新型纳米晶软磁合金及其应用(二)

综述·动态·评论

新型纳米晶软磁合金及其应用

张世远

南京大学物理系

3 Fe-Si-B-Cu-Nb纳米晶合金

这种纳米晶合金是最先发现的新型软磁材

料

因此

研究退火过程中微结构的变化十分重要

图 3 为晶化过程示意图

在退火的

开始阶段通过调幅分解或成

核机理成分接近于30at% Cu

的Cu团簇Fe的浓度也会出现涨落

体心立方晶态相的晶核密度明显增大

而Nb和B则因为不溶

于α-FeSi 相中而在残余非晶相中富集

当晶化继续时

最后富Cu颗粒顺磁相的直径达到5 nm 左右

然而

它的析出不会对软

磁性能造成有害影响

图4是最佳热处

理后合金中所观察到的微结构

α-FeSi相含

~20at% Si

残余非晶相

~5at% Si

富Cu相

Si Nb中每一种都小于5at%

差热分析和X射线衍射实验表明[20]

以上温

度退火Fe

2

B相一经析出

由于硼化铁具有大的磁

晶各向异性常数L

o

≈ 5

nm

即使Fe

2

B的体积分数只有百分之几

如图5所示除了可以有

效阻止α-FeSi相长大之外

的温度下才析出

图3 FINEMET合金的纳米晶化过程[20]

图4 FINEMET合金用透射电镜观察到

的典型微结构[21]

3.2 饱和磁化强度

Fe 73.5Si 13.5B 9Cu 1Nb 3纳米晶合金的饱和磁化强度J s 主要由α-FeSi 晶粒的成分及体积分数决定

这种合金在淬态下

为单一的非晶相

J s (T ) = J 0 (122

T C 是居里温度因此

合金在经过520

J s 1/β ~T 由两段斜率不同的直线组成

处

显然内部包含残余非晶相和纳米α-FeSi 相两个铁磁相

和T C2

=600因此在室温下

可将总磁化强度分成

两项之和

23

RT

RT

经过对图6的拟合

从T C 2值可根据Fe-Si

合金的已知数据推断出纳米晶粒中的Si 含量约为23%该相的J 2 (RT ) =1.3T

由非晶相的体积

分数V 1 = 1

将两相组织等效于一球形晶粒被一薄层的

非晶相所包围则可从近似公式V 1=3δ /D 推算出α-FeSi 晶粒间距δ ≈1.2nm

约为80%

顺便指出

非晶相的体积分数约为34%与磁极化强度分析结果稍有差别

残存非晶相的磁晶各向

异性可以忽略

πδ≈(A / )1/2

将A ≈10 ≈ 0.5 J/m 3代入

对于一无应变样品可以估计出畴壁厚度为2µm

畴壁预计还要窄得多比值 δ /D 似乎要更大或许可达200左右该图中实际上

在这种材料中

因此畴壁

钉扎很小

其典型值为

100 MPa 左右

为使磁性优化

然而

1

退火温度T a /

图5 退火温度对纳米晶磁性的影响[9]

图6 非晶态和纳米晶合金饱和磁极化 强度的温度依赖性

[8]

图7 纳米晶材料中180

使在良好的退火处理后材料中仍然会有百分之几的内应力保留下来将薄带卷绕成圆环的过程中也会产生附加应力产生的磁弹性各向异性仍会限制软磁性能的提高高磁致伸缩的Fe

基合金

10

即使在良好的应力释放处

理后

为了获得必须设法使磁致伸缩显著降低才行

在Fe 基纳米晶合金中

6

6

)

~25

6

合金的饱和磁致伸缩系数s λ由

下式给出

25

v cr 为 α-FeSi 相的体积分数要使s λ→0

上面已经指出

是合乎这一要求的

有利于实现纳米晶合金磁性

的应力不敏感性

正因

为这样

也可以使其饱和磁致伸缩系数平均为零

3.5 感生各向异性 对软磁材料来说

为了满足这些不同的使用要求

为实现这一点

有目的地

在软磁材料内部另外感生出一种单轴各向异性

则分别

沿其易磁化方向或垂直于易磁化方向磁化3.5.1 磁场感生各向异性

磁滞回线的形状可以按照各种应用的需要加以改变纳米晶合金也可通过磁场退火来实现这一点原子方向

最后得到的矩形回线表明

还有

Yoshizawa 等[22]用单辊快淬法制备的Fe 73.5Si 13.5B 9Cu 1Nb 3薄带绕成外径19mm

放入氮气炉中分别施加纵向

场

对横向场退火合金测得感生各向异性常

数K u =15J/m 3

如图8所示

而经过横向场退火的合

金具有扁平型B~H 回线

无磁场退火合金在低于

150 kHz 的频率下有很高的磁导率

104

而纵向场退火合

金磁导率的频率依赖性要劣于其他类型的退火合金这一点超过了非晶态合金可使其应用温度提高到大约150°C

同时施加外加应力而在样品中

感生的磁各向异性称为滑移感生各向异性Fe 74Cu 1Nb 3Si 13B 9m

在沿其带轴方向

施加不同张应力退火保持不变

而后者在

100MPa 张应力作用下于500随着退火时间的延长

磁畴平行于带轴随后变成扁斜

形回线磁畴内磁化矢量垂直于带轴在这些纳米晶合金中比磁场热处理的相应值要大三个数量级左右

0.100.10.20.30.40.5

H /A·m