第一作者： 赵梦艺

通讯作者： 李红霞，张雪峰

通讯单位： 杭州电子科技大学

软磁复合材料的“防水防锈”难题

非晶软磁复合材料（ASMC）因其高饱和磁化强度、低矫顽力和高电阻率，在新能源汽车、家用电器等高频电子器件中扮演重要角色。然而，这类材料在实际应用中面临一个严峻挑战：腐蚀。当ASMC暴露在潮湿空气或含盐环境中时，铁基颗粒会发生电化学腐蚀，生成Fe₂O₃、FeO(OH)等锈蚀产物。这些产物不仅破坏材料结构，还会导致磁导率下降、损耗增加，最终使器件失效。

传统的防护方法——如有机涂层、磷酸盐或硝酸盐钝化层——往往存在附着力差、易开裂、热处理后失效等问题。而金属氧化物绝缘层（如ZnO、MgO、Al₂O₃）虽热稳定性好，但颗粒分布不均或易团聚，难以形成连续致密的保护层。因此，如何制备一种均匀、致密、与基体结合牢固且不影响磁性能的绝缘层，成为该领域的研究热点。

双硅源策略：给磁粉穿“二氧化硅铠甲”

研究人员提出了一种双硅源表面改性策略，以FeSiBCr非晶粉末为基体，通过两步反应构建SiO₂绝缘层：第一步，表面功能化：使用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为表面改性剂。APTES分子中含有极性的–NH₂基团，能牢固吸附在FeSiBCr颗粒表面；其另一端的–Si–OC₂H₅基团则可水解生成Si–OH，为后续反应提供“挂钩”。第二步，SiO₂层生长：加入正硅酸四乙酯（TEOS）作为水解前驱体。在氨水催化下，TEOS水解生成硅酸（Si(OH)₄），并与APTES末端的Si–OH发生缩聚反应，逐渐在FeSiBCr表面形成一层均匀、致密、无定形的SiO₂绝缘层。通过调控TEOS的加入量，可以精确控制SiO₂层的厚度（从13 nm到27 nm），并实现SiO₂层的均匀完整包覆。这种双硅源策略的关键在于：APTES充当了“桥梁”，使原本与FeSiBCr亲和性差的TEOS能够均匀附着并反应，从而获得高质量的绝缘层。

微观“铠甲”如何工作？——阻电流、挡腐蚀

1） 提升电阻率，降低涡流损耗

在交变磁场下，软磁材料内部会产生涡流。涡流越大，能量损耗（涡流损耗）越高，器件发热越严重。SiO₂层是高电阻绝缘体，显著提高了复合材料的整体电阻率，并能有效隔离FeSiBCr颗粒之间涡流损耗。实验数据表明：未包覆SiO₂时，ASMC的电阻率较低；当SiO₂含量为0.45 wt.%时，电阻率达到峰值，相应的涡流损耗降至最低——在0.05 T/100 kHz条件下为183.58 mW/cm³，在0.05 T/1 MHz条件下为2367.9 mW/cm³。

2） 提高疏水性，阻挡腐蚀介质

水接触角测试显示：原始FeSiBCr粉末的水接触角为64.6°（亲水），而包覆SiO₂后增至106.9°（疏水）。这意味着SiO₂层能有效减少电解液在颗粒表面的附着和渗透，从而抑制电化学腐蚀的发生。

3） 增加界面电位，延缓电子释放

通过扫描开尔文探针力显微镜测量表面电势发现：未包覆的FeSiBCr界面电势仅为-31.16 mV（较负，易失电子），而包覆SiO₂后升至+38.81 mV。较高的界面电位意味着电子逸出需要更大能量，从而抑制阳极氧化反应（Fe → Fe²⁺ + 2e⁻），减缓腐蚀速率。

性能大飞跃：磁性与防腐兼得

最佳配方：FeSiBCr/SiO₂-0.45 wt.% ASMC（即TEOS加入量为0.45 wt.%）。磁性能参数：饱和磁化强度达到157.9 emu/g。有效磁导率稳定在22.6，且在452 MHz频率范围内保持稳定。直流偏置能力高达87.7%，表明材料抗饱和能力强。截止频率达到1.4 GHz，适用于高频应用。功率损耗在0.05 T/100 kHz条件下为183.58 mW/cm³，在0.05 T/1 MHz条件下为2367.9 mW/cm³。

与未包覆样品相比，SiO₂包覆显著降低了涡流损耗（因为电阻率提高），同时保持了较高的磁导率和截止频率。在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡24小时后，未包覆样品表面完全被红褐色锈蚀物覆盖（主要成分为Fe₂O₃和FeO(OH)），而包覆样品表面仅出现少量黄色斑点，扫描电镜下未见明显腐蚀产物。电化学测试表明：包覆样品的腐蚀电位更正（-0.80 V对比未包覆的-0.82 V），腐蚀电流更小，电荷转移电阻是未包覆样品的2至3倍，表明腐蚀速率显著降低。浸泡24小时后，包覆样品的有效磁导率下降幅度小于10%，功率损耗增加小于5%；而未包覆样品性能急剧恶化，磁导率下降超过30%，功率损耗增加超过50%。

未来应用前景

这种双硅源构建的SiO₂绝缘层策略，具有以下优势：工艺简单：在常温液相中即可完成，适合规模化生产。厚度可调：通过改变TEOS用量精准控制绝缘层厚度，平衡磁性能和绝缘性。普适性强：可推广到其他铁基软磁复合材料或金属粉末的表面防护。未来，该材料有望应用于新能源汽车电机、5G基站电感器、高频变压器等需要高磁性能和高耐候性的场景，尤其适合在潮湿、盐雾等恶劣环境中长期服役。