随着人工智能、电力电子和新能源产业的快速发展，全球电力需求持续增长，电力系统的能源效率和碳排放问题日益突出。软磁材料广泛应用于变压器、电机、电感等电力传输和转换设备中，其铁损最终以热的形式耗散，不仅降低电能利用效率，还会增加设备温升和散热需求。国际能源署数据显示，2024年全球仅电力输配网络损耗就造成了约10亿吨二氧化碳排放和2.7×10¹² kWh的电力损失。因此降低软磁材料的铁损，对于提升电能使用效率和碳排放具有重要意义。激光刻痕技术因能够有效改变磁畴的宽度，已被广泛用于降低非晶软磁材料的铁损。然而，对于结构无序的非晶软磁材料而言，激光辐照如何产生应力、如何进一步影响磁各向异性、磁畴宽度和铁损，长期以来缺乏定量研究。因此，建立一种适用于非晶软磁材料的应力测量方法，并进一步明确“应力大小—磁各向异性—磁畴宽度—铁损”之间的标度关系，对于开发低损耗非晶软磁材料和器件，具有重要科学意义和工程应用价值。
基于青岛云路先进材料技术股份有限公司在材料研发中遇到的技术问题，清华大学物理系江万军课题组联合国内相关课题组，开展了针对性研究，并在铁基非晶软磁材料的磁畴调控和低损耗研究方面取得进展。研究团队提出了一种基于应力诱导磁各向异性的磁畴调控方法，并将激光辐照、单轴拉伸实验、磁光克尔效应（MOKE）磁畴成像与多物理场模拟相结合，建立了“应力大小—磁各向异性—磁畴宽度—损耗”之间的标度关系，并在广泛应用的非晶软磁材料FeSiBC中，实现了超低损耗。相关成果以“Programmed Domain Architectures Enable Ultra-Low Magnetic Loss in Amorphous Soft Magnets”为题发表在材料科学类知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。
非晶合金缺乏长程有序的晶格结构，因此难以通过X射线衍射等方法直接定量分析其内部残余应力。这一问题长期限制了人们对于“激光辐照如何改变非晶软磁材料中磁畴”的定量理解。针对这一难题，在铁基非晶软磁体系FeSiBC中，研究团队首次将可控单轴拉伸实验与原位MOKE磁畴成像相结合，通过磁畴宽度随外加拉伸应力的变化，建立了应力大小的“磁畴标尺”。随着外加拉伸应力由50 MPa逐渐增加至250 MPa，磁畴宽度连续变窄，呈现出可重复的应力依赖关系（图1）。
图1. (a) 定制的拉伸平台与原位MOKE成像显微镜集成系统，可用于研究外加拉伸应力下的磁畴宽度演化行为。(b)-(c) 分别为50 MPa和250 MPa拉伸应力下的MOKE图像，磁畴宽度随应力增加而减小。(d) 磁畴宽度随单轴拉伸应力的演化（橙色），并与其对激光刻痕间距的依赖关系（蓝色）进行比较，揭示统一的标度关系。(e)-(f) 激光刻痕间距分别为1 mm、2 mm和3 mm的带材MOKE磁畴图像，显示随着刻痕间距增大，磁畴宽度逐渐增大。(h) 应力诱导磁各向异性能量密度（Kσ）与磁畴宽度(L)之间的定量关系。
通过将外加拉伸应力作用下得到的“应力大小—磁畴宽度”关系，与不同激光刻痕间距下得到的“刻痕间距—磁畴宽度”关系进行对比，团队发现在1—6 mm的激光刻痕间距范围内，等效拉伸应力与刻痕间距呈近似线性关系。并由此得到1 mm刻痕间距对应约290 MPa的等效拉伸应力，而6 mm间距下则降低至约96.5 MPa。采用磁畴宽度为标尺，该方法由此能测量出非晶软磁材料中的内部应力。
通过进一步优化激光参数，研究团队采用25 W激光功率辐照，在1 mm激光刻痕间距下，获得了约345 J/m³的拉伸应力诱导磁各向异性能，并将毫米尺度的磁畴压缩至约82 微米宽磁畴。由此，按照“应力大小—磁各向异性—磁畴宽度—损耗”这一标度关系，激光辐照可以对磁畴结构进行设计，为非晶软磁材料的磁畴调控提供了可量化的理论指导。
磁畴结构的精准调控，最终真实器件中表现出极低的损耗性能。在50 Hz、1.3 T这一标准应用测试条件下，未经优化激光刻痕的非晶带材铁损约为110 mW/kg；经过激光刻痕优化后的样品，铁损降低至仅约30.5 mW/kg，降幅达到72.3%。相较商业上广泛应用的激光刻痕产品（日立金属MaDC-A），本工作开发出的材料与器件，铁损进一步降低约49%（图2）。
图2. 与不同软磁材料在50 Hz、磁通密度 Bm=1-1.5 T 条件下的性能对比，展示出了本工作实现的超低铁损。
本工作不仅获得了极低的铁损，更是在非晶软磁材料中，建立了一种应力定量表征方法。将激光刻痕从经验性的工艺手段，推广为具有明确物理依据的磁畴调控策略，为低损耗非晶软磁材料设计开发提供了新的思路，也为开发超低能效的变压器、电机及电力电子系统提供新的可能性。
来自中国科学技术大学的访问博士研究生宋华章、清华大学物理系博士研究生武小青、北京理工大学博士研究生董守哲和来自中国科学技术大学的访问博士研究生邓强为共同第一作者。清华大学物理系江万军教授、北京理工大学黄厚兵教授、中国科学技术大学李鹏教授和青岛云路先进材料技术股份有限公司李晓雨为共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金杰出青年科学基金、国家自然科学基金基础科学中心项目以及清华大学—青岛云路横向课题等项目资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74962
