软磁复合材料(Soft Magnetic Composite,SMC)具有接近金属合金软磁材料的饱和磁感应强度,但其电阻率远高于后者,高频涡流损耗较小,又易于机械制造、成本适中,因而逐渐被应用于交流电感器等高频磁性元件中。本论文面向适于电力电子发展的特种磁性元件的需求,以铁硅及铁硅铝软磁复合材料为研究对象,系统地研究了其制备工艺、微结构、磁谱、幅值磁导率、直流偏置特性及损耗机制,获得了多项创新性研究成果。论文也研究了应用于特种磁性元件的软磁复合材料性能及特种磁性元件性能,提出了一种由特种磁性元件的应用需求出发开展软磁复合材料研究的新思路。本论文主要包括以下几个方面:(1)系统研究了高电阻率低熔点玻璃材料绝缘包覆的铁硅软磁复合材料,将玻璃既用作绝缘材料,又用作粘结剂材料具有显著的创新性,没有复杂的绝缘包覆工序,制备工艺更加简单、环境友好。扫描电子显微镜结果显示退火热处理温度超过玻璃的熔点400℃时,不同铁硅合金粉末颗粒间的玻璃粉末颗粒软化成小薄片,依然分布在不同金属合金粉末颗粒之间,表明玻璃粉末在软磁复合材料中既充当了粘结剂又充当了绝缘材料。M～H测试显示材料饱和磁化强度达到205 Am2/kg,这是由于玻璃既作绝缘材料又作粘结剂减小了软磁复合材料中非磁性物质的体积百分比。围绕玻璃材料熔点400℃,退火热处理温度升高,样品磁导率逐渐增大,归因于退火热处理后模压成型过程中引入的残余应力逐渐消除、玻璃软化后粉芯中的分布式气隙明显减少。B～H分析仪测试结果显示软磁复合材料磁损耗不高于2100 kW/m3(100 mT、100 kHz)。损耗分离结果揭示片状玻璃有效地阻隔了不同金属合金磁性颗粒之间的涡流、把涡流限制在金属合金磁性颗粒内部,从而降低了涡流损耗。(2)系统研究了 M型永磁六角锶铁氧体绝缘包覆的铁硅软磁复合材料。与相关研究报道中使用MnZn、NiZn、NiCuZn铁氧体等软磁材料作磁性绝缘材料不同,本研究首次选用了永磁锶铁氧体材料作磁性绝缘材料。扫描电子显微镜显示锶铁氧体粉末在模压成型过程中被挤压成了细小的粉末、有效地阻隔了不同金属合金磁性颗粒之间的涡流,即永磁锶铁氧体材料作为绝缘材料是合适的,这对磁性绝缘包覆制备软磁复合材料具有重要的参考意义。M～H测试显示材料饱和磁化强度超过200Am2/kg,这是由于不同于其它非磁性绝缘材料,磁性锶铁氧体饱和磁化强度也有72.5 Am2/kg。B～H分析仪测试结果显示材料磁损耗不高于1800 kW/m3(100 mT、50 kHz)。进一步的损耗分离结果揭示锶铁氧体绝缘包覆量的增加更好地阻隔了不同金属合金磁性颗粒之间的涡流,使涡流损耗逐渐减小,但增大了磁滞损耗。(3)系统研究了磷酸钝化无机绝缘包覆的高磁导率低损耗铁硅铝软磁复合材料。扫描电子显微镜结果显示磷酸钝化后金属磁性合金颗粒表面形成了薄薄的磷酸盐绝缘层。磷酸包覆量为0.1 wt.%的铁硅铝软磁复合材料磁导率高达147.7,远高于相关研究报道结果。B～H分析仪测试结果显示材料磁损耗不高于550 kW/m3(100 mT、100 kHz),低于相关研究报道数据。进一步的损耗分离结果揭示磷酸包覆量的增加使磷酸盐绝缘层厚度增加、更好地阻隔了不同金属合金磁性颗粒之间的涡流。论文阐明了高磁导率低损耗软磁复合粉芯的研究对推动磁性元件缩小体积、减轻重量、降低成本的必要性及意义。(4)在高磁导率低损耗铁硅铝软磁复合材料基础上,研究了大共模电流应用的特种共模电感器以及电路中两个100 A直流电感器(高频纹波电流频率50 kHz)集成化的磁集成直流电感器。高磁导率低损耗铁硅铝软磁复合材料具有超过100的磁导率及低于200 kW/m3(100 mT、50 kHz)的磁损耗。研究率先将软磁复合材料用于全新的应用场景,特种共模电感器10 kHz～30 MHz宽频率范围内都具有优异的阻抗特性,且在共模电流5A时亦可正常工作;样品还表现出较大的漏感,可作为差模电感使用,样品差模电感～频率特性及差模阻抗～频率特性优异、抗差模电流饱和特性良好。基于高磁导率低损耗铁硅铝软磁复合材料的磁集成直流电感器电感值实现额定直流电流100 A时9μH;磁集成直流电感器磁损耗低于0.5 W。磁集成直流电感器实现了两个直流电感器的集成,减少了直流电感器的数量,磁芯的共用缩小了直流电感器的总尺寸,降低了直流电感器的磁损耗。