具有高飽和磁通密度和低高頻磁芯損耗的鐵基非晶粉末已被商業(yè)應(yīng)用于配電變壓器和消費(fèi)電子等高效軟磁元件中，在電網(wǎng)、新能源汽車、5G通信和下一代電力電子產(chǎn)品中具有廣泛應(yīng)用前景。通常，涂有絕緣層的非晶態(tài)粉末通過模具壓力成形結(jié)合成為新型軟磁復(fù)合材料，鐵基非晶態(tài)粉末具有更高的電阻率，有利于制造小型化、輕量化和低損耗電子元件。通常情況下，較小粒徑的鐵基非晶粉末制備的樣品由于渦流路徑較短，在高頻范圍內(nèi)渦流損耗顯著降低。粒徑小于10 μm的粉末制備的樣品的高頻鐵芯損耗比粒徑為20 ~ 38 μm的粉末制備的樣品的高頻鐵芯損耗降低了80%，恒定磁導(dǎo)率的頻率范圍從10 MHz進(jìn)一步擴(kuò)大到100 MHz以上。與不規(guī)則粉末相比，球形粉末組成的樣品具有更低的高頻鐵芯損耗和更寬的頻率范圍，在恒定磁導(dǎo)率下從2 MHz增加到20 MHz。因此，鐵基非晶粉末的細(xì)粒度和高球形度的形貌對制備高性能材料具有重要意義。不同的制備方法對鐵基非晶粉末的幾何特性有很大的影響。常用方法得到的破碎顆粒一般棱角不規(guī)則，邊緣鋒利。形狀不規(guī)則的粉末難以壓實(shí)形成具有良好電絕緣界面的高密度試樣，導(dǎo)致高頻軟磁性能變差。水霧化商品粉末通常形狀不規(guī)則，粒徑分布相對較寬，從10μm到300μm，中位粒徑約為100μm。氣霧化粉末通常為球形，粒徑范圍為50μm ~ 400μm，中位粒徑約為200μm、。液滴冷卻速率低于水霧化，不利于鐵基非晶粉末的玻璃化，玻璃形成能力有限。因此，迫切需要尋找一種合適的高球形度、粒徑分布可控的小尺寸鐵基非晶態(tài)粉末的生產(chǎn)方法，以形成高質(zhì)量材料�；鸹ǜ�蝕是一種簡便的方法，利用脈沖電源和放電電極浸泡在介質(zhì)液體中的簡單火花放電裝置，可以制備出5 nm ~ 75 μm范圍內(nèi)的高球形小粒度金屬粉末。在火花侵蝕過程中，單脈沖放電主要是通過在介質(zhì)液體中產(chǎn)生的高溫等離子體使大塊電極部分熔化，形成局部熔池。在單脈沖放電結(jié)束時，熔池被破壞，形成飛濺的液滴進(jìn)入介質(zhì)液體，然后凝結(jié)成顆粒。該技術(shù)已被應(yīng)用于制造各種粉末，包括金屬和合金，半導(dǎo)體，可以滿足不同化學(xué)成分的少量粉末的迫切需求。目前報道的結(jié)果主要集中在粉末形成過程的有限元建模和計算機(jī)模擬、分子動力學(xué)模型、流場模型等，對于如何通過火花侵蝕獲得化學(xué)成分和粒徑貢獻(xiàn)符合要求的非晶態(tài)粉末，還不能提供理論預(yù)測和解釋。

基于此，北京航空航天大學(xué)李然副教授團(tuán)隊(duì)基于實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值擬合驗(yàn)證，對如何控制火花侵蝕產(chǎn)生的非晶粉末的粒度分布和化學(xué)成分等問題給出了合理的解釋。他們研究了不同放電參數(shù)對制備的鐵基非晶粉末粒度分布的影響，通過揭示放電參數(shù)、彈坑幾何尺寸和顆粒尺寸分布之間的關(guān)系，建立了火花侵蝕非晶態(tài)粉末形成機(jī)理的定量模型。此外，為了更好地理解火花放電過程中污染物的滲透行為，通過與粉末尺寸相關(guān)的數(shù)值模型揭示了介質(zhì)液體分解引起的污染物C和H在粉末中的滲透行為。相關(guān)研究成果以“Formation mechanism of Fe-based amorphous powders produced by spark erosion”為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

總之，作者在不同脈沖電流條件下，采用火花侵蝕法制備了一種鐵基非晶粉末。通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示了脈沖放電參數(shù)與電極表面凹坑形貌、顆粒尺寸分布和非晶粉末化學(xué)成分之間的關(guān)系。提出了一種多環(huán)破裂模型來解釋單脈沖放電過程中不同粒徑非晶態(tài)粉末在介質(zhì)液體電極表面的形成機(jī)理。提出了介電元素入滲模型，評估了C、H分解產(chǎn)物在不同粒徑粉末中的雜質(zhì)滲入情況。這兩種驗(yàn)證模型可用于指導(dǎo)利用火花侵蝕技術(shù)高效開發(fā)粒度分布可控、化學(xué)成分可預(yù)測的高性能非晶粉末材料。