中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
隨著高頻大功率器件快速發(fā)展，系統(tǒng)能耗問題成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。若將電子控制系統(tǒng)比作人體，芯片如同大腦承擔(dān)核心控制功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、信號控制和邏輯運算等任務(wù)；而電感、變壓器等磁性元器件則相當(dāng)于執(zhí)行各類生命活動的器官，負(fù)責(zé)完成能量存儲、轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)汝P(guān)鍵過程。尤其是，軟磁材料的能效表現(xiàn)決定整個系統(tǒng)的能源利用率，其性能優(yōu)劣影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和壽命。隨著工作頻率提升至MHz甚至GHz級別，傳統(tǒng)軟磁材料的性能短板日益凸顯。這一問題在高功率密度應(yīng)用場景中尤為突出，已成為制約電子系統(tǒng)向更高效率、更小體積、更輕量化發(fā)展的障礙。
鐵基非晶/納米晶合金因優(yōu)異的軟磁性能成為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的候選材料。與傳統(tǒng)的硅鋼相比，鐵基非晶合金的磁芯損耗和矯頑力下降，通常低于10A/m，使設(shè)備能夠在10kHz頻率下高效運行，且不犧牲能效或產(chǎn)生過多熱量。但是，鐵基非晶/納米晶合金的飽和磁感通常在1.2T至1.7T之間，低于硅鋼1.8T至2.0T，限制了它們在高功率密度設(shè)備中的應(yīng)用。因此，設(shè)計具有高飽和磁感和低矯頑力的新型非晶/納米晶合金，利于提升設(shè)備性能和能效。幾十年來，非晶合金的成分與性能關(guān)系之間缺乏理論基礎(chǔ)，鐵基非晶合金開發(fā)依賴于試錯法，阻礙了高飽和磁感非晶合金的發(fā)展。
近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用迅速興起。機(jī)器學(xué)習(xí)在數(shù)據(jù)挖掘方面顯現(xiàn)出潛力，為加速新型材料的發(fā)現(xiàn)提供了更高效的途徑，特別是在非晶合金這種復(fù)雜無序材料領(lǐng)域。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員王軍強(qiáng)與霍軍濤團(tuán)隊，構(gòu)建了極端梯度提升樹、隨機(jī)森林和支持向量機(jī)三種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，來預(yù)測鐵基非晶合金的飽和磁感。經(jīng)過特征工程和超參數(shù)優(yōu)化訓(xùn)練，模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測飽和磁感。其中，極端梯度提升樹模型表現(xiàn)最佳，測試集的決定系數(shù)大于0.85，均方根誤差不超過0.12T，表明模型具有較高的預(yù)測精度。
通過特征重要性，該研究確定了鐵含量、混合焓和電負(fù)性差異是影響飽和磁感的3個關(guān)鍵因素。進(jìn)一步，沙普利加性解釋分析方法分析并量化了這些參數(shù)的影響：鐵含量需超過75 at.%，混合焓應(yīng)介于-18.7至-14 kJ/mol之間，而電負(fù)性差異應(yīng)小于0.07。這些參數(shù)的優(yōu)化有助于提高飽和磁感并可保持良好的非晶形成能力。第一性原理計算驗證，在鐵含量相同的情況下，電負(fù)性差異較小的鐵基非晶合金具有更高的飽和磁感。這是由于電負(fù)性差異較小的合金具有較低的費米能級，利于增加合金中鐵原子的未配對電子的數(shù)量，進(jìn)而提高總磁矩。
基于上述設(shè)計準(zhǔn)則，并通過Co代替部分Fe以利用Fe-Co的交換耦合作用，該團(tuán)隊設(shè)計了Fe-Co-Ni-Si-B、Fe-Co-Ni-B-P-C、Fe-Co-N-B-P-C-V等鐵基非晶/納米晶合金。直流B-H儀和振動樣品磁強(qiáng)計實驗結(jié)果表明，這些合金經(jīng)磁場退火后飽和磁感均超過1.85T，且矯頑力可降至1.2 A/m。其中， (Fe82Co18)85.5Ni1.5B9P3C1和Fe69Co16Ni1Si3B11的飽和磁感可達(dá)1.92T，且綜合軟磁性能超越硅鋼。
相關(guān)研究成果以Designing Fe-Based Amorphous Alloys With both Ultra-High Magnetization and Ultra-Low Coercivity Through Artificial Intelligence為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、浙江省等的支持。
三種模型對飽和磁感的預(yù)測性能
通過機(jī)器學(xué)習(xí)的合金設(shè)計準(zhǔn)則研發(fā)高飽和磁感鐵基非晶合金
