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Fe-Co-Si-B磁性材料微丝：制备工艺、性能调控与多元应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代科技与工业发展的进程中，磁性材料始终占据着举足轻重的地位，是众多关键领域不可或缺的基础材料。从电子信息领域的数据存储与处理，到能源领域的发电、输电与电能转换，再到交通领域的电动汽车、磁悬浮列车，乃至医疗领域的磁共振成像（MRI）等，磁性材料的身影无处不在，其性能的优劣直接影响着相关技术的发展水平与应用效果。例如，在电子设备中，硬盘驱动器依靠磁性材料实现数据的高效存储和读取；在能源领域，风力发电中的磁性组件对于提高发电效率和稳定性起着关键作用。

Fe-Co-Si-B磁性材料微丝作为一种新型磁性材料，以其独特的优势在多个领域展现出巨大的潜在应用价值。相较于传统磁性材料，Fe-Co-Si-B磁性材料微丝具备优良的软磁性能，如低矫顽力、高磁导率等，这使得它在电子器件中能够实现更高效的能量转换与信号处理。在一些对磁性要求较高的传感器中，应用Fe-Co-Si-B磁性材料微丝可以显著提高传感器的灵敏度和准确性。其原材料成本低于镍基和钴基合金，在大规模应用时能够有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。

该材料微丝还具有一些特殊的物理效应，如大巴克豪森效应、巨磁阻抗效应等。大巴克豪森效应使其在无损检测领域具有潜在的应用价值，能够用于检测材料内部的缺陷和应力分布；巨磁阻抗效应则为开发高灵敏度的磁传感器提供了可能，在微弱磁场检测方面具有广阔的应用前景，可用于生物医学检测、地质勘探等领域。

在生物医学研究和临床诊断中，蛋白质定量是揭示疾病机制和指导治疗的关键技术。传统方法如ELISA（酶联免疫吸附试验）虽然灵敏，但操作繁琐、耗时长，且依赖特殊仪器。近期，一项发表于2025年1月7日《Materials》的研究提出了一种创新方案，将磁性微丝与微流控芯片结合，通过微液流流式细胞术实现蛋白质的高效检测，灵敏度约0.5ng/mL。其核心技术在于设计了一根直径仅55微米的磁性微丝（核心为FeCuNbSiB合金，外层包裹玻璃），将其置于微流控通道的对称轴上。通过外部磁场（106kA/m），微丝被磁化后形成均匀的磁场梯度，吸引功能化磁珠（直径3微米）在其表面形成单层覆盖，这些磁珠表面修饰了抗ICAM-1抗体，成为捕获目标蛋白的“陷阱”。这条微丝磁场梯度达7×10^6kA/m2，磁珠捕获效率达85%，即使流速为100μL/min时仍能稳定吸附。这一应用实例充分展示了Fe-Co-Si-B磁性材料微丝在生物医学领域的应用潜力，为疾病诊断和治疗提供了新的技术手段。

综上所述，开展Fe-Co-Si-B磁性材料微丝的制备及应用基础研究，不仅有助于深入理解该材料的结构与性能关系，推动磁性材料科学的发展，而且对于拓展其在电子、能源、生物医学等领域的应用，提高相关领域的技术水平和产品性能，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

Fe-Co-Si-B磁性材料微丝由于其独特的软磁性能和特殊物理效应，在过去几十年间受到了国内外学者的广泛关注，研究涵盖了制备工艺、性能优化以及应用拓展等多个方面。

在制备工艺方面，国外起步较早，取得了一系列重要成果。美国、日本和德国等国家的科研团队在玻璃包覆熔融纺丝法制备Fe-Co-Si-B磁性材料微丝上处于领先地位。美国的研究人员通过精确控制感应加热参数和拉丝速度，实现了微丝尺寸的精准控制，制备出直径均匀、质量稳定的微丝产品。日本学者则致力于优化玻璃包覆层的质量，通过改进玻璃配方和包覆工艺，提高了微丝的抗氧化性能和力学稳定性。德国的研究侧重于开发新型的制备设备和工艺，采用多步加热和多级冷却技术，有效改善了微丝的内部结构和性能均匀性。

国内在该领域的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速，取得了显著进展。北京科技大学的科研团队通过理论计算结合实验研究，系统分析了玻璃包覆熔融纺丝整体感应加热器结构参数、加热电流等对合金微熔池稳定性的影响规律，优化了用以连续稳定制备铁基合金微丝的整体感应加热器的结构及尺寸。在实验条件下，明确了水冷和空冷方式制备非晶态微丝的拉丝速度条件，以及拉丝速度、冷却距离与微丝尺寸、结构和性能之间的关系。上海大学的学者则通过改进制备工艺，成功制备出具有特殊结构的Fe-Co-Si-B磁性材料微丝，如具有核壳结构或梯度结构的微丝，进一步提升了材料的性能。

在性能研究方面，国内外学者对Fe-Co-Si-B磁性材料微丝的软磁性能、磁各向异性、巨磁阻抗效应等进行了深入研究。国外研究人员通过调整合金成分和热处