新闻网讯（通讯员 张诚） 10月5日，《Communications Materials》期刊在线刊发了材料学院柳林教授和张诚教授团队的最新研究成果“Low-coercivity and high-resistivity medium-entropy alloy via binder jetting-enabled in-situ carbon doping”。材料学院黄如意硕士和张鹏程博士后为论文共同第一作者，材料学院张诚教授和柳林教授为论文共同通讯作者，材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为第一完成单位。
软磁材料是电力电子、新能源汽车、5G/6G通信等领域的核心功能材料。在电机、变压器等应用中，降低磁损耗是提升设备能效与功率密度的关键。磁损耗主要由磁滞损耗与涡流损耗两部分构成，其中磁滞损耗主要由矫顽力决定，涡流损耗则由电阻率主导。传统软磁材料普遍存在性能制衡难题，难以同时实现低矫顽力与高电阻率的协同匹配，极大限制了设备磁损耗性能的进一步优化。中熵/高熵多组元合金具备广阔的成分设计空间，可通过元素调控同时获得高电阻率与优异软磁特性，是新一代高性能软磁材料的理想候选体系。但是多组元合金熔点高、熔体流动性差，传统铸造工艺很难制备得到结构复杂的零部件。激光增材制造虽可实现复杂构件一体化成形，但激光快速熔化‑凝固过程带来的极大温度梯度，会引入大量残余应力，诱发微观组织不均匀缺陷，形成大量磁畴壁钉扎位点，大幅恶化材料矫顽力性能，限制了激光增材制造软磁构件的实际应用。
针对上述性能难题，柳林教授团队提出粘结剂喷射3D打印结合高温烧结的原位碳掺杂制备新策略。粘结剂喷射3D打印技术属于室温“冷打印”工艺，可在常温下依靠有机粘结剂粘接金属粉末，后续通过固相高温烧结实现结构致密化，避免了激光增材制造过程中形成的熔池和热影响区等结构不均匀的问题，降低了构件内部残余应力，最终获得晶粒粗大的等轴FCC组织，消除了磁畴壁钉扎缺陷，保障了材料的低矫顽力特性。与此同时，打印过程添加的有机粘结剂在高温烧结阶段会发生分解并释放碳原子，碳原子以间隙固溶方式渗入中熵合金基体，在不生成碳化物第二相的前提下，诱发晶格畸变并强化电子散射效应，显著提升合金电阻率，成功打破了传统软磁材料矫顽力与电阻率相互制约的性能矛盾。
本研究设计了原子百分比成分为Fe43.2Co28.8Ni24Cr4的中熵合金，该成分可在宽温度区间稳定维持单相FCC结构，具备优异的碳固溶能力与组织稳定性。经过粘结剂喷射打印、真空脱脂、1475 ℃高温烧结5小时的一系列工艺流程后，最终所得构件接近全致密状态，孔隙率仅为0.03%，形成平均晶粒尺寸约430 μm的粗大等轴FCC单相组织。研究借助iDPC-STEM、APT等高精度表征技术，直接观测到FCC晶格间隙位置均匀分布的碳原子，证实碳原子以间隙原子形式固溶于合金基体内，无碳化物析出现象，碳元素整体分布均匀。该粘结剂喷射-高温烧结制备的碳掺杂中熵合金展现出优异的综合软磁性能：矫顽力低至30 A/m，电阻率高达146 μΩ cm，最大磁导率可达15000，饱和磁感应强度达1.4 T。材料在50-600 Hz宽频率区间内磁损耗性能大幅优化，在1 T@50 Hz标准工况下，铁芯损耗仅1.62 W/kg，性能优于主流增材制造硅钢、Fe-Co-V合金等传统软磁材料；在1000 Hz高频工况下，铁损仅为粘结剂喷射Fe-6Si钢的1/3，高频损耗优势显著。洛伦兹透射电镜原位磁畴观测结果表明，该中熵合金具有宽磁畴结构，磁畴壁迁移阻力小、迁移速率高，从微观机理层面揭示了材料低矫顽力的本质成因。DFT理论计算进一步证实，间隙碳原子与钴原子发生电子轨道杂化，引发电荷局域化效应、缩短电子平均自由程，是材料电阻率大幅提升的核心电子机制。200 ℃、100小时的加速老化测试结果显示，材料磁性能无明显衰减，证明该原位掺碳中熵合金具备优异的高温热服役稳定性。依托粘结剂喷射3D打印工艺高自由度的成形优势，团队成功制备出接近工程应用尺寸的大尺寸电机定子复杂软磁构件，为大尺度、复杂构型高性能软磁部件的增材制造提供了高效可行的技术方案。
图1 粘结剂喷射3D打印制备软磁中熵合金样件及性能对比
图2 粘结剂喷射3D打印制备软磁中熵合金的综合软磁性能
该研究得到国家自然科学基金重大项目（52192604）、国家自然科学青年基金（52301206）、湖北省创新研究群体项目（2026AFA025）以及材料成形与模具技术国家重点实验室开放课题（P2025‑049）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s43246-026-01389-2。
