直接观测畴壁弛豫动力学：为低损耗磁性材料设计开辟新路径

发布日期：2026-03-23 浏览次数：2826

在电力电子狂奔至MHz时代的今天，电感器和变压器铁心的能耗问题已成为制约能源效率提升的关键瓶颈。由数据显示，高频工况下，由运动磁畴壁（DW）所诱发的局域涡电流引起的“异常涡流损耗”可占总铁损的50%–70%，却长期缺乏合适的实验与解析手段，具体物理机制始终是一团迷雾。研究并降低软磁材料的铁损，对开发新一代高效功率电子系统成为“碳中和最后一英里”核心课题。由东京理科大学以及日本产业技术综合研究所（AIST）组成的研究团队，通过自主研发的技术手段，在这一领域取得了突破性进展。研究团队开发出一套宽带、高灵敏度的磁巴克豪森噪声（MBN）测量系统，首次实现对厚度25 μm的非晶/纳米晶Fe-Si-BP-Cu（NANOMET®）带材中单个磁畴壁弛豫行为的直接观测——以高保真度单次捕获孤立MBN脉冲，为金属带材中磁畴壁的弛豫过程提供了直接实验证据，此外，还通过分析衰变过程，实验性地证明了磁壁运动与能量损失之间的直接关系。

磁性隔壁噪声（MBN）是一种脉冲信号，当磁壁从钉扎点释放时产生的，是观察磁壁动力学的有用方法。磁壁速度的突然变化会诱发局部涡流，导致额外的能量耗散，显著影响铁的损失。传统研究理论上预测磁壁运动相关的局部能量耗散会导致损耗，但当时尚无方法准确检测金属材料中产生的单个MBN脉冲并统计评估其弛豫行为。此外，尽管MBN测量技术的最新进展提高了时间分辨率和信噪比（信噪比），但要同时实现宽带特性和高灵敏度以分离软磁材料中单个MBN脉冲仍困难，异常涡流损失的物理机制与磁壁动力学的直接因果关系仍不明确。

研究团队认为，通过开发新的测量技术弥合这些技术差距，将是软磁材料能量损失控制的重要关键。基于这一理念而开发的宽带高灵敏度MBN测量系统，应用于Fe-Si-B-P-Cu非晶/纳米晶合金带（NANOMET），可以证明磁壁松弛现象。

研究结果表明，在NANOMET®的非晶态下，观察到20 ~ 60 mV的大型离散MBN脉冲。每个脉冲都表现出陡峭的上升和缓和的下降，这可能反映了磁壁的快速加速和过阻尼。对陡峭上升的清晰观察证实了下降并非由测量系统特性引起，而是磁壁动力学的一个关键特征。这种独特的MBN脉冲特性可能反映了结构缺陷引起的强磁壁钉固定效应。另一方面，纳米晶NANOMET®中MBN脉冲幅度在热处理后显著降低至数毫伏或更低，低于20毫伏的分析阈值，使得详细的统计分析变得困难。这种幅度的显著降低很可能是因为热处理产生的纳米晶体形成减少了钉扎位点，从而抑制了磁壁的钉扎效应，并使磁壁运动变得平滑。这些结果表明，材料的微小结构变化会显著影响MBN的行为，进而影响能量损失。

为了详细分析磁壁的动态行为，研究人员对信号强度大于20 mV的MBN脉冲进行了统计分析。共从100次磁化周期中提取了888个独立脉冲进行定量评估。分析结果表明，如果MBN峰值高度较低，松弛常数τ在分析范围内分布较广;而当峰值高度增加时，τ表现出趋同的倾向。对所有单个脉冲的统计分析显示，弛豫时常数的平均值约为3.8微秒，标准差约为1.8微秒。结果表明，在小尺度和局部磁壁松弛现象中，由于局部钉扎强度、磁壁几何形状和微观结构异质性导致的内部应力场差异，会产生多样的松弛响应。另一方面，在大规模磁壁松弛现象中，单一松弛机制占主导，局部微观结构差异的影响相对减弱，τ分布更窄。

负责本项研究的山崎教授表示：“本研究建立的高精度MBN测量技术和磁壁弛豫行为分析方法，可广泛应用于下一代低损耗软磁材料的设计指导。特别是在电力转换设备、高频变压器和电动机的磁芯材料中，通过减少过多的铁损，能效大幅提升。未来，预计该方法应用于多种材料系统将加速针对各应用的最优材料选择及新合金的开发。这一技术进步将使小型、轻便且高效的电气设备成为可能，减少电动汽车和可再生能源系统的功率损失，有助于延长续航里程和稳定电力供应。

这项研究成果于2025年8月7日在国际学术期刊IEEE Access上在线发表。并获得了日本文部科学省、科学技术振兴机构（JST）及学术振兴会（JSPS）等多项基金的支持，标志着在解决能源问题、迈向碳中和社会的道路上迈出了重要一步。

特别提示：本信息由相关企业自行提供，真实性未证实，仅供参考。请谨慎采用，风险自负。

[ 市场动态搜索 ] [ ] [ 告诉好友 ] [ 打印本文 ] [ 关闭窗口 ]

相关市场动态

推荐市场动态