纳米晶软磁材料

纳米晶软磁材料
这是一类新型的软磁材料。

通过熔体快淬法（轧辊法）制得的非晶态条带，如被加热到它们的晶化温度以上保持一段时间（这种热处理称为退火），非晶态条带就会开始晶化，内部组织从非晶态向晶态转变。

如果控制这种退火处理的温度和时间得当，就能控制条带内部的微观结构，使得已经晶化的晶粒尺寸控制在10～15nm的范围内，而且，这些晶粒在形态上是弥散地分布在残余的非晶相之中，这样就可以得到纳米晶材料。

例如，成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶态合金在550℃退火1小时后在最佳磁性能的状态下，内部包含三个相，一是体心立方结构的FeSi相，其成分为20%Si和80%Fe（原子百分比）；第二相是尚未晶化的残余非晶相，包含大约10%～15%的Nb和B，约占总体积的20%～30%；第三相是大大富集的Cu团簇。

少量铜和铌的加入是使这类纳米微晶成为优异软磁材料的关键。

它们都不溶解于体心立方结构的FeSi相。

但是，Cu原子团簇在退火早期的形成，使其成为FeSi晶粒的成核中心，促进了FeSi晶粒的成核。

Nb进入残余非晶相可以阻止FeSi晶粒的长大，同时可以在晶化过程中，抑制Fe2B 相的形成。

如果退火温度高于600℃Fe2B相就会首先形成，从而导致性能的全面恶化。

对于纳米晶合金，存在一交换耦合长度为L0=[A/K1]1/2。

这里，A是交换常数，K1是合金铁磁相的磁晶各向异性常数。

对于Fe-Cu-Nb-Si-B合金，L0=35nm。

当晶粒尺寸小于L0时，相邻晶粒中的磁矩将通过交换作用而趋于平行排列。

因此，局部各向异性应对交换耦合长度范围内所包含的晶粒数求平均，于是，材料的有效各向异性常数为
〈K〉=K1(D/L0)6=K14D6/A3。

式中，D是纳米晶粒的尺寸。

对于20%Si-80%Fe的合金，K1=8×103J/m3，由上式算出，对于纳米微晶，平均各向异性常数〈K〉将比K1小大约三个数量级，只有0.5J/m3左右，因此可降低材料的矫顽力。

由于Fe-Si晶粒相和残余非晶相的磁致伸缩系数符号相反（前者为负，后者为正），所以包含这两相的合金的λs将减小，估计由此可使磁导率提高一个数量级。

这种合金的畴壁很厚，假定残余非晶相的磁晶各向异性可以忽略，由畴壁厚度公式δ=π(A/〈K〉)1/2算得为3μm，畴壁厚度远大于晶粒尺寸。

由此，沿畴壁厚度方向，包含了大约200～300个FeSi小晶粒。

这种情况和传统材料正好相反，正是这种结构，尽管晶粒尺寸小到只有10nm，但是两相界面不再可能对畴壁产生较大的钉扎作用。

此外，因为Fe-Si晶粒的尺寸为10nm，而晶粒与晶粒之间的间隔距离为1～2nm，即残余非晶相的体积分数不大，所以合金的饱和磁感应强度仍可高达1.5T，比著名的高磁导率的坡莫合金（Ni79Fe21）和钴基非晶态合金要高。

对于厚度为18μm的条带，在惰性气体保护下，于550℃退火1小时，FeSi 晶粒尺寸为13nm，相应的软磁性能为：μ1kHz=100000，B s=1.24T，H c=0.5A/m，损耗远低于坡莫合金，和钴基非晶差不多。

近年来，这类纳米晶合金除了用作软磁合金外，又有了新的用途。

因为它们具有巨磁阻抗效应，即当高频电流通过条带的同时，如沿条带再施加一直流磁场，条带交流阻抗的相对变化竟高达80%～400%，而且显示出很高的磁场灵敏度，因此，成为十分优异的高灵敏磁传感器的新材料。

除了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9外，属于纳米晶软磁材料还有Fe-M-C、Fe-M-N（M=Ta，Hf，Ti，Nb，Zr）和Fe-M-O（M=Zr，Hf）薄膜等。

这些材料是通过溅射法制得非晶态薄膜，然后，
将其在一定温度下晶化得到两相组织。

一相是晶粒尺寸为10nm左右的体心立方的富Fe相（bcc Fe），另一相是尺寸为1～3nm的碳化物（如TaC）、氮化物（如ZrN）或氧化物相，它们分布在邻近晶粒的晶界交叉点处。

由于碳化物或氮化物的晶粒尺寸小于富Fe晶粒尺寸，富Fe晶粒之间的磁性耦合得以维持；又因为碳化物或氮化物的晶粒尺寸远小于畴壁厚度，它们不会对畴壁运动进行钉扎。

因此，这类薄膜材料具有良好的软磁性能。

典型值为μ1MHz=5000，B s=1.6～1.7T，λs=10-7。

Fe-M-O（M=Zr，Hf）薄膜在高达100MHz的频率下仍有高的磁导率，典型性能为μ100MHz=2000，B s=1.5T，λs=(1～3)×10-6。