10.3纳米晶软磁材料

H
c
1 2M
s
d ( ) max dx

A K M s D
所以, Hc 与晶粒尺寸D的关系为: Hc ~ 1/D
10.3 纳米晶软磁材料
利用这些原则开发的软磁材料
材料及成份(wt%) 铁 (pure 99） 铁（pure 99.9) 97Fe-3Si 50Fe-50Ni Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo) Sendust (85Fe-10Si-5Al) 78 permalloy (78Ni-22Fe) Perminvar(磁退火处理）(43Ni-34Fe-23Co) Mumetal(77Ni-16Fe-5Cu-2Cr) m 6,000 350,000 100,000 200,000 1,000,000 120,000 100,000 400,000 100,000 Hc (A/m) 70 0.8 6 16 0.15 1.6 4 2.4 4
10.3 纳米晶软磁材料
纳米晶晶化动力学研究
晶化温度越高, 晶化速率越快 纳米相的体积百分比的增加,与M的上升成一定的比例
Q JMA o k (T ) k JMA exp RT
koJMA= rate constant coefficient QJMA= activation energy
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晶粒细化对Ek的影响
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纳米晶的Hc与晶粒尺寸D6, D3关系
Hc
K Ms a
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纳米晶软磁合金相关理论
随机各向异性模型 非晶铁磁体随机各向异性模型 纳米晶合金中的随机各向异性模型 Herzer模型 扩展随机各向异性模型
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还能进一步提高吗？
继续在合金成份上努力 非晶合金 如:Co70Fe5Si15B10 Co90Zr10, = 10,000; = 10,000;
Co66Fe4(Mo, Si, B)30 = 20,000; 纳米技术
10.3 纳米晶 纳米晶软磁材料
常见的几种纳米晶软磁材料
FINEMET (Fe-Si-B-Nb-Cu) 典型成分Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1, Bs = 1.0-1.2Tesla, Tc < 7700C NANOPERM(Fe-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf…) 典型成分Fe88Zr7B4Cu1, Bs = 1.5-1.8Tesla, Tc =7700C HITPERM ((Fe,Co)-M-B-Cu, M = Zr, Nb, Hf) 典型成分Fe44Co44Zr7B4Cu1, Bs = 1.6-2.1Tesla, Tc >9650C
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纳米晶软磁合金相关理论
由于超微纳米晶粒间的铁磁交换耦合作用,使纳米 晶粒内的局域磁晶各向异性被有效地平均掉了,显著降 低了合金的磁各向异性,因而合金具有高软磁性能。
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式中K1 为纳米晶的局域磁晶各向异性常数，D 为晶粒尺 寸，A 为交换积分常数，J s 为饱和磁化强度, Pμ 为常数, < K > 为有效磁各向异性，μi为相对起始磁导率。 可以定性解释纳米软磁合金高性能的物理起源。
HITPERM纳米晶的形成 At 510 C, 析出 ’-FeCo; At 700 C, 析出 (Fe, Co)3Zr;
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XRD of HITPERM
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AC permeability of HITPERM
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FINEMET, NANOPERM, HITPERM 晶粒大小与Hc的关系
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纳米晶软磁材料的发展历史
1988 Fe-Si-B-Nb-Cu by Yoshizawa et al; 1989 Fe-Si-B-Nb-Au by Kataoka et al ; 1989 Fe-Zr-B (NANOPERM) by Masamoto et al; 1990 Fe-Si-B-V-Cu, by Sawa and Takahashi; 1991 Fe-(Ti, Zr, Hf, Nb, Ta)-B-Cu, by Suzuki et al 1991 Fe-Si-B-(Nb, Ta, Mo, W)-Cu by Yoshizawa 1992 Fe-Ge-B-Nb-Cu, Fe-Si-B-(Al, P, Ga, Ge)-Nb-Cu by Yoshizawa 1993 Fe-Al-Si-Nb-B, by Chou et al; 1994 Fe-Si-B-Nb-Ga, by Tomida; 1995 Fe-Si-B-U-Cu, by Sovak; 1996 Fe-Si-B-Nd-Cu by Muller et al; 1997, HITPERM by McHenry in Carnegie Mellon University …
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FINEMET合金
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NANOPERM 合金的晶化
10.3 纳米晶软磁材料
XRD of NANOPERM
10.3 纳米晶软磁材料
退火温度与纳米晶尺寸的关系
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NANOPERM Fe88Zr7B4Cu1
10.3 纳米晶软磁材料
FINEMET形成纳米晶的过程(1)
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FINEMET形成纳米晶的过程(2)
-Fe Fe23B6 + Fe3B -Fe Fe2B Fe2B Fe2B -Fe
-Fe
For good soft magnetic properties, Tx1 and Tx2 should be separated, therefore, FeCuNbSiB is better than others!
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元素周期表
EM
LM
ML
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FINEMET软磁合金的发现
在Finemet发现之前,人们一般都认为只能在非晶中去寻找新 的软磁材料。因为在非晶中，没有K的存在； 1988年，Yoshizawa等人发现FeCuNbSiB非晶合金在晶化 后，它的软磁性能得到大大的提高，e达到105 ，Ms 达到 1.25 Tesla. FINEMET合金的发现，不仅带来一股强劲的研究纳米晶软 磁合金的热潮，而且极大地促进了磁学理论的发展。
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纳米晶软磁材料的通式
FM [Fe, Co, Ni]66-91 EM [Ti, V, Cr Zr, Nb,Mo Hf,Ta,W]2-8 ML [B, C, Al Si, P, Ga,
LM [Cu, Ag, Au]0-1
Ge]2-31
纳米晶软磁材料主要是以Fe-基为主,因为: Co-基非晶合金已具有很好的软磁性能(low K and ) 富Ni的Supermalloy(79Ni-16Fe-5Mo)合金的是目前最大的, =1,000,000
FINEMET合金的低 FINEMET合金优越的软磁性能也与它很低的磁 致伸缩常数有关。 这是因为非晶相的>0, 而纳米晶相的<0。
s V (1 Vam )
am am s
cr s
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FINEMET的，纳米相体积百分比与退火温度的关系
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电子材料
国家级精品课程
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Nanocrystalline Soft Magnetic Materials
纳米晶软磁性材料的发展历史; 纳米晶软磁材料及优异性能的原因; FINEMET; NANOPERM; HITPERM; 纳米晶软磁材料制备方法; 纳米晶软磁材料的应用;
材料 传统晶体合金（NiFe, Fe-Al-Si等） 制备方法 传统熔炼法 E k 0 成份控制 Eme0 成份、工艺控制
非晶合金（如FeSi-B, Co-Fe-Si-B 等） 纳米晶合金（FeSi-B-Cu, Fe-Zr-B 等）
熔体快淬法
非晶化
成份、工艺控制
非晶化晶 化
晶粒纳米化
晶粒纳米化+成份控 制
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扩展有效各向异性模型
纳米软磁合金的有效磁各向异性< K > 显微结构参数( D ,δ, V ) 铁磁相的磁特性参数( A , K) 有关 纳米软磁合金的有效磁各向异性不仅与纳米晶有 关，还与非晶相密切相关。由此推断，合金的磁性也 应与上述两个因素有关。
10.3 纳米晶软磁材料
10.3 纳米晶软磁材料
影响软磁性能的因素(1)
首先，讨论控制软磁材料性能的途径: •软磁材料的几个重要磁性能参数: 1. 2. Hc 0M s2 畴壁厚度 i 3. Ms (B = 0(M+H), H 很小，只有M大, 才能大 ) K eff 2 杂质体积浓度 μ Ms •影响的因素: 0 μ (1 )2 M 2K 0 s 1. 磁晶各向异性 i 21 M 3 杂质直径 0 s 2. 磁致伸缩系数 K ( 1 eff ) d 3 s 3. 磁化机制(Domain wall movement 好于 domain 3 rotation) K eff K 1 K u s less energy for domain wall movement! 2 4. 材料的微观组织 晶体缺陷、晶粒大小、夹杂、第二相、织构等
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影响软磁性能的因素(2) 影响Hc的因素 1. 微观组织 (晶粒大小、夹杂物的大小与分布等） 2. 磁化机制 (domain wall movement ，还是domain rotation) 3. 热处理工艺
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影响软磁性能的因素(3)
Hc 与晶粒尺寸D的关系: 对于大晶粒尺寸，当磁化过程的主要阻力来自晶界对磁畴壁 的钉扎时：(其中，为磁畴壁能量）
10.3
纳米晶软磁材料
e与Bs的关系(f = 1 kHz)
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磁场退火对FINMET磁性能的影响
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磁导率与频率的关系
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UESTC
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纳米晶晶粒尺寸D的测量
Scherrer 公式
0 .9 D B cos B
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FINEMET纳米晶的微观组织
非晶相 ~10 nm
Model
-Fe 纳米晶
TEM
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Amorphous Nanocrystalline
DTA of Fe77.5Si7.5B15
NANOPERM纳米晶的形成 以合金Fe86Zr7B6Cu1为例，分析NANOPERM纳米 晶的形成过程。
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NANOPERM 合金的磁粉芯损耗与 Bm的关系
非晶
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NANOPERM合金
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HITPERM软磁合金
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