（凝聚态物理专业论文）含co的finemet型纳米晶合金的结构与高温磁性.pdf

含c o 的f i n e m e t 型纳米晶合金的结构与 高温磁性 s t r u c t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r em a g n e t i c p r o p e r t i e so fc o f i n e m e ta l l o y s 学科专业：凝聚态物理 研究生：韩叶梅 指导教师：王治教授 天津大学理学院 二零零八年六月 中文摘要 研究了用不同比例的c o 部分替代f i n e 娅t 型合金中f e 形成的 ( f e l 。c o 。) 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 ( x = 0 ，0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ) 系列合金在不同温度纳米晶化后 的结构及软磁性能。重点分析了c o 含量的变化及退火温度对合金高温软磁性能 的影响。 利用x r d 对合金微观结构进行分析。分析表明，c o 含量的变化及退火 温度的选择对合金的微观结构有显著影响，合金在等温热处理时发生部分晶化， 形成由a - f e c o ( s i ) 、( f e c o ) a s i 晶化相和剩余非晶相组成的双相结构。利用o r i g i n 软件模拟x r d 衍射峰计算晶化相体积分数、晶粒尺寸和剩余非晶层厚度。结果 表明，c o 含量的变化对合金的晶化体积分数、晶格常数以及剩余非晶层的厚度 都有很大影响。随退火温度的升高，晶化相体积分数增大，而晶粒间的非晶层厚 度不断减小。 利用测量交流初始磁导率“随温度的变化( 即i - t 曲线) ，研究了合金 的高温磁性。采用循环加热、冷却过程中测定交流初始磁导率的方法研究了室温 至7 8 0 范围内的高温磁性与结构的关系。结果表明，c o 部分替代合金中的 f e 使饱和磁感应强度和室温初始磁导率略有下降，但显著提高了f i n e m e t 型 合金的非晶相居里点，使合金“保持到较高温度没有明显下降，显著改善了合 金的高温磁性。 随c o 含量的增加，( f e l x c o 。) 7 3 5 c u l n b 3 s iz 3 5 8 9 ( x = 0 ，0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ) 合金的 非晶相居里温度( 掣) 升高而一次晶化温度( t x l ) 下降。当x o 5 时，随c o 含量的增加合金的高温软磁性能改善。然而对于x 0 5 的富c o 合金，从x = 0 5 到x = 0 7 5 合金的军没有变化，朋显著下降。在晶化过程中，c o 原子选择 性的替代晶化相中不同位置的f e 原子，c o 含量与退火温度的变化对c o 在 晶化相和剩余非晶相中的分配有重要影响。利用纳米晶合金的交换耦合作用和有 效各向异性模型分析了高温磁性改善的机理。 关键词：f e c o 基纳米晶合金；初始磁导率；霍普金森效应；i - t 曲线； 交换耦合作用 a b s t r a c t h i g h - t e m p e r a t u r em a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f n a n o c r y s t a l l i n e ( f e l 一，c o x ) 7 35 c u l n b 3 s iu s b 9 ( x - - 0 ，o 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ) a l l o y sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ed e p e n d e n c eo fh i g h t e m p e r a t u r em a g n e t i cp r o p e r t i e so nc oc o n t e n t a n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew e r em a i n l ys t u d i e d x r dw a su s e dt oa n a l y z et h em i c r o s t r u c t u r e sa n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t c h a n g i n g c oc o n t e n ta n d a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e h a v e g r e a t i n f l u e n c eo n m i c r o s t r u c t u r e s p a r t i a lc r y s t a l l i z a t i o no c c u r sw h e nt h e a l l o y sw e r ei s o t h e r m a l l y t r e a t e da n dat w o - p h a s en a n o c r y s t a l l i n es t r u c t u r ec o m p o s e do ft h ea m o r p h o u sm a t r i x a n dt h eo f , - f e c o ( s i ) a n d ( f e c o ) 3 s in a n o c r y s t a l l i t e sw e r eo b t a i n e d w i t ha n n e a l i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ev o l u m ef r a c t i o no ft h ep r e c i p i t a t e dc r y s t a l l i n ep h a s e g r a d u a l l yi n c r e a s e sa n dt h et h i c k n e s so ft h ei n t e r g r a n u l a ra m o r p h o u sl a y e rd e c r e a s e s t h ee v o l u t i o n so fi n i t i a lp e r m e a b i l i t y iw i t hm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e stf o rt h e a l l o y sw e r ed e s c r i b e df r o mr o o mt e m p e r a t u r et o7 8 0 m a g n e t i cp r o p e r t i e sa n d s t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o nf o r ( f e l x c o x ) 7 35 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 ( x = 0 ，0 2 5 ，0 5 ，o 7 5 ) a l l o y s w e r ea n a l y z e db ym e a n so f i _ tc u r v e si nh e a t i n g - c o o l i n gc y c l e s t h er e s u l t ss h o w t h a t p a r t i a l l ys u b s t i t u t i o no ff eb yc oi nf m e m e tt y p ea l l o y sd e c r e a s e st h e s a t u r a t i o nm a g n e t i ci n d u c t i o na n dj n i t i a jp e r m e a b i l i t ya tr o o mt e m p e r a t u r e b u tt h e c u r i ep o i n to f t h ec r y s t a l l i n ep h a s ea n dt h ea m o r p h o u s p h a s ea r eo b v i o u s l ye n h a n c e d ； t h e 膨v a l u e so ft h ea l l o y sc o u l dk e e ps t a b l eu pt oq u i t eh i g h e rt e m p e r a t u r e sa n dt h e h i g h - t e m p e r a t u r es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e sa r eg r e a t l yi m p r o v e d f o r ( f e l x c o x ) 7 3 5 c u l n b 3 s i l35 8 9 ( x = 0 ，o 2 5 ，0 5 ，o 7 5 ) a l l o y s ，c u r i et e m p e r a t u r e o fa m o r p h o u sp r e c u r s o r ( 掣) i n c r e a s e sa n dp r i m a r yc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ( t x i ) d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc oc o n t e n t h o w e v e r , n of u r t h e ri n c r e a s ei n 彤w a s o b s e r v e dw h e nx o 5a n dan o t i c e a b l ed e c r e a s eo fg iw a so b t a i n e df o rh i g h e r c o - c o n t e n ta l l o y s ( x = 0 7 5 ) t h es e l e c t i v es u b s t i t u t i o no ff eb yc oi n t ot h e p r e c i p i t a t e dc r y s t a l l i n ep h a s eo nt h ec r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e d n er a n d o m m a g n e t o c r y s t a l l i n ea n i s o t r o p ym o d e la n dt h ee x c h a n g ec o u p l i n ga r eu s e dt oa n a l y z e t h ei m p r o v e m e n to ft h eh i g h t e m p e r a t u r es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e s ， k e yw o r d s ：f e c o - b a s e dn a n o c r y s t a l l i n ea l l o y ；i n i t i a lp e r m e a b i l i t y ；h o p k i n s o n e f f e c t ；t i - tc u r v e ；e x c h a n g ec o u p l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外j 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弗肼苟签字日期：2 舾年芗月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：岛计 签字嗍姗年乡月彳日 导师签 签字日 第一章绪论 1 1 磁性与软磁材料 1 1 1 磁性与软磁材料 第一章绪论 磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的， 由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生磁性【1 。2 1 。从 微观粒子到宏观物体，乃至宇宙天体，都具有某种程度的磁性。宏观物体的磁性 有多种形式，从弱磁性质的抗磁性、顺磁性、反铁磁性到强磁性质的铁磁性、亚 铁磁性等，它们具有不同的形成机理1 1j 。磁性材料的研究和制各始于2 0 世纪初， 近年来随着新型磁性材料不断的改进和应用，磁性材料在科研和生产中发挥着越 来越大的作用。在工程上，通常按照矫顽力大小把磁性材料分为软磁材料和硬磁 材料两大类。 所谓软磁，就是容易磁化也容易退磁( 此处的软硬是指磁性而言的) 。软磁材 料从纯铁、 f e s i 合金( 硅钢) ，f e n i 合金( 坡莫合金) 到f e c o 合金已有1o o 多年的历史。随着航空航天、航海、计算机、通讯等高新技术产业的发展，越来 越要求所用各种电磁元器件高质量、小型、轻量、高可靠性化，这就需要制造这 些器件所用的软磁合金等金属功能材料不断提高性能，向薄小且高稳定性发展， 因而对软磁材料的开发提出了新的要求。 由于软磁材料应用范围广，不同的工作条件对软磁材料的性能需要不同，但 有其共同的要求，概括为以下四点： ( 1 ) 磁导率要高 磁感应强度b = 州。因此在一定的磁场强度( h ) 下，磁感应强度b 的值取 决于材料的p 值，肛越大，对于要求一定磁通量的磁器件，就可以降低外磁场 的励磁电流值，从而降低磁元件的体积。 ( 2 ) 具有很小的矫顽力h c 和狭窄的磁滞回线一 材料的矫顽力小，表示磁化和退磁容易；磁滞回线狭窄，在交变磁场中的磁 滞损耗就越小。 ( 3 ) 电阻率p 要高 在交变磁场中工作的磁芯具有涡流损耗，电阻率高，涡流损耗小。 ( 4 ) 具有较高的饱和磁感应强度 第一章绪论 磁感应强度高，相同的磁通需要较小的磁芯截面积，磁性元器件的体积小。 近几十年来非晶态合金和纳米晶合金的软磁性能逐渐引起了人们广泛的研 究兴趣。主要的原因就是它的软磁性能具备了传统软磁材料的优点，如高饱和磁 感应强度，高磁导率和低矫顽力等f 3 】o 1 1 2 软磁材料简介 在众多的磁性材料中，软磁材料是非常重要的一类，广泛应用于电力、通讯、 雷达、航空航天、计算机技术、精密仪器仪表等工程技术领域。 软磁材料主要有以金属软磁材料( 包括f e 系、 f e s i 系、f h l 系、 f 卜n i 系、f e s i a l 系、f e c o 系、f e c r 系等) 和铁氧体软磁材料( 如m n z n 系、n i z n 系和m g z n 系等) 为代表的晶体材料，非晶态软磁合金( 主要分为f e 基和c o 基两种) 以及近年来发展起来的纳米晶软磁合金( 如f i n e m e t ) 、纳米粒 状组织软磁合金等1 4 5 】。目前在工程技术上大量应用的软磁材料包括金属软磁材 料和软磁铁氧体。金属软磁材料的饱和磁感应强度b 远高于铁氧体材料，非 晶、纳米晶材料的b 虽与金属软磁材料相差不大，但它的矫顽力h c 要小得 多。与晶态材料相比，非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性和高电阻率的 特性，f e 基非晶态合金通常具有较高的b s ，f e n i 基非晶态合金通常具有较 高的值，而c o 基非晶态合金通常具有低的饱和磁致伸缩系数，纳米晶合 金的综合性能最好。9 0 年代后，非晶与纳米晶金属软磁材料逐渐成为软磁铁氧 体的新的竞争对手，它们在性能上远优于铁氧体。 1 2 非晶和纳米晶软磁材料 1 2 1 非晶态及纳米晶合金 非晶态固体与晶态固体虽然都是由气态、液态冻结而成的固体，但它们的结 构不同。从原子排列的物理状态来说，晶体是典型的有序结构，其原子有规则地 排列在晶体点阵上；非晶态与气态、液态在结构上同属无序结构，是通过足够快 的冷却而发生液体的连续转变形成的，在结构上保留了液体原子的排列状态，短 程有序而长程无序。常见的非晶固体是玻璃，所以非晶材料被称为玻璃态材料。 二十世纪六十年代初，d u w e z1 6 】教授等人发明了直接将熔融金属急速冷却制备非 晶态合金的方法，这项技术的诞生引起人们对非晶态材料研究的关注。由于非晶 态合金不存在规则点阵，因此也不存在磁晶各向异性，所以要获得优良的软磁性 能，只需a 。趋近于零，这一特性促进了对非晶态磁性的研究，f e 基、f e n i 基及 第一章绪论 c o 基三大类非晶软磁合金相继问世。 大多数非晶态合金热处理后发生晶化行为【7 】，由于非晶态是一种亚稳态结 构，在形成过程中内部原子没有形成周期性的规则晶格，一因而从热力学角度讲处 于高自由能态，在一定条件下( 温度和压力) 原子会发生重排，向稳定的晶体转 化，这种由亚稳态的非晶态向稳定的晶体转变的过程称之为晶化。人们在非晶态 合金晶化行为的研究中发现，非晶态合金晶化后大部分形成粗大的晶粒，材料原 有的优点也丧失贻尽。1 9 8 8 年，日本的y o s h i z a w a 等人【8 d j 报道，利用熔体急 冷法在f e s i b 合金基体中加入少量c u 和n b 制备出非晶态合金，经适当温度退 火后晶化，形成具有体心立方结构超细晶粒( 1 0n m ) ，合金的饱和磁致伸缩系 数由( 2 0 1 0 而) 下降到几乎为零的数值( 2 1 0 击) ，并具有极高的初始磁导率 ( 1 0 5 ) 和极低的矫顽力( 1 a m ) ，由此获得一种新型的性能优异的软磁合金。该 合金成份为f e 7 35 s h 5 8 9 n b 3 c u l ，商品牌号为f i n e m e t l l u 1 1 | 。 根据传统的磁学理沦，对软磁材料除了要求磁各向异性常数和饱和磁致伸缩 系数必须尽可能地小以外，因材料的矫顽力与晶粒尺寸成反比，因此所追求的晶 体材料的显微结构是结晶均匀，并且晶粒尺寸应尽可能地大。1 9 7 0 年，f e - - s i b 非晶态合金研制成功以后，特别是1 9 8 8 年优于非晶合金的高b s 、高频高 导铁系纳米微晶合金( 如f e c l l 一s i - b 等) 软磁材料问世以后，人们发现 这两类材料均具有非常优异的软磁特性。进一步的研究发现，根据新的磁性量子 理论，当晶粒尺寸d 减小到一定的量级后，h c 与d 的六次方成正比。于是，软 磁材料的研究又进入了另一个极端，即要求材料的晶粒尺寸d 应尽可能地小，以 致达到纳米量级。当复合材料中组分之一的微结构为纳米尺度时，有可能出现新 的性质和功能n 羽。纳米晶合金就是这样一种具有特殊微结构的软磁材料，其磁性 可以有很宽的变化，取决于纳米晶粒的大小，以及与其共处的非晶相的磁性。 f i n e m e t 合金独特的微观结构、优异的软磁性能，使软磁材料的研究进入了一个 新的阶段，引起广泛关注和研究兴趣。 1 2 2 纳米晶合金的组成成分 所有的纳米晶软磁材料至少含有三个组元：铁磁性元素、非晶形成元素和纳 米晶形成元素，有些材料根据需要添加第四种元素。各类元素的作用特点如下： ( 1 ) 铁磁性元素如f e 、c o 和n i ，是纳米晶合金的主要组成部分，占8 0 a t 左右。f e 基非晶合金具有高饱和磁感应强度，纳米晶化后的合金磁各向异性 和磁致伸缩同时为零，因而f e 基纳米晶合金磁导率值很高、损耗很低。c o 基 和f e n i 基合金都可以形成磁晶各向异性和饱和磁致伸缩系数同时趋于零的非 晶态和晶态合金。 第一章绪论 ( 2 ) 非晶形成元素如s i 、b 、p 、c 等。由于纳米晶合金一般都是由制备态 的非晶合金退火处理发生纳米晶化得到的，因此非晶形成元素是纳米晶合金中的 必需组成成分。尤其是b 和s i ，是纳米晶合金中的基本元素，b 原子的半径 较小，外层电子少，对于形成非晶态合金非常有利；s i ，在非晶态合金晶化后部 分溶入晶化相中，对合金磁性有定的影响。 一 ( 3 ) 纳米晶形成元素c u 、n b 及两类替代元素。一类是替代c u 元素，如i b 族元素和p t 系贵金属元素。这些金属在f e 中的固溶度小或基本不固溶于f e ， 晶化时首先与f e 分离，造成该金属元素的富相区，起形核作用。另一类是替代 n b 的元素，如i v b 、v b 、v l b 族元素等。这类元素的主要作用是扩散缓慢，阻止 晶粒长大，从而保证晶粒的纳米尺寸，同时对降低磁致伸缩、扩大热处理温区、改 善脆性和工艺性能有益。 1 3 纳米晶合金简介 典型的纳米晶软磁材料主要有三大类：f i n e m e t ( f e c u m - s i b 系) 、 n a n o p e r m ( f e 廿b c u ，f e - m - b 系) 和t i i t p e r i v i ( f e - c o m _ b c u 系) 。f i n e m e t 纳 米晶合金的发明引起材料科学工作者和产业界对纳米晶合金的研究兴趣，在2 0 世纪9 0 年代初期和末期，f e z r b c u ( 商品标号为n a n o p e r m ) 和 f e c o z r b c u ( 商品标号为h i t p e r m ) 纳米晶合金相继问世。目前f e s i b n b c u 系列和f e m b c u ( m - - z r , h f 等) 合金得到了较为广泛的研究，并且f e s i b n b c u 系列的纳米晶合金已经在电力、电子工业中得到应用。而用c o 替代f e 基纳 米晶合金中的部分f e 以改善合金磁性的研究方兴未艾，研究较多的合金系列有 c o 替代n a n o p e r m 型纳米晶合金f e c o z r b c u 、f e c o h f b c u ，以及c o 替代 f i n e m e t 型纳米晶合金f e c o s i b n b c u 等。 1 3 1f i n e m e t 型合金( f e c u m s i b 系，m = c r ，v ，m o ，n b ，等) 在1 9 8 8 年y o s h i z a w a ( 吉泽明步) 等人报道了一种晶粒大小为1 0 - - - 1 5l l m 的 f e 基纳米晶合金1 1 4 。17 j ( 商品号f i n e m e t ( f e c u m s i b ，m = c r , vm o ，n b ，t a ， w 等) ) ，其具有高磁导率( 1 0 5 数量级) ，低矫顽力，接近零的磁致伸缩，使纳米晶 软磁合金得到了广泛的关注，并取得一定的应用。f i n e m e t 型合金标准成分 是f e 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 ，它是通过在f e s i b 非晶合金中添加少量的c u 和n b 制得熔融态的合金，快速冷却保持原子的无序排列状态，形成非晶合金。选择适 当的温度进行等温退火，使纳米晶化，晶化过程中在非晶基体上得到无规均匀分 4 第一章绪论 布的a - f e ( s i ) 细小晶粒的纳米晶合金，晶粒直径在1 0 2 0n m ，f i n e m e t 合金 纳米晶形成过程如图1 1 所示。对淬态非晶合金进行退火时，a - f e ( s i ) 在不溶 元素c u 富集区形核而n b 作为难溶元素在晶粒间的非晶相中富集，阻碍晶 粒长大，形成双相体系，从而具有优异的软磁性能”】。 a s q u e n c h e d s e c o n ds t a g et h ir ds t a g e 图】1f i n e m e t 合金纳米晶形成过程 1 3 2 n a n o p e r m 型合金( f e m b c u 系，m = n b ，z r ，h f 等) 19 9 1 年s u z u k i 等人得到了商品号为n a n o p e r m 合金”1 7 1 ，其典型成 分f e - m - b - ( c u ) ( m = z r , n b ，h o 。该合金除具有f i n e m e t 合金所具有的良好软 磁性能外，具有更高的饱和磁化强度。其晶化过程为： 非晶一一f e _ 非晶( 6 8 7 c ) 一廿f e + f e 3 z r + x ( 7 4 7 c ) 一q f e + f e 3 z r + f e 2 z r + z r b 2 ( 8 7 7 1 。 其中x 为未知相。其饱和磁感应强度可达l5 4 17 t ，磁导率：m = 1 3 0 0 0 4 9 0 0 0 。由于优异的软磁性能n a n o p e r m 型合金可在高频下应用，其损耗优于 f e n i 系坡莫台金，可与c o 基非晶合金媲美。对于n a n o p e r m 型台金 较大的缺点是其加工性，由于z r 的化学性质非常活泼高温下在大气中极易氧 化，因而在制各非晶时，对真空度要求较高。 1 3 3 h 1 t p e r m 型合金( f e c o - m b c u 系，m = n b ，z r ，h f 等) h i t p e r m 型合金是由w i l l a r d ”等人于1 9 9 8 年报道的，它是在 辫删 。 f 一垦 酊一 p 一 等。 一筹陟一 第一章绪论 f e g s e r t b 4 c u l 基础上添加c o 制得的以e t - f e c o 为体相的纳米晶合金，其典型 成分是f e 4 4 c 0 4 4 z r 7 8 4 c u l ，其晶化过程为：。， 非品一a 7 f e c o + 非晶一a - f e c o + ( f e ，c o ) 3 z r h i t p e r m 型合金在高温下具有高饱和磁感应强度及优异的软磁性能。相比 于以 g t f e ( s i ) 为晶粒相的f i n e m e t 合金及以a f e 为晶粒相的 n a n o p e r m ，h i t p e r m 型合金具有晶粒相为b c c 结构的a - f e c o ( 或 a f e c o ) 。由于a - f e c o 相的存在使之展现出比前两种合金更出色的高温磁性能 2 0 - 2 1 】。同时，f i n e m e t 和n a n o p e r m t 乍晶玻璃态合金居里温度矿约为 3 0 0 ，而铁钴基的h i t p e r m 非晶态合金在温度t d ，纳米晶合金处于交换耦合状态，当l 盯 d 时，纳米晶合金处于非耦合状 态。在铁磁性材料中，三a 由下式给出： 6 第一章绪论 赧 阿 = 百 上式中，么是交换劲度，表征交换耦合作用的强度；k 是磁晶各向异性常数。 在h e r z e r 的模型中，材料内禀的磁晶各向异性在交换长度k 内被平均为有 效各向异性 ： = k 1 ： 0n ( 1 - 2 ) 上式中，n 是在交换耦合体积内所包含晶粒的个数，可表示为 = ( 告) 3 m 3 ， 对于纳米晶合金，盯由下式给出： k = 压 由式l 一2 、1 3 和1 4 可得 木由两部分组成，分别 为结构各向异性，磁致弹性各向异性。 对结构各向异性舻起作用的主要是纳米晶粒。结构各向异性表示为 k 幸：堡尘( 1 11 ) y 二 上式中 为单相系统的有效各向异性。当不存在应力时，剩余非晶相的交换 相关长度三锄将趋于无穷( j 盔m = 0 ) ，所以参数，取1 ，因此依据上式就会有 = 木就可以 表示为 枣：等+ 昙k ( 1 - 1 4 ) y 。z 该模型通过引入参数y ，较好地解释了晶化体积分数很小的初始晶化阶段， 以及温度接近非晶相居里点时磁性硬化的现象。但是对纳米晶合金在较高温度退 火时，磁性随温度升高而硬化的现象无法合理的解释。 1 4 3s u z u k i 的有效各向异性模型 2 6 - 2 7 】 s u z u k i 认为剩余非晶相对交换耦合作用有重要影响，剩余非晶相和晶化相 的近邻磁矩间角度应采用两个不同的常数。在s u z u k i 的有效各向异性模型中， 交换劲度常数包括两部分，晶化相的交换劲度彳盯和剩余非晶的交换劲度彳锄， 每一对晶化一剩余非晶相的长度为d + a ，其间磁矩转动的角度为 妒。：f 呈一+ 下兰竺一 ( 1 1 5 ) 2 雨+ 丽 u 1 ” 其中剩余非晶的厚度a 为 a = d ( i - v , m ) 川3 - 1 ( 1 - 1 6 ) 在交换长度内磁矩转过的角度为够，则交换长度内整个耦合链中包含的晶粒个 数为 ”：旦= ：生= ：一 ( 1 17 ) ，= - 二一- - - - - - - - - - - - - 二- - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ii - i ，i d 4 a 口i + a x a a m 另外，交换体积可以表示为 疋：(nd)3(1-18 ) l “一1 - - 圪m 由式1 1 7 和1 18 可以得到 k ：j 百1 兰生1 = ( 1 1 9 ) ( 1 - v , m ) 3d 扛两+ 以扛丽 “7 9 第一章绪论 有效各向异性常数 由下式给出 “ - ( 1 叱m ) 击 m 2 0 ) 在交换体积内所包含的晶粒个数 = ( 1 - v a m ) 歹, a e x 。(1-2：1) 在式1 1 9 、l - 2 0 和1 - 2 1 中，交换长度k 自洽，可得到 小雨扣丽面 ( 1 2 2 ) k 丽百瓦磊i 而 u 之印 所以在该模型中得到有效各向异性常数 为 “ - 扣k 义老+ 寿j m 2 3 ， 也可表示为 = 4 伊( 1 - v a i n ) 4 d 6 li、，以l-兰口+警6 c - 2 4 ， 在高温下剩余非晶的交换劲度厶要远小于晶相部分的交换劲度彳口，此时剩 余非晶的交换劲度将会对交换耦合作用产生重要影响，进而对合金的高温 磁性起到决定性作用。 与h e r z e r 模型相比，s u z u k i 的有效各向异性模型具有如下特点： ( 1 ) 保留了有效各向异性 对晶粒尺寸六次方d 6 和磁晶各向异性四次方 k 1 4 的依赖关系； ( 2 ) 有效各向异性不仅与晶化相的交换劲度彳。w 有关，还与非晶相的交换劲 度有密切关系，尤其当以。 叫。叮时，有效各向异性licm-c一 第三章( f e l x c o x ) 7 3 5 c u i n b 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶合金的微观结构 漫散峰，而c o 含量为x = 0 7 5 时合金出现尖锐的晶化峰，表明较高的c o 含量 的能够使合金在较低温度就发生晶化，使合金的一次晶化温度降低。 图3 8 为纳米晶( f e l - x c o x ) 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 ( x = 0 2 5 ，0 5 ，0 7 5 ) 合金1 4 4 0 、5 6 0 、6 2 0 退火后晶化相体积分数变化曲线，可以看出较低温度 退火( 4 4 0 ) 的合金晶化相体积分数随c o 含量的增加而增大。而较高温度退 火( 5 6 0 、6 2 0 ) 后，x = o 5 的合金具有最大的体积分数，说明过多含量的 c o 影响合金的晶化程度。此外，合金( x _ 0 5 ，0 7 5 ) 在5 6 0 和6 2 0 退火后晶 化相体积分数基本保持不变，说明较高含量的c o 使得合金在一定温度退火后 具有稳定的晶化程度。 晶粒尺寸d 可以根据( 11 0 ) 衍射峰的半高宽( f w h m ) 和x 射线波长，利 用谢乐s c h e r r e r 公式估算【4 ， d ： q ：2 垒 a bc o s ( e 2 ) 式中a 为x 射线波长( 本文屯= 1 7 8 8 9a ) ， 的衍射角度，a b 表示衍射峰图象的半高宽。 ( 3 - 1 ) 0 表示衍射峰出现最大能量值 表3 2 不同温度退火下( f e l - x c o x ) 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 合金的晶粒尺寸( d n r n ) 根据晶化体积分数圪r y 和晶粒尺寸d ，两相邻晶粒的表面间距以，即晶粒 间的非晶层厚度，可由下式进行估算： _ ( 吉 ；一， ( 3 2 ) 不同温度退火后四种合金( f e l 。c o 。) 7 35 c u l n b 3 s i l 35 8 9 的晶粒尺寸d 和非晶层 厚度么分别列于表3 2 和表3 3 中。从表中可以看出，晶粒尺寸随退火温度变化 第三章( f e l x c o x ) 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶合金的微观结构 很小，非晶层的厚度随退火温度升高都明显减小。同一温度退火下不同c o 含量 的合金的晶粒尺寸随c o 含量的增加而增大。对于含c o 的合金，相同温度热处 理后x = 0 5 时合金的非晶层厚度最小。 表3 3 不同温度退火下( f e l 。c o 。) 7 3 5 c u l n b 3 s i l 3 5 8 9 合金的非晶层厚度似r i m ) 表3 _ 4 纯f e 和f e c o 单晶的晶格常数 c r y s t a l l a t t i c ep a r a m e t e r , 口( a ) b c c f e b c c - f e 7 0 c 0 3 0 b c c f e 6 0 c 0 4 0 b c c - f e s o c o s o b c c f e 3 0 c 0 7 0 f c c c o 2 8 6 6 2 8 6 3 2 。8 6 0 2 8 5 5 2 8 4 l 3 5 4 4 研究表明，在f e 基f i n e m e t 型纳米晶合金中，晶化相为口f e ( s i ) ，s i 溶 入口f e 晶化相中导致品格常数下降。用c o 部分替代f e 的f i n e m e t 型合 金在晶化时有部分c o 溶入口f e ( s i ) 晶化相中形成口f e c o ( s i ) 晶化相。而c