（凝聚态物理专业论文）纳米晶fecocumosib软磁合金结构与磁性的研究.pdf

摘要 随着电子工业、信息、通信等产业的迅速发展，人们对具有良好综合性能的 软磁材料的要求越来越高，需求越来越大。如要求高电阻以减小与频率有关的涡 流损耗、在高温工作时要具有足够高的居里温度和磁化强度等。近年来被广泛重 视的f e c u - m s i b ( m = n b ，m o ，系列纳米晶软磁合金以其极高的磁导率、高 的饱和磁化强度、近似于零的磁致伸缩等综合性能在许多方面代替了坡莫合金、 铁氧体等磁性材料，在生产生活上得到一定的应用。但其较低的居里温度和较高 的高频损耗限制了它们在高温和高频下的使用。本文在f e c u m o s i b 合金的基 础上用c o 元素置换5 0 f e 元素制成t ( f e 05 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9 合金，并研究 了该合金的高温及高频特性。 1 通过研究退火工艺与( f e 0 5 c o o5 ) 7 3s c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金微观结构的关系发 现，不同的退火温度对合金的微观结构有明显的影响。通过x 射线衍射实验对 不同温度退火后的软磁合金的相结构进行分析发现，合金在初始晶化温度以上退 火析出f e c o ( s i ) 晶体相，随退火温度的升高，开始出现有序相f e 3 s i 和f e b 化 合物，此时，合金的软磁性能恶化。 2 研究了( f e 05 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶合金在室温下的软磁性能。研究 发现合金在4 9 0 5 5 0 。c 之间退火，具有优异的静态软磁性能。其中4 9 0 。c 退火时 软磁性能最佳；同时通过实验验证了磁导率与矫顽力、磁导率与有效磁各向异性 常数的反比关系。 3 研究2 r ( f e o5 c o o 办7 35 c a l m 0 3 s i l 35 8 9 纳米晶合金的高温磁性能，包括合金的 初始磁导率与温度的关系、c o 对f e 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金高温磁性的影响。研究 发现，( f e o 5 c o o 5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金经5 5 06 c 退火后，初始磁导率f 在低于 4 5 0 的连续加热过程中衰减很少：c o 元素的加入明显改善了合金的高温特性。 合金的居里温度、磁化强度比c o 置换f e 前的f e 7 35 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金明显提高， 这些实验现象对寻求新型高温纳米材料有一定的意义。 4 研究t ( f e o 5 c o o 5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶合金的高频磁性能，包括合金的 复数磁导率实、虚部随频率的变化及c o 对f e 7 ”c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金高频磁性的 影响。研究发现，( f e o5 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9 纳米晶合金的品质因数随退火温度 的升高而提高，损耗因子随退火温度的升高而降低；c o 元素的加入明显改善了 合金的高频特性。合金的品质因数和截止使用频率比c o 置换f e 前的 f e 7 35 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金明显提高。这说明可以通过改变退火工艺和元素组成来 拓展合金的频率使用范围。 关键词：纳米晶合金、退火温度、初始磁导率、居里温度、品质因数、截 止使用频率、交换耦合作用 a b s t r a c t w i t h 也ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r y 、i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ， t h e r ea r em o r ed e m a n d sb o t hi nq u a n t i t ya n di nq u a l i t yt ot h o s ew h i c hh a v eg o o da n d c o m p o s i t i v ep r o p e r t i e s f o re x a m p l e ，h i g hr e s i s t a n c et o r e d u c ee d d yc u r r e n tl o s s r e l a t e dt of r e q u e n c y , h i g hc u r i et e m p e r a t ea n dm a g n e t i z a t i o ni nh i 曲- t e m p e r a t u r e w o r ke n v i r o n m e n t f e - c u m - s i - b ( m = n b ，m o ，s e r i e so fa l l o y sg i v e ne x t e n s i v e a t t e n t i o nw h i c hh a v eh i g hp e r m e a b i l i t ya n ds a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n ，n e a r - t o z e r o m a g n e t o s t r i c t i o nh a v er e p l a c e dm a n ym a g n e t i cm a t e r i a l ss u c ha sp e r m a l l o y , f e r r i t ei n m a n ya p p l i e d f i e l d s b u tl o w e rc u r i et e m p e r a t ea n dh i g h e rc o r el o s s i nh i g h f r e q u e n c yh a v er e s t r i c t e dt h e i ra p p l i e dr a n g e s o nt h eb a s eo ff e c u - m o s i - ba l l o y , w eg o t ( f c o5 c 0 05 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9a l l o yb ys u b s t i t u t i n gc of o rf ep a r t i a l l y a n d t h e nt l l c i rp r o p e r t i e sa th i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hf r e q u e n c yw e r er e s e a r c h e d 1 t h em i c r o s t m c t u r ep r o p e r t i e sf o r ( f c o5 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9a l l o ya l i n e a l e d a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r es t u d i e d c h a n g i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e sh a sg r e a t i n f l u e n c eo nm i c r o s 仉l c t l l r eo f ( f e o 5 c 0 0 5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9s o f tm a g n e t i ca l l o y p h a s es t r u c t u r eo ft h ea l l o yw a sa n a l y z e db yx - m yd i f f r a c t i o n a n n e a l e da b o v et h e i n i t i a l c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，u l t r a f i n eg r a i n so fb e ef e c o ( s i ) p h a s ew e r e e m b e d d e di nar e s i d u a l a m o r p h o u sm a t r i x w i t ht h e i n c r e a s eo fa n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，t h eo r d e r e df e 3 s ia n df e - bc o m p o u n d sw e r ef o u n d c o n s e q u e n t l y , t h e s o f tm a g n e t i cp r o p e r t yo f t h ea l l o yd e t e r i o r a t e d 2 w es t u d i e dt h es t a t i cm a g n e t i cp r o p e r t i e so f ( f c o5 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 n a n o c r y s t a l l i n ea l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x c e l l e n ts o f t m a g n e t i cp r o p e r t i e sc a nb eo b t a i n e df o r ( f c o5 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9a n n e a l e da t 4 9 0 5 5 0 ，e s p e c i a l l ya t4 9 0 c a tt h es s , t r t et i m e ，w es u c c e s s f u l l yp r o v e dt h e i n v e r s e l y - p r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a b i l i t ya n dc o e r c i v i t ya sw e l l a s p e r m e a b i l i t ya n d e f f e c t i v em a g n e t i ca n i s o t r o p yc o n s t a n t 3 w es t u d i e dt h e 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 s o f ( f e 0 , 5 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9n a n o c r y s t a l l i n ea l l o y ,i n c l u d i n gt e m p e r a t e d e p e n d e n c eo fp e r m e a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c eo ft h ea d d i t i v ec o o nh i 班一t e m p e r a t u r e b e h a v i o u ri nf e 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 35 8 9a l l o y w ef o u n dt h a tt h ei n i t i a lp e r m e a b i l i t yo f ( f c o 5 c o o5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9a l l o ya n n e a l e da t5 5 0 ch a sl i t t l ed e c r e a s ei nt h ec o a r s e o fc o n t i n u o u sc a l e f a c t i o nb e l o w4 5 0 n 心a d d i t i v ec om a k e sh i g h - t e m p e r a t u r e p r o p e r t yb e t t e ro b v i o u s l y c o n t r a s t e d 矾mf e q 35 c b l m 0 3 s i l 35 8 9a l l o y , t h ec u r i e t e m p e r a t u r ea n dm a g n e t i z a t i o nf o r ( f c o 5 c 0 0 5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9a l l o y h a v eg r e a t i m p r o v e m e n t n 增a b o v e r e s u l t sa r e s i g n i f i c a n t t ol o o kf o rn e wt y p eo f n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sf o rh i g ht e m p e r a t ea p p l i c a t i o n 4 w em a d eai n v e s t i g a t i o no nh i g h - f r e q u e n c ym a g n e t i c p r o p e r t i e s o f ( f e 05 c 0 05 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 35 8 9 ，i n c l u d i n gf r e q u e n c yd e p e n d e n c e o f c o m p l e x p e r m e a b i l i t ya n dt h ei n f l u e n c eo ft h ea d d i t i v ec oo nh i g h - f r e q u e n c yb e h a v i o u ri n f e 7 35 c u i m 0 3 s i l 35 8 9a l l o y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t q u a l i t y f a c t o ro f ( f e o5 c o o 5 ) 7 35 c u l m 0 3 s i l 35 8 9a l l o ye n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ， l o s sc o e f f i c i e n tr e d u c e dw i t hi n c r e a s i n ga n n e a l i n gt e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r et h e a d d i t i v ec oh a sm a d eq u a l i t yf a c t o ra n dc u t o f ff r e q u e n c yi m p r o v e dg r e a t l yw h i c h i n d i c a t e dt h a tc h a n g i n ga n n e a l i n gt e c h n o l o g ya n di n g r e d i e n tc a nb r o a d e na v a i l a b l e f r e q u e n c yr a n g e k e y w o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n ea l l o y , a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ，i n i t i a lp e r m e a b i l i t y , c u r i et e m p e r a t u r e , q u a l i t yf a c t o r , c u t o f f f r e q u e n c y , 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，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂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：朝晚其 签字日期： 劢形年2 月劣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘茔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： 胡谚蜞 导师签名： 签字日期： 训年7 - 月诒日 签钔铷b 年易月勺 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 材料与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，材料的使用和发展标志 着一个国家科技和经济的发展水平。材料一般分为结构材料和功能材料两大类。 结构材料是指能承受外加载荷而保持其形状和结构稳定的材料。功能材料是指具 有一种或几种特定功能的材料，它具有优良的物理、化学和生物功能。磁性材料 是应用物质的磁性和各种磁效应，以满足电工设备、电子仪器等各方面技术要求 的功能材料。目前在技术上达到大量应用的磁性材料有两大类：一类是由金属和 合金组成的金属磁性材料；另一类是由金属氧化物组成的铁氧体磁性材料。从磁 性能的特点看，金属磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料【1 l 。金属软磁材料主要 是以电工用纯铁、硅铁合金、铁钴合金、铁铝合金为代表的传统晶态软磁合金、 非晶态软磁合金以及近年来发展起来的纳米晶软磁材料、纳米颗粒状组织软磁合 金、纳米结构软磁薄膜等等。 一般来说，传统晶态软磁合金的生产工艺通常包括熔炼、铸造、热轧、冷轧 等十余道工艺，而非晶合金的生产流程短、工艺简单、节约能耗。1 9 6 0 年美国 d u w e z 教授发明了用快淬工艺制备非晶态合金，非晶合金不仅具有高导磁、低矫 顽力，并具有比晶态软磁合金高得多的弹性极限等特点。1 9 6 7 年该教授又率先 开发出f e - p c 系非晶软磁合金，带动了第一个非晶合金研究开发热潮。1 9 8 2 年 美国a l l i e ds i g n a l 公司先后推出命名为m e t g l a s 的f e 基、c o 基和f e n i 基系列非 晶合金带材，标志着非晶合金产业化和商业化的开始。1 9 8 8 年，日本日立金属 公司的y a s h i z a w a 等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金 口i n e m e t ) 。此类合金兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导 率、低损耗等优点，并且成本低廉。铁基纳米晶合金的发明是软磁合金的一个突 破性进展，从而把非晶态合金研究开发又推向一个高潮。纳米晶合金可以替代钴 基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，在高频电力电子和电子信息领域中获得广 泛应用。1 9 9 2 年德国v a c 公司在i s d n 等网络接口设备上，大量采用纳米晶磁 芯制作接口变压器和数字滤波器件 2 1 。 纳米晶软磁材料在以下几个方面的应用已经获得了很大的成功。如准确度 达o 2 级的精密电流互感器工作频率为2 0 5 0 k h z ，输出功率在1 0 k w 以上的 高频大功率开关电源变压器开关电源因解决了损耗、体积和升温三者之间的难 题，满足了器件高频化和小型化的要求抗电磁干扰器件因具有抗饱和能力强、 电感量大、品质因数高、体积小和高频节能等特点，因而在通信、精密测控和计 第一章绪论 算机等设备中得到了广泛的应用特别适合于在对灵敏度要求较高的磁性器件 中( 如磁头、漏电保护开关等) 使用的传感器啪。 随着2 1 世纪信息技术和电子产品数字化的发展，对软磁材料及其器件提出 了更高的要求，软磁材料将沿着高饱和磁感应强度毋、高磁导率、低矫顽力 日。、高居里温度砭、低损耗足和更加高频化、小型化、薄型化方向发展。因此， 我们在具有优异综合软磁性能的纳米晶合金f e - c u - m o s i b 的基础上，通过用 c o 置换f e 来提高软磁材料的高温特性，通过改善其截止使用频率等高频参数来 提高软磁材料的高频特性。 1 2 非晶态合金及纳米晶软磁合金的形成、分类 1 2 1 非晶态合金 一、制备方法 非晶态合金的出现首先应归功于其工艺技术的攻破，其制备原理可归结为： 使液态合金以大于临界速度急速冷却，使结晶过程受阻而形成非晶态；经这种热 力学上的亚稳态保存下来冷却到玻璃态转变温度以下而不向晶态转变【1 】。 为达到足够高的冷却速度，非晶态合金的制备方法一般采用液体急冷法和气 相沉淀法两类。将熔融金属或合金急速冷却形成非晶态结构的方法叫液态急冷 法。目前广泛应用的是单辊法和双辊法。方法是将液态合金从石英喷嘴喷出，形 成均匀的熔融金属细流，连续喷射到高速旋转的冷却圆筒表面或一对轧辊之间， 液态合金由于急冷凝固而形成非晶薄带。另外非晶态合金还能制成细丝或粉末， 利用旋转液喷射法可制作细丝；利用真空蒸发法、溅射法、电解沉积法和化学沉 积法可将气态物质制成非晶态薄膜，这是由气相原子附着在基板上急冷形成非晶 态的 4 1 。 二、分类 目前，主要的非晶态磁性合金有三类：过渡金属( f e 、c o 、n i ) 类金属饵、 c 、p 、s i 等) 非晶态合金；过渡金属( f e 、c o 、n i ) 过渡金属( z r 、h f n b 等) 非 晶态合金；稀土金属( g d 、t b 、d y 等) 过渡金属( f e 、c o 等) 非晶态合金。属 于软磁材料的是第一类和第二类，第三类已广泛用作磁光存储材料1 4 1 。 高饱和磁感应强度低铁损非晶合金在过渡族金属中铁的原子磁矩最大，所以要 获得高饱和磁感应强度，应选择铁基非晶态合金。这类合金主要有f e b 、f e - b s i 、 f e b s i c 系列。该系列合金含铁的原子百分比约为8 0 ，毋值为1 6 1 8 r ，日，低， 高，同时p 是硅钢( 3 s i f e ) 的3 倍，铁损仅为硅钢的l 3 以下，主要用作变压 器铁芯材料。但由于电力变压器铁芯的用量很大，非晶合金的原材料费比硅钢高； 2 第一章绪论 由于非晶薄带较薄，致使制作铁芯时填充系数较低，仅为8 0 8 5 。而o 3 m m 后的硅钢片的填充系数为9 5 。 高磁导率非晶态合金目前，这类合金主要是钴基合金，包括c o - f e 、c o f c - n i 、 c o m n 系等。c o 与f e 成分约为9 4 ：6 的非晶态合金其a 。大体为零，同时凰最 低。但钴基非晶态合金因居里温度低、饱和磁化强度小而不大适用。 1 2 2 纳米晶软磁合金 纳米晶软磁合金是一种新型软磁材料。它的晶粒尺寸在l 1 0 0 n m 左右。它 是在急需既有高饱和磁化强度，又要有高初始磁导率、低矫顽力和低损耗的软磁 合金背景下开发出来的。由于非晶材料的磁晶各向异性为零，因此选择磁致伸缩 系数近似为零的软磁合金制备出非晶材料，则可以得到磁导率高、矫顽力低的软 磁材料。但是非晶软磁合金的饱和磁感应强度不太高，并且还存在晶化倾向，导 致其温度稳定性也不太好，不能完全满足高饱和磁感应强度、高温度稳定性优质 软磁材料的需要。因此开发了纳米晶软磁材料。这种材料可以用作大功率变压器、 高频率变压器、传感器、互感器、薄膜磁头等【s 】。 纳米晶合金可以通过某种合金组成熔体的快淬来制造。或者，纳米晶材料可 以通过一种无定形合金前体的热处理制造。无定形合金固有的组成元素的均匀分 布是一个形成纳米晶合金的适当条件。在玻璃态合金中加入某些元素促成大规模 成核作用，加入另一些元素能抑制晶粒生长旧。 目前几种典型的纳米晶软磁合金 i 、f i n e m e t 型合金( f c - c u - m s i b 系，m = c r ，v ，m o ，n b ，t a ，w 等) f i n e m e t 型合金标准成分是f e q 3 5 c u l n b3 s i l 3 5 8 9 ，是由y o s h i z a w a i l 等人于 1 9 8 8 年报道的，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 后进行晶化 退火，通常在5 4 0 5 8 0 。c 退火l 小时，在非晶基体上得到无规均匀分布的a f “s i ) 细小晶粒的纳米晶合金，晶粒尺寸在1 0 2 0 n m 。在非晶母体退火时，a - f “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。如矫顽力为o 8 a m 数 量级，4 廊f 。* 1 1 2t ，以及1 0 5 数量级的磁导率和相当于c o 基非晶的低损耗， 这来源于交换耦合作用使其磁晶各向异性平均化。其残余非晶相的居里温度z 罗 约为3 2 0 ，饱和磁感应强度约为1 1 6 t ，体积分数为2 0 3 0 ；含s i 约为2 0 a t 的旺f c ( s i ) 固溶体的居里温度约为6 0 0 ，饱和磁感应强度约为1 3 t ，体积分数 为7 0 8 0 嘲。 i i 、n a n o p e r m 型合金( f c - m b c u 系，m = n b ，z r ，h f 等) f e - z r - b c u 系纳米晶软磁合金是继f c - c u - m s i b 系纳米晶之后另一种具有 3 第一章绪论 良好软磁性能的材料，它是由s u z u k i 等人咖1 首先发现的，晶化过程为： 非晶一氆f e + 非晶( 6 8 7 ) 一a - f e + f e 3 z r + x ( 7 4 7 ) 一a f 叶f e 3 z 什 f e 2 z r + z r b 2 ( 8 7 7 ) 。其中x 为未知相。其饱和磁感应强度可达1 5 1 7 t ，磁 导率：“= 1 3 0 0 0 4 8 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 系坡莫合金，可与c o 基非晶合金媲美嗍。对于 n a n o p e r m 型合金较大的缺点是其加工性，由于盈的化学性质非常活泼，高 温下在大气中极易氧化，因而在制备非晶时，对真空度要求较高，需要a r 气保 护，否则会使熔体表面形成氧化膜，影响非晶条带的制取。 i l i 、h i t p e r m 型合金( f e c o mbc 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 t l 0 1 等人于1 9 9 8 年公诸于世的，它是以 f c s s z r 7 8 4 c u l 为基础制得以a - f e c 为体相的纳米晶合金，其典型成分是 f e 舢c 0 4 4 z r t b 4 c u l ，其在高温下具有高饱和磁感应强度及优异的软磁性能。其晶 化过程为： 非晶一a 一f e c o 卅 晶一a - f e c o + ( f e , c o ) 3 z r 相比于以a f e ( s i ) 为晶体相的f i n e m e t 合金及以a f e 为晶体相的n a n o p e r m ， h i t p e r m 型合金具有晶体相为b c c 结构的c t - f e c o ( 或a f e c o ) 。由于c t - 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【1 1 “”。同时，f i n e m e t 和n a n o p e r m 非晶玻璃态合金居里温度z 罗约为3 0 0 k ，而铁钴基的h i t p e r m 非晶态在温度t m o = w v c r 。同时这些元素对降低瓜、扩大纳米晶化退火温区、改善 脆性和工艺性能亦有益处，c r 还可增加耐蚀性。 1 4 3 纳米晶软磁合金的磁性能 对于纳米晶软磁合金，按性能要求，常可分为高毋型、高鳓型等。 高曰。型铁基纳米晶合金，典型成分f e m b ( m = z r 、h f 等) ，其f e 含量在8 8 a t 以上，占。值为1 6 1 7 2 t 。对于典型成分为f c 9 l z r 7 8 2 的f e z r b 系列合金，经6 0 0 退火1 h ，其b s = 1 6 6 t ，；“= 2 4 0 0 0 。对于典型成分为f e o l h f 7 8 2 的f e h f b 系合金，经6 0 0 退火1 h ，其b s = 1 6 t ，? “= 1 8 0 0 0 。另外，对于f e p c 系合 金，以n b 作为添加元素也可获得高曰。的铁基软磁合金。 高型纳米晶合金，如f e - s i b 系，以f e - c u - n b s i b 系磁性最佳，在0 0 8 a m 磁场下，相对磁导率达1 4 x 1 0 5 以上，矫顽力最低达到o 1 6 a m ，饱和磁感应强 度曰。高达1 3 7 t ，在1 0 0 k h z 频率和0 2 t 磁感时，铁损可抵达2 5 0 k w m 3 。值得 关注的是该合金饱和磁致伸缩系数丑。“2 1 1 0 - 6 ，而不是以* 0 。 7 第一章绪论 图1 - 2 示出了纳米晶软磁合金与及其他合金之间的磁性能对比。图1 3 为纳 米晶软磁合金的应用领域。 薯l do j1 jl 53 皿2 j b ，t 图卜2 软磁合金性能对比图【5 3 】 f i 9 1 - 2 m a g n e t i c p l d p c l t i c s o f s e v e r a ls o f t m a g n e t i ca l l o y s 【5 3 j 图卜3 纳米晶软磁合金的应用 f i g1 - 3a p p l i c a t i o n so f n a n o c r y s t a l l i n es o f tm a g n e t i ca l l o y 第一章绪论 1 5 纳米晶软磁合金的交换耦合作用 在以往的软磁材料组织结构设计中，为减少磁畴运动阻力，提高软磁性能， 总是设法减少晶界面积，因而通常采用单相粗晶及无晶界的非晶态。近年来发展 的超微晶纳米合金具有优异的软磁性能，其晶粒尺寸通常在l o 2 0 n m 之间。而 每个晶粒的各向异性高达1 0 3 j m 3 的数量级，那么如此大的各向异性如何获得优 异的软磁性能，许多学者针对这一难题在理论上作了深入的研究。 首先，h e r z e r 1 q 提出了有效磁各向异性理论( 该理论建立在a l b e n 的非晶合 金无规磁各向异性模型切基础上) 来解释纳米晶软磁性能。在纳米晶软磁合金中， 存在交换耦合作用，这种作用通过交换耦合长度k 把磁矩方向从一个区域传到 相距几个纳米的另一区域，约束磁矩保持平衡。同时存在一个相关长度8 0 磊= ( 卺 j m ， a 为交换劲度，k u 为单畴晶粒的磁晶各向异性常数。相关长度在纳米晶合金中可 用晶粒直径来表征。它区分了两种状态( 1 ) k 8 0d 6 ，处于交换耦合状态 ( 2 ) 乞 磊，处于交换耦合状态 n 个磁晶各向异性常数为k u 的局域各向异性随机集合的平均各向异性伍) 为 ( 足) = 而k u ( 1 2 ) = m s ， n 为处于交换耦合状态的砭体积范围内的晶粒数，d 为晶粒直径。 交换耦合长度三k 为 k = 黔 ( 1 - 4 ) 由( 卜2 ) 、( 卜3 ) 和( 卜4 ) 式可得平均各向异性常数( 足) ( k ) 丁k u 4 d 6 ( 1 5 ) 第一章绪论 一l e x 一 图卜4 无规各向异性模型”5 j 日 f i g1 - 4r a n d o ma n i s o t r o p ym o d e l 5 5 5 6 】 v e r a 驴 - i 晰k h t ”一 图卜5 理论估算的无规取向a - f e ( a t s i ) 的 q - ( 的值与晶粒尺度的关系5 ”5 】 f i g 1 - 5t h e o r e t i c a le s t i m a t eo ft h ea v e r a g e a n i s o n o p y 够f o rr a n d o m l y o r i e n t e d n - f e ( a t s i ) a saf u n c t i o no f g r a i ns i z ed 5 4 5 5 1 ( 2 ) l 。 磊，处于非交换耦合状态。( k ) = k u 由h e r z e r 的理论可知，由于超过局域各向异性相关长度的交换耦合作用， 使局域磁晶各向异性被平均化，从而降低合金的磁各向异性，从而成功的解释了 为什么细小的晶粒使纳米软磁合金具有如此好的软磁特性。但该理论有明显的缺 陷，即忽略了非晶相的体积分数及磁性能对其宏观各向异性及交换耦合相关长度 等的作用，这不符合实际，优异的软磁性能通常是在晶化体积分数为6 0 8 0 获得的，此时应视为双相体系，即由晶体相和剩余非晶相组成的体系。晶粒间的 交换耦合通过非晶相来完成。 接着，h e r n a n d o 等人【1 8 1 9 1 考虑了残余非晶相的作用，提出了双相纳米晶无 规各向异性唯象模型，指出了晶粒磁矩通过非晶基体来交换耦合，因此交换劲度 彳应替换为倒，y 为耦合参数，表示非晶界面层传递晶粒交换作用的能力 ( o y 1 ) ，在双相系统中，纳米晶合金的宏观各向异性( k ) 。由两部分组成，分 别为结构各向异性足1 和磁弹各向异性k c r ( 1 ) 结构各向异性 对结构各向异性起作用的主要是纳米晶，因而处于交换耦合体积范围内的纳 米晶粒总数为 心( 笥 z 为晶化体积分数，d 为局域各向异性相关长度， 统中的交换耦合相关长度，k 可表示为 1 0 ( 1 - 6 ) 表征晶粒直径。k 为双相系 第一章绪论 l t p = 差= 等 m ， y = e - ( 1 8 ) ：d f 土1 - - d ( 1 - 9 ) k z 其中厶为单相系统中的交换耦合相关长度， 为相邻晶粒表面间距，工。为非晶 相的交换相关长度。由( 卜6 ) ( 卜9 ) 式看出，当z = 1 时，k 与厶相同，因此 h e r n a n d o 理论包含h e r z e r 理论。 由( 卜2 ) 、( 卜6 ) 及( 卜7 ) 式可知结构各向异性常数k 置。掣丢：绰 ( 1 - l o ) a ： y ： 7 ： 其中仁) 为单相系统中的平均各向异性常数。 当不处于耦合状态时，由于对结构各向异性起作用的仅为纳米晶。因而结构 各向异性常数k 为 k + = z u ( 卜1 1 ) ( 2 ) 磁致弹性各向异性k t r 在双相纳米晶合金中，有效磁致伸缩系数五研刎为 移= 斧+ ( 1 一阳 ( 卜1 2 ) 其中p 0 为晶化相的体积分数，斧、五笋分别为晶化相和非晶相的饱和磁致伸缩 系数。其磁弹各向异性常数j r 盯为 肪= 昙罄( 盯) ( 卜1 3 ) ( 盯) 为平均残余应力。 总之，在双相纳米晶无规各向异性唯象模型中，当处于长程应力时，在耦合 状态下，平均各向异性常数为 ( k ) = z 字+ 吾磐( 仃) ( 1 - 1 4 ) 在非耦合状态下，平均各向异性常数为 似) = x k u + 昙譬p ) ( 卜1 5 ) 第一章绪论 1 6 本文的主要研究内容 1 、对非晶( f e o 5 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金进行差热分析，测定d s c 曲线。 以确定其晶化温度，并对比加c o 及不加c o 对晶化温度的影响。 2 、对不同退火条件下的纳米晶薄带进行x r d 分析。通过测定晶格常数、平 均晶粒尺寸及晶化体积分数，确定最佳退火条件下的相成分；通过对比加c o 及 不加c o 试样的晶格常数来比较纳米晶粒中的s i 含量；确定d s c 曲线上表征的各 相成分并结合d s c 曲线来讨论( f e o 5 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金的软磁性能。 3 、通过改变退火温度研究无磁场退火条件下( f e o5 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合 金的静态磁性能。 4 、研究了淬态及不同温度退火后的( f e o 5 c o o5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 合金的有效 磁各向异性，并结合静态磁性和相结构分析有效磁各向异性对合金微观结构的影 响。 5 、研究y ( f e o5 c o o 5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 纳米晶合金的高温磁特性，并对比加 c o 及不加c o 对z 。r 曲线、膨r 曲线和居里温度的影响。 6 、研究y ( f e o 5 c o o 5 ) 7 3 5 c u l m 0 3 s i l 3 5 8 9 非晶合金在不同温度退火后的磁谱曲 线、品质因数及损耗因子等高频磁特性。并对比加c o 及不加c o 对厂曲线的 影响。 第二章实验方法 2 1 样品的制备 第二章实验方法 2 1 1 熔炼母合金 材料中各组成成分的纯度为：f e 为9 9 9 ，c o 为9 9 9 ，c u 为9 9 9 ，m o 为9 9 9 ，s i 为9 9 9 ，b 为9 9 9 。把这些材料放置在真空感应炉中，真空感 应炉的构成为：a 1 2 0 3 坩埚，坩埚外包石棉布，在坩埚和石棉布之间填充珍珠沙， 整个装置在感应线圈中。调整感应炉参数，选用电压为3 0 0 v ，电流为1 5 a ，频 率为3 0 k h z ，感应炉真空度为l 1 0 一p a 。在熔炼过程中适当摇动坩埚，使其均 匀，当熔融的合金变为亮黄色时注入模具中，冷却成母合金锭。 2 1 2 甩带与制环 将母合金锭磨碎放入石英管中，外罩感应线圈，调节石英管管嘴与辊子的间 距至2 m m ，向石英管中充入n 2 气，中频电源调整电压至3 0 0 v ，电流1 5 a ，频 率为3 0 k h z ，合金锭在石英管中成熔融状态，调整辊子转速至5 0 0 0 转分，当溶 液呈亮黄色时，打开气阀并将气压升至2 个大气压，熔融状态的合金液喷射到高 速旋转的辊子上，由于冷却速度极高，约为1 0 5 ，秒，合金来不及晶化而成为非 晶态合金。在大气压下用单辊快淬设备，如图2 - 1 所示，喷制成厚度为3 0 i lm ， 宽度约为1 0 m m 的条带。经x r d 实验检测证明其结构为非晶结构。 图2 - 1 单辊熔体急冷法制各非晶薄带示意图 f i g2 - 1s k e t c hm a po f as i n g l ew h e e lm e l ts p i n n i n gt e c h n i q u ef o ra m o r p h o u sr i b b o n 第二章实验方法 2 1 3 纳米晶合金样品的制备 非晶试样的退火是在炉管与炉膛分体式的管式退火炉中进行的。方法如下： 将非晶条带和由非晶条带绕制成的内径为1 6 3 m m 、外径为2 0 0 r a m 的圆环状试 样放入炉管中，保持真空度为1 x 1 0 。l x l o 2 p a ，当炉膛温度升至规定的退火 温度时，保温3 0 分钟，然后迅速将炉管从炉膛中取出冷却至室温。 2 2 测量装置与测量方法 2 2 1c c 3 型冲击法直流磁特性测量装置 一用途 c c 3 型冲击法直流磁特性测量装置，用在温度1 0 3 5 ，相对湿度由3 0 8 0 的实验条件下。用于测定软磁材料的基本磁化曲线、磁滞回线，从而可测得 材料的矫顽力h c 、剩余磁感应强度b r 、磁导率i l 、最大磁能积( b h ) i l l “；也可用 来测定矫顽办为2 0 0 0 奥斯特以下的高矫顽力合金的退磁曲线，从而可求出矫顽 力h c 。剩余磁感应强度b r 和最大磁能积( b h ) m a x ：也可测定开路样品的矫顽力 h c 等磁性能；并可测定线圈常数；借助辅助设备可测定磁性材料的其它特性。 二测量原理 将环形试样做成合适的尺寸，为了使其内部磁化均匀，要求试样内外径差越 小越好。绕制线圈前用分析天平称出试样的质量m ，然后利用材料的密度p 和平 均半径r ，根据公式： s ：( 2 1 ) 2 # r p 算出截面积s 。绕制前将试样装入薄壁绝缘盒内，以防止紧靠试样绕线时造成内 应力，导致磁性下降。 环形试样上绕有初级和次级线圈，匝数分别为1 ，：。由于次级线圈m 用 来计算磁通量的变化，线圈的截面积应尽量与试样一致，次级线