%掺杂量的羰基铁粉（CIPs）加入涂层颗粒中。混合物在真空下使用10毫米不锈钢球以300转/分钟的转速球磨60分钟，球粉比为1:15。随后，将29.2克研磨后的粉末放入石墨模具中，在14 MPa压力下于850℃下热压烧结10分钟。最后，所得SMCs在氩气气氛中于1100℃下热处理120分钟。

版权所有 2024，《陶瓷国际》
Rui Wang等人[41] 成功制备了Fe–Si–Al/CIP复合材料，并研究了不同CIP含量对Fe–Si–Al基SMCs微观结构和磁性能的影响。Fe–Si–Al/SiO2核壳颗粒通过化学气相沉积（CVD）合成。Fe–Si–Al粉末放置在一个垂直管炉内的不锈钢过滤器（孔径30微米）上，并在氩气流通下流动。四乙基正硅酸盐（预热至约150℃）以300毫升/分钟的流速引入，持续80分钟以形成SiO2涂层。然后将含有2%、4%、6%、8%和10%掺杂量的羰基铁粉（CIPs）加入涂层颗粒中。混合物在真空下使用10毫米不锈钢球以300转/分钟的转速球磨60分钟，球粉比为1:15。随后，将29.2克研磨后的粉末放入石墨模具中，在14 MPa压力下于850℃下热压烧结10分钟。最后，所得SMCs在氩气气氛中于1100℃下热处理120分钟。

版权所有 2024，《陶瓷国际》
Rui Wang等人[41] 成功制备了Fe–Si–Al/CIP复合材料，并研究了不同CIP含量对Fe–Si–Al基SMCs微观结构和磁性能的影响。Fe–Si–Al/SiO2核壳颗粒通过化学气相沉积（CVD）合成。Fe–Si–Al粉末放置在一个垂直管炉内的不锈钢过滤器（孔径30微米）上，并在氩气流通下流动。四乙基正硅酸盐（预热至约150℃）以300毫升/分钟的流速引入，持续80分钟以形成SiO2涂层。然后将含有2%、4%、6%、8%和10%掺杂量的羰基铁粉（CIPs）加入涂层颗粒中。混合物在真空下使用10毫米不锈钢球以300转/分钟的转速球磨60分钟，球粉比为1:15。随后，将29.2克研磨后的粉末放入石墨模具中，在14 MPa压力下于850℃下热压烧结10分钟。最后，所得SMCs在氩气气氛中于1100℃下热处理120分钟。

版权所有 2024，《材料科学：材料电子学》
M. Arif等人[11] 使用热压烧结技术制备了FeSi/Fe2O3 SMCs，以研究Fe2O3纳米颗粒掺入对其结构和磁性能的影响。Fe-6.5wt%Si/Fe2O3复合材料是通过将FeSi粉末与不同浓度的Fe2O3纳米颗粒（0-5重量%）混合制备的，分别使用3.0重量%的PVP和0.5重量%的硬脂酸锌作为粘合剂和润滑剂。首先，将硬脂酸锌和PVP在乙醇中通过磁力搅拌混合。然后，将FeSi粉末和Fe2O3纳米颗粒加入混合溶液中，并机械搅拌直到所有乙醇被去除。最后，溶液在70℃的真空环境中干燥一小时，然后使用热压技术在70 MPa的压力下压制成环形，并在800℃下烧结一小时。如图13所示的微观结构分析表明，适量的纳米颗粒的引入通过填充FeSi颗粒之间的间隙有效地减少了颗粒间的空隙，从而提高了填充密度和整体致密度。然而，当纳米颗粒含量超过某个临界阈值时，会发生颗粒聚集现象。这种聚集效应产生了新的孔隙，进而降低了密度，从而恶化了复合材料的结构完整性和磁性能。

版权所有 2025，《材料》
所有复合材料都表现出典型的软磁行为，具有高饱和磁化（Ms）和低矫顽力（Hc），表明纳米颗粒的掺入增强了这些系统的软磁性质。提取的Ms和Hc值总结在表1中。

版权所有 2025，《材料》
图15显示了在不同Fe2O3含量范围内制备的复合材料的频率依赖性有效磁导率谱，范围为15 kHz至100 kHz。有趣的是，所有复合材料在10 kHz至100 kHz范围内显示出优异的有效磁导率稳定性。此外，随着Fe2O3含量的增加，有效磁导率先增加，然后达到最大值30.45，之后又下降。

版权所有 2025，《材料科学：材料电子学》
图16显示了在不同Fe2O3含量下所有复合材料的频率依赖性核心损耗（Pcv）测量结果。在f=100 kHz和Bm = 10 mT的测试条件下，未掺杂的Fe–Si–Al基SMCs的总核心损耗约为593.10 kW/m3。相比之下，掺杂了8% CIP的复合材料实现了最低的总损耗481.77 kW/m3。磁滞损耗（Ph）的趋势与总核心损耗相似，表明Pcv的降低主要归因于最佳CIP含量下磁畴行为的改善。相反，涡流损耗（Pe）表现出相反的趋势，这可以归因于随着CIP含量的增加电阻率和密度的变化。这些竞争效应最终决定了复合材料的整体损耗行为。

版权所有 2025，《材料科学：材料电子学》
Yan Ma等人[61] 使用低压热压烧结技术制备了FeSiPC SMCs。通过感应熔化制备了Fe80Si1P12C7合金锭，然后在真空下重新熔化并多阶段雾化以获得完全非晶粉末。粉末在H2–Ar气氛（5体积% H2）中于473 K下退火60分钟。然后将溶解在丙酮中的硅胶（2重量%）与Fe80Si1P12C7粉末通过超声混合。在80℃下干燥60分钟后，将复合粉末通过热压压制成环形样品。在高达440℃的温度下，在400 MPa的压力下进行烧结。释放压力后，样品在目标温度下保持2小时以释放内部应力。

版权所有 2025，《材料科学：材料电子学》
图17显示了在不同压实温度下制备的FeSiPC SMCs的频率依赖性有效磁导率。有趣的是，所有SMCs在高达1 MHz的频率下都表现出优异的高频磁导率。SMCs的μe起初随着压实温度的升高而增加，然后在420℃时达到最大值81，比室温下的值（μe ≈ 19.5）高4.15倍。

版权所有 2025，《材料科学：材料电子学》
图18展示了在不同压实温度下压制的FeSiPC软磁复合材料的总核心损耗（Pcv）作为频率（25–200 kHz，Bm = 0.05 T）的函数变化。对于所有样品，Pcv随着频率的增加而显著增加。这种行为表明，在交变磁场下，更高频率导致由于磁滞和涡流效应的增加而产生更大的能量损耗，且在高频时损耗更加明显。

版权所有 2025，《材料科学：材料电子学》
Muhammad Arif等人[62] 通过热压技术制备了FeSi/(TiO2; Fe)软磁复合材料。通过将FeSi粉末与不同含量的Fe纳米颗粒（0–5重量%）混合制备了Fe–6.5 wt%Si/Fe复合材料。分别使用聚维吡咯酮（3重量%）和硬脂酸锌（0.5重量%）作为粘合剂和润滑剂。首先，将PVP和硬脂酸锌溶解在乙醇中并磁力搅拌。然后加入FeSi粉末和Fe纳米颗粒，并机械搅拌直到乙醇蒸发。所得粉末在70℃的真空下干燥1小时，然后在70 MPa的压力下热压压制成环形核心，并在800℃下烧结1小时。扫描电子显微镜（SEM）图像以及原始FeSi和软磁复合材料的颗粒尺寸分布插图分别显示在图19（a）和（b-f）中。除了呈球形外，图19（a）中的SEM图像还显示原始FeSi的表面相当光滑，而SMCs的表面则更粗糙。此外，在不含Fe纳米颗粒的原始SMC中可以看到更多的空气间隙。此外，SEM分析证实，纳米颗粒的掺入显著减少了颗粒间的间隙，从而提高了密度。相反，过量的Fe纳米颗粒的添加导致了颗粒聚集和产生新的孔隙，从而降低了密度。为了支持我们的观点，图20总结了密度和孔隙率百分比的变化。下载：下载高分辨率图像（944KB）下载：下载全尺寸图像

图19. 显示了Fe-6.5 wt%Si/(TiO2; Fe)(NP) SMCs在不同Fe纳米颗粒含量（a）0体积%，（b）0.83体积%，（c）1.66体积%，（d）2.49体积%，（e）3.32体积%）下的SEM图像。经许可转载自《Current Applied Physics》，版权所有2025年。

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图20. 分别显示了FeSi/Fe样品的密度和孔隙率百分比。经许可转载自《Current Applied Physics》，版权所有2025年。

表2总结了从FeSi/(Fe: TiO2) SMCs的室温磁滞（M–H）回线中提取的所有参数值，表明所有复合材料都表现出典型的软磁行为，具有高饱和磁化强度（Ms）和低矫顽力（Hc）。

表2. 不同Fe纳米颗粒含量的FeSi/(TiO2; Fe) (NP) SMCs的Ms和Hc值
Fe纳米颗粒含量（体积%）0 0.83 1.66 2.49 3.32
Ms (emu/g) 180.89 183.06 189.50 188.38 183.84
Hc (Oe) 11.26 12.05 14.18 14.42 14.09

图21显示了所有复合材料在0–1 MHz范围内频率依赖的有效磁导率谱测量结果。所有SMCs在整个频率范围（0–1MHz）内都具有良好的磁导率稳定性。随着Fe纳米粉末含量的增加，有效磁导率先增加，随后随着Fe含量的进一步增加而下降。

图22显示了在10 mT激励磁场和25–275 kHz频率范围内进行的铁芯损耗（Pcv）测量结果。有趣的是，增加Fe纳米颗粒含量使得在100 kHz和10 mT时铁芯损耗减少了约80.95%，磁滞损耗（Ph）显著降低到0.677 kW/m3（减少了98.7%），涡流损耗（Pe）降至约8.17 kW/m3。

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图21. 在100 kHz下FeSi/Fe2O3 SMCs的频率依赖的有效磁导率谱。经许可转载自《Current Applied Physics》，版权所有2025年。

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图22. 分别显示了在Bm=10 mT时，不同Fe2O3浓度的FeSi/Fe2O3 SMCs的（a）总铁芯损耗，（b）Pcv/f，（c）磁滞损耗，以及（d）涡流损耗的频率依赖性。经许可转载自《Current Applied Physics》，版权所有2025年。

为了将我们的先前工作与文献中的报告进行比较，表3总结了总铁芯损耗和磁导率值。我们之前发表的研究结果为开发具有改进的高频磁导率稳定性和较低铁芯损耗的软磁复合材料（SMCs）提供了新的见解，展现了其在高功率和高频电子应用中的巨大潜力。总体而言，本综述表明，受控的纳米颗粒掺杂结合热压致密化能有效降低铁芯损耗。这突显了适当加入磁性纳米填料和优化压坯工艺是实现低损耗、高密度和高磁导率复合材料的关键策略，这些复合材料适用于高功率和高频电子应用。

表3. 不同报道的基于FeSi的SMCs的性能比较
材料 | f=100 kHz时的磁导率（μe） | 铁芯损耗（Pcv）
参考文献 |
FeSi/Fe2O3 SMCs | 30.45，稳定性可达100 kHz | 16.13 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Arif等人 [10]
FeSi/Fe SMCs | 37.35，稳定性可达1 MHz | 31.07 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Arif等人 [55]
Fe–Si@SiO2 SMCs | 60，稳定性可达300 kHz | 699.4 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Qiu等人 [48]
Fe–Si–Al/SiO2 SMCs | 45，低频稳定性 | 432.7 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Wang等人 [49]
Fe–Si/SiO2核壳SMCs | 55，稳定性可达300 kHz | 344.3 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Li等人 [50]
FeSiBCCr非晶SMCs | 73.12 | 75.3 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=0.05 | Zhang等人 [51]
Fe–Si–Al@CIP/C4H6CaO4复合材料 | 44.11 | 98.8 kW/m3 | f=20 mT 和 100 kHz | Wang等人 [52]
Fe–Si–Al/CIP复合材料 | 45，稳定性可达500 kHz | 481.77 kW/m3 | f=100 kHz, Bm=10 mT | Wang等人 [53]
FeSiPC SMCs | 81，稳定性可达1 MHz | 321 kW/m3 | f=100 kHz 和 Bm=0.05 | Ma等人 [54]

未来展望与设计指南
本综述为优化基于FeSi的软磁复合材料（SMCs）制定了实用指南。在优化的温度和压力下使用适量的纳米颗粒掺杂可以有效地改善微观结构，增强磁耦合，并减少孔隙率。这些优化条件提高了饱和磁化强度、磁导率和铁芯损耗性能，为设计和优化用于先进电磁应用的基于Fe的SMCs提供了有价值的指导。此外，热压烧结工艺可用于大规模材料合成。然而，在工业大规模生产中应考虑纳米粉末的均匀性、孔隙率、氧化问题以及成本。

然而，未来我们计划利用人工智能驱动的微观结构优化技术来制备高熵的基于Fe的磁性复合材料。

4. 结论
由于对高频应用的需求不断增加，SMCs需要具备高磁导率和低铁芯损耗。基于FeSi的软磁复合材料因其高饱和磁化强度、良好的磁导率和低铁芯损耗而成为先进电磁设备的有希望的材料。在各种制备方法中，热压技术对于改善微观结构、增强磁耦合和减少孔隙率起着关键作用。这些改进有助于提高磁性能，使基于Fe的SMCs适用于高频和高效率的电磁应用。总体而言，本综述表明，精细调控纳米颗粒并结合热压加工是一种有效的策略，可以优化基于Fe的SMCs的结构和电磁性能。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。