（材料加工工程专业论文）扁平状fetinisial纳米晶复合材料的微波吸收特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随电子信息技术的快速发展，高频电磁干扰( e m i ) 的危害日益严重。f e s i 灿 合金具有高饱和磁化强度、高磁导率、低磁晶各项异性、接近零的磁致伸缩系数 等性能，兼具介电损耗和磁损耗，是一种有效抑制高频e m i 的材料。但是，高 频下的涡流损耗和趋肤效应限制了f e s i a l 合金的进一步推广应用。 本文采用熔体快淬法制备f e ( t i ，n i ) s i a 1 纳米晶快淬带，通过高能球磨进 行扁平化处理，研究球磨工艺、退火工艺、成分对( f e l x t i 。) 8 5 s i 9 6 a 1 5 4 ( x = 0 ，o 0 0 5 ， 0 0 10 ，o 015 ，0 0 2 0 ) 和f e 8 6 7 3 n 如7 s i 6 a 1 4 ( w t ) 合金微粉微观形貌、相结构、软磁 性能及微波吸收性能的影响。 研究表明：高能球磨快淬带7 0h 可得到扁平化效果非常好的合金微粉，其 纵向直径约为2 0 3g m ，厚度约为8 0 0n n l ，纵横比高达2 5 ：l ，且颗粒粒径分布 均匀。球磨改变了合金微粉的相结构，使有序d 0 3 相随球磨时间的延长逐渐消失。 经后续的退火处理，部分有序相出现，穆斯堡尔谱证实部分有序相为d 0 3 相。 ( f e i 。t i 。) 8 5 s i g 6 a 1 5 4 合金的饱和磁化强度和居里温度都呈现先增大后减小的变化 趋势，当t i 掺杂量x = o 0 10 时，饱和磁化强度最大为1 2 7 5 9e m u g ，居里温度 最高为5 8 0 4 2 。将f e ( t i ) s i a l 退火微粉与环氧树脂、聚酰胺压制成中1 9 函 1 0 3m m 磁环和驴1 9 3m m 圆片复合材料，掺入t i 元素提高了合金的电阻率， 有效地降低高频下的涡流损耗，复合材料的截止频率得到提高，随掺t i 量的增 加，截止频率先增大后减小。在5 9 3m h z 1 8 3g h z 的频率范围内，掺t i 复合材 料的反射系数( 尺7 ) 低于1 0d b ，说明该材料在较宽的频带可以有效地工作。 f e 8 6 7 3 n 幻7 s i 6 a 1 4 需球磨9 0h 才能获得扁平化较好的合金微粉。将退火微粉 与环氧树脂、聚酰胺压制成磁环复合材料的截止频率均高于2g h z ，显示出优异 的高频抗电磁干扰特性。 关键词：电磁干扰；s e n d u s t 合金；高频性能；穆斯堡尔谱；电阻率 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) i nq u a s i - m i c r o w a v ef r e q u e n c yb a n dh a s b e c o m ea ni n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e mb e t w e e ne l e c t r o n i ca n dd i g i t a le q u i p m e n t s d u et ot h er a p i di m p r o v e m e n to fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s e n d u s t a l l o y ( f e - s i - a 1 ) h a sb e e nr e g a r d e da sag o o dc a n d i d a t et os u p p r e s se m ii ng i g a h e r t z f r e q u e n c i e sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n ts o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e ss u c ha sh i g hs a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n ，h i g hp e r m e a b i l i t y , l o wm 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 y , a n dn e a r l yz e r o m a g n e t o s t r i c t i o n h o w e v e r , e d d yc u r r e n tl o s sa n ds k i ne f f e c ti nh i g hf r e q u e n c i e s r e s t r i c ti t sf u r t h e ra p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，n a n o c r y s t a l l i n ef e ( t i ，n i ) - s i - a if l a k yp o w d e r sh a v e b e e n f a b r i c a t e db yh i g h e n e r g yp l a n e t a r ym i l l i n gm e l t - s p u nr i b b o n s e f f e c t so fm i l l i n gt i m e a n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h em i c r o g r a p h s ，p h a s es t r u c t u r e ，s o f tm a g n e t i c p r o p e r t i e sa n dw a v ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so f ( f e l x t i x ) s s s i 9 6 a 1 5 4 ( w t ) ( x20 ，0 0 0 5 ， 0 0 10 ，o 0 15 ，0 0 2 0 ) a n df e s 6 7 3 n i 3 2 7 8 i 6 a 1 4w e r ei n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tah o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fp o w d e rs i z e sw a sa c h i e v e da f t e r m i l l i n gf o r7 0h t h ep o w d e r sw e r en e a r l yo b l a t e ，w i t ha t h i c k n e s so f 8 0 0a ma n da l e n g t ho f 2 0p m t h ec o r r e s p o n d i n ga s p e c tr a t i ow a sa b o u t2 5 ：1 i na d d i t i o n n o a g g l o m e r a t e dp o w d e r sw e r ed e t e c t e da n dn oi n - p l a n ef r a g m e n t a t i o no c c u r r e d b u tt h e d 0 3s t r u c t u r ed i s a p p e a r e dw i t hl o n gm i l l i n gt i m e a f t e rs u b s e q u e n ta n n e a l i n g ，p a r t i a l o r d e r i n gp h a s ea p p e a r e d a c c o r d i n gt om 6 s s b a u e rs p e c t r a ，p a r t i a lo r d e r i n gp h a s ew a s i d e n t i f i e da sd 0 3s t r u c t u r e w h e nt h et ia d d i t i o nxi s o 010 s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n a n dc u r i et e m p e r a t u r ew e r et h eb i g g e s ti na l lf i v es a m p l e s ，w h i c hw a s12 7 5 9e m u g 。 a n d5 8 0 4 2 ，r e s p e c t i v e l y t o r o i d a l ( 吼u t ：19 ，多i n ：10 ，t h i c k n e s s ：3m m ) a n dd i s k ( 咖： 19 ，t h i c k n e s s ：3m m ) m a g n e t i cc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e db yc o m p a c t i n gt h e m a g n e t i cs l u r r ym a d eo fa n n e a l e d ( f e l x t i x ) 8 5 s i 9 6 a 1 5 4p o w d e r sa n de p o x yr e s i n t h e r e s i s t i v i t yo ff e ( t i ) - s i a ia l l o yc o u l db ee n h a n c e da f t e rt ia d d i t i o n ，a sar e s u l t ，e d d y c u r r e n tl o s sc o u l db ee f f e c t i v e l yr e d u c e d ，w h i c he n h a n c e dt h ec u t o f ff r e q u e n c yo f m a g n e t i cc o m p o s i t e s m e a n w h i l e ，c o m p a r e dt ot h et i f r e ec o m p o s i t e s ，r e f l e c t i o nl o s s o ft h et i d o p e dc o m p o s i t e s ( 3m mi nt h i c k n e s s ) w a sl o w e rt h a n 一10d bi nt h e f r e q u e n c yr a n g ef r o m5 9 3m h zt o1 8 3g h z ，i n d i c a t i n gt h a tt h ec o m p o s i t e sc o u l d e f f e c t i v e l yw o r ki naw i d e rf r e q u e n c yb a n d w i d t h i na d d i t i o n ，t h er e l a t i v ec o n t e n to ff ei nt h ea s m i l l e dp o w d e r si n c r e a s e d ，w h i c h v a b s t r a c t 浙江大学硕士学位论文 e n l a r g e d t h em a g n e t o s t r i c t i o nc o e f f i c i e n t n i 、析t 1 1an e g a t i v e m a g n e t o s t r i c t i o n c o e f f i c i e n tw a sa d d e dt oc o m p e n s a t ef o r t h ee n l a r g e m e n to fp o s i t i v em a g n e t o s t r i c t i o n b yf e f l a k yp o w d e r so ff e s 6 7 3 n i 3 2 7 s i 6 a 1 4w e r eg o ta f t e r9 0hm i l l i n gt i m e s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no ff e s 6 7 3 n i 3 2 7 s i 6 a 1 4w a sh i g h e rt h a nt h a to ft h en if r e eo n e m e a n w h i l e ，t h em a g n e t i cc o m p o s i t e sa l s oe x h i b t i e dg o o dw a v ea b s o r p t i o np r o p e r t i e s a th i g h f r e q u e n c i e s k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ；s e n d u s ta l l o y ；h i g h f r e q u e n c y p r o p e r t y ；m i ；s s b a u e rs p e c t r a ；r e s i s t i v i t y v l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： | 硝肜 签字同期：1 户l ，年月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：z 名导师签名： 签字同期：伊i - 年) 月卜同 签字同期：，月 1 、同 浙江大学硕十学位论文 致谢 致谢 本论文是在导师严密教授和罗伟副教授的悉心指导下完成的，衷心地感谢两 位导师三年来给予我的关怀和鼓励。两位导师渊博的学识、严谨的治学态度、敏 锐的科学洞察力和平易宽厚的师长风范，令我深受鼓舞，终生难忘，师恩浩瀚， 永铭于心。在此，谨向严教授和罗伟副教授致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢! 在课题研究工作中，马天宇老师在理论和实验上给予了多方面的指导和帮 助，使我的实验思路清晰，事半功倍，从他那里学到了很多知识和解决问题的技 巧，让我受益匪浅。同时，感谢邬镇泰老师、黄玉珍高工、应窕老师在具体实验 过程中提供的建议和帮助。在此向各位老师致以由衷的谢意! 感谢彭晓领博士、崔熙贵博士、顾浩博士、张晶晶博士、陶姗博士、倪俊杰 博士，特别是师姐许盼盼在实验工作中的支持和帮助。正是由于你们热情的帮助 和学术的引导，才能使我顺利的开展科研工作。 还要感谢实验室与我相伴的每一位同学和朋友：宋小梅、陈先艳、涂少军、 周向志、吴叶仁、童辉、孙莹、贺爱娜、张昌盛、唐名早、许宜民、武敏，张培， 李静等同学。在这个和谐活泼、关心互助的环境里，和大家建立了深厚的友谊， 留下了许多美好的回忆；同时感谢室友田野、杨俊强、宋长霖，三年来大家和睦 相处，亲如手足，这将是我一生中最宝贵的财富。 漫漫求学路，更离不开父母和亲人默默的关爱与付出。多年的殷切期盼和谆 谆教诲时刻激励着我不断进步，正是他们的关爱与支持帮助我克服困难，顺利完 成学业。在此，我要深深地向他们表示感谢! 刘君虎 2 0 10 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电子信息技术的飞速发展，电器、电子设备日益增多，并趋向于小型化、 高频化、低损耗化，电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) i 口- 题也就变得日 益严重和复杂化。 电磁干扰( e m i ) 指有害电磁波使电子元器件的正常运转受到干扰或引起障碍 的现象。i b m 公司对计算机电源故障分析，发现约9 0 的故障起源于电磁干扰。 这种干扰现象无处不在，1 9 6 7 年发生在越南美军基地的事故是e m i 危害最严重 的例子。一艘军舰上的高功率雷达发射的射频能量耦合到导弹的马达驱动电路， 致使马达驱动，将导弹点火并触发其他导弹，致使1 3 4 人死亡，引爆2 7 枚导弹， 损失近2 0 0 亿美元【2 1 。如图1 1 为电子元器件内部的电磁干扰。 采，；穿fl ：扰 图1 1 电子元器件内部的电磁干扰 f i g 1 1e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei ne l e c t r o n i cc o m p o n e n t s 电磁干扰不仅会造成经济损失，同时也会严重影响人类的身体健康。例如过 量的中短波会使人的中枢神经功能失调，超短波或者微波会使人呼吸困难、心律 加快，对视网膜、心血管等系统也有一定的危害等等。如图1 2 为电磁波辐射对 人体的危害。 第章绪论 浙江大学顷学位论立 囤1 2 电磁波辐射对人体的危害 f i b1 2 d a m a g e o f e l e e t r o m a g n e t i c w a v er a d i a t i o n o bh u m a nb o d y 自1 9 9 6 年起，欧洲联合会规定所有电子产品上必须贴有 c e ”标志，否则不 能出厂交易。电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y , e m c ) 是指设备或者系统不 因为受到处于相同电磁环境中的其他设备的电磁发射而导致不能承受的阵级，也 不会使相同电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不能承受的降级1 3 ， 我国是1 9 6 4 年开始关注e m c 问题，1 9 8 3 年发布第一个电磁兼容标准 ( g b 3 9 0 7 1 9 8 3 ) ，把电磁兼容问题提到议事日程上”l 。电磁兼容e m c 有两方面的 要求1 6 1 ：一是设备要具有一定的抗干扰能力，保证其正常运转：二是产生的电磁 干扰应控制在某一水平以下，对同一电磁环境中的其他事物够不成干扰威胁 电磁干扰效应普遍存在，不仅严重阻碍了现代电子技术的发展，而且还对人 体造成极大的危害，因此，非常有必要研究出能够有效抻制电磁干扰的材料，为 人类服务。 1 2 抗e m i 材料 屏蔽、接地和滤波】_ j 是抗e m i 的三大技术，目前广泛应用干抗e m i 的材料 主要可分为屏蔽材料和吸渡材料。 吸渡材料是一种重要的军事隐身功能材料，同时也是重要的抗电磁干扰材 料。其基本物理原理：对入射电磁波进行有效吸收，将电磁渡能量转化为热能或 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 其他形式的能量而消耗掉【1 0 】。这类材料应具备两个特性：波阻抗匹配性、衰减特 性。波阻抗匹配特性是指入射电磁波在材料介质表面的反射系数最小，使绝大部 分电磁波都能进入吸波材料内部；衰减特性是指进入材料内部的电磁波能够被迅 速吸收。吸波材料按照吸波损耗机理可分为电阻型、电介质型和磁介质型，如表 1 1 所示。 表1 1 不同类型吸波材料的特点 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sa b s o r b i n gm a t e r i a l s 目前，研究较多的磁性吸波材料主要是铁氧体系列、纳米晶软磁系列材料。 铁氧体系列材料的制备工艺发展成熟1 ，在e m i 滤波器的市场中占主导地位。 但传统铁氧体材料受到s n o k e 极限的限制1 1 引，很难应用到g h z 频段；另外，受 重量、体积的限制，吸收频带不够宽且难于做成复杂形状，难于适应高频化、小 型化的发展需求。而金属磁性材料具有高饱和磁化强度、低矫顽力、高居里温度、 高磁导率的特点，有利于在高频下使用。但传统f e 基软磁合金电阻率低导致涡 流损耗大、趋肤效应明显。日本科研人员从磁性薄膜、电介质薄膜的交替叠层结 构入手，设计出扁平状合金微粉用于抗e m i ，其设计思想演变如图1 3 所示【乃1 4 i 。 交替结构可有效抑制涡流、消除闭合磁畴，但内部的静电电容导致位移电流的出 现，若将其分割成柱状，静电电容可忽略，但受成本和制作工艺限制，难于工业 化生产。日本科研人员用厚度低于趋肤深度且纵横较大的扁平状粉末代替磁性薄 膜，扁平粉末之间用聚合物隔离，成本低廉，能实现批量生产，高频性能比较好。 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 磁性层 介履层 蕾性层 介厦甚 j 刚蚓 o _ o _ ，o - _ o 皂召留 j 分嗣 圆圆 巨蛰隆罾 图1 3 扁平磁性金属粉材料设计思想演变1 3 ，1 4 1 f i g 1 3e v o l v e m e n to ff l a tm a g n e t i cm e t a lp o w d e rm a t e r i a l sd e s i g ni d e a 很多科研人员 15 - 2 5 1 做了大量的工作，分别研究了球形铁粉和薄片状铁粉、不 同球磨时间后的铁粉、f e 、c o 、n i 金属及合金的颗粒形状和大小对高频磁导率 和共振峰的影响。可以发现，扁平状的金属微粉或合金微粉具有高的磁导率，良 好的高频特性，适合做抗e m i 材料。 1 3 高频磁谱特征和e e t 理论 1 3 1 复数磁导率 各向同性的铁磁材料在交变磁场作用下，受到各种阻尼作用，从而阻碍磁矩 的运动，进而导致磁感应强度b 落后于交变磁场日某一相位角占，称此相位角6 为损耗角。振幅为h m 、圆频率为的外加交变磁场的复数形式可表示f 2 6 2 7 l 为： = h 。e 俐 1 1 那么磁感应强度b 为： b = e ，e 删筇 1 2 复数磁导率族磁感应强度b 与外加磁场h 的比值，即为： 2 者2 击e - t j f l p - - 枷” 1 3“= = l z j p 口h“a hm j 其实部和虚部分别为： “，：上l c o s 0 1 4 “= j l j “o hm 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ：l s i n 8 1 5 。 p o h m 复数磁导率实部相当于静态磁化时的磁导率，代表单位体积铁磁体在动态磁化 过程中的磁能储存量，大小为i 1 风曰：；复数磁导率虚部也叫粘滞性磁导率， 代表单位体积的铁磁体在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗，大小为矾q 。 1 3 2 复数介电常数 有些铁磁体不仅是铁磁性材料，而且还是介电材料。铁磁材料在外加交变电 场作用下，受到各种阻尼作用，从而阻碍了电偶极矩的运动，使得电位移矢量d 落后于外加交变电场e 一定的相位角函称为介电损耗角。振幅为厶，频率为缈 的外加交变电场的复数形式【2 6 ，2 7 1 为： e = e m e 1 6 那么电位移矢量d 表示为： d = 巩p 懈一万 1 7 复数介电常数是电位移矢量d 和外加交变电场e 的比值，即为： 其实部和虚部可分别表示为： s ：旦：旦p 哪= 6 - i c # 1 8 占o e8 0 e m f ，：生c o s 万 s o e m 占一：生s i n 万1 1 0 s o e m 与复数磁导率一样，复数介电常数的实部是与铁磁介电体内储藏的电能相联 系的，而虚部则是与铁磁介电体的介电损耗功率尸相联系： ：三s 或 1 i i 2 ”川 p ：i i 功s 。占e 。2 1 1 2 2 ”。 1 3 3 低频弱场区的磁损耗 低频弱场下，材料的磁损耗 2 6 2 7 1 主要包括磁滞损耗w e 、涡流损耗及剩 余损耗三种。 第一章绪论浙江大学硕十学位论文 1 、涡流呈闭合旋涡状，不能同导线中的电流一样输出， 造成能量损耗，即涡流损耗，可用下式表示： 呒= 2 b ：p 式中：a 为常数，p 为电阻率，d 为材料厚度。 只能使磁粉芯发热 1 1 3 涡流损耗与交变磁场频率厂成正比，与厚度d 成正比，与电阻率p 成反比。 降低材料厚度和提高材料的电阻率是减小涡流损耗的有效方法。 2 、因存在磁滞现象而产生的功率损耗称为磁滞损耗，磁滞回线的面积在数 值上和磁化一周的磁滞损耗相等。减小材料矫顽力是降低磁滞损耗的最好途径。 3 、剩余损耗指除涡流损耗和磁滞损耗以外的损耗。低频下，剩余损耗主要 是磁后效损耗；高频下，主要是尺寸共振、畴壁共振和自然共振引起的损耗。减 少扩散离子浓度和控制产品的成分、制备工艺是降低材料剩余损耗的主要方法。 1 3 4 高频弱场区的磁损耗 在高频段使用的材料具有较高的电阻率，该区主要的损耗机制2 6 ，2 7 1 是自然 共振和畴壁共振。无外加稳恒磁场发生的共振现象即自然共振，截止频率为： f ：丝：丝 1 1 4 “ 2 1 r2 z r 自然共振频率只取决于铁磁材料的各向异性等效场。当外加磁场频率和畴壁 振动的固有频率相等时发生的共振即为畴壁共振，其可分为弛豫型和共振型，共 振型共振：实部为零，虚部达到极大值，与杂质、空隙的分布以及邻近格 点的电子间交换积分常数有关；弛豫型共振：虚部”达到最大值，下降到7 厂 d 的一半，与杂质、空隙的分布以及邻近格点的电子问交换积分常数有关、磁晶各 向异性、电阻率和饱和磁化强度有关。 1 3 5 磁谱曲线 磁谱曲线f 2 6 _ 2 7 1 是铁磁体的复数磁导率实部和虚部随频率的变化曲线， 反映材料在不同频率下的磁特性。 根据铁磁材料在不同频率范围内的磁特性可划分为五个区，如图1 4 ： l 、低频区( ， 1 0 1 0h z ) 该区与软磁无关，是自然交换共振区域，实验研 究不多。 ” 图1 4 铁磁材料典型的磁谱曲线1 2 6 , 2 7 f i g 1 4t y p i c a lm a g n e t i cs p e c t r u mc u r y e so ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l s 苁h z ) 材料的截止频率是 - 3 实部降到原来一半或者虚部”达到最大值的时候 所对应的频率，表征铁磁材料所能够正常使用的最大频率，截止频率越高，铁磁 材料越能在高频段有效地工作。 1 3 6e e t 理论 e e t 理论例即固体与分子经验电子理论，建立在量子力学、p a u l i n g 理论0 2 9 1 、 能带理论的基础上。以下是该理论的四个假设： 1 固体和分子中的每个原子都由两种原子状态杂化而成，即h 态和，态。两个 态都有自己的共价电子数咖，各个元素至少在一种杂化态中有一个态处于 基态或靠近基态的激发态。在金属元素中，至少有一个态含有晶格电子( 咒，) ， 在共价和含部分离子性的共价结构中的组成原子总有相应的单键半径月( ，) 。 2 状态杂化一般是不连续的，设c ，代表了f 态在杂化状态中的成分，则在大 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 部分结构中，c f 可表示为： c ，= l ( 1 + k 2 ) 1 1 5 式中：k 表示h 和f 态中s ，p ，d 的共价与晶格电子数函数。 3 除完全离子性晶体( 如氯化钠) 外，总会有共价电子对存在于结构中两个 相近原子u 和，之间，用嘞表示电子对对数，两原子之间的距离即共价键 距用d 肼( 心口) 表征，根据鲍林理论表示为： 见，( 门。) = r ( ，) + r ，( ，) 一f l l g g 1 1 6 4 对b 族元素、过渡金属以及g a 、i n 、t i 的固体中，原子有部分外层d 电子 在空间扩展，使它对共价键距的影响等效于最外层的s 或p 电子的作用； 对于c u 、a g 和a u ，p 价电子取向混乱分布于不同的单胞中，以致其平均 效果与s 电子等效。但所有等效电子在对结合能的贡献上总保持原有特性。 在此基础上，分别用g 和c ，表示某原子杂化台阶中h 和t 态的成分，即： c ，= 1 ( 1 + k 2 )g = l c f 1 1 7 对h 态，k = ，c f = 0 ，g = 1 ；，态，k = 0 ，c ，= 1 ，g = o ；对中间不连续杂 化台阶，从量子力学的角度推导得出 3 0 - 3 2 1 k ：旦盟丝卑垫 1 1 8 、1 5 l h + s m h + 3 n h0 l t + 一m t + j n l 1 、m 、n 分别为s ，p ，d 共价电子的晶格电子数。把由上式得到的k 值和k = 0 0 ， 0 按照递增的顺序排成台阶，、n 。、心( ，) 分别表示第。杂阶的晶格电子， 共价电子，总电子数目和单键半距，可有下列方程得到： 吩，= ( 1 一吒) 厶g ，+ ( 1 一r , ) l t c , ， 1 1 9 船。= ( f 厶+ m + n h ) g 。+ ( t + ，珥+ ) c ? 盯 1 2 0 = ( 厶+ m h + n h ) g 。+ ( + m ，+ ) ( 1 ，。 1 2 1 心( ，) = r h ( ，) g 。+ 局( ) g 。 1 2 2 g 。= 1 一c ，。 1 2 3 根据式1 1 6 可得出理论间距和实验间距，差值符合以“0 0 0 5 0n m ，即键距差 ( b l d ) 方法，被广泛地应用于研究固溶体，相变及材料的熔点、电导率、光学性 质、磁学性质等物理性质。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4f e s i a i 合金 f e s i 一灿合金是2 0 世纪三十年代在日本仙台被开发出来的，所以被命名为 仙台斯特( s e n d u s t ) 合金。当成分在f e 8 5 s i 9 1 5 4 ( w t ) 时，该合金磁致伸缩系 数五和磁品各向异性常数k 几乎同时趋近于零，从而使得s e n d u g 合金具有高的 起始磁导率和低矫顽力，具有优良的软磁性能。同时，原料便宜易得，而且电阻 率高、耐磨性好，因此是作为磁头磁芯的理想材料【3 3 1 。在弱磁场中，s e n d u s t 合 金与高镍坡莫合金一样都具有高的磁导率，而其饱和磁感应强度( b ) 、电阻率 ( p ) 、硬度值h v 更高，与坡莫合金、m n z n 铁氧体这几种磁头材料的性能对比 如下表所剩3 4 j 。 表1 2 几种磁头材料的特征值3 4 】 t a b l e1 2e i g e n v a l u e so f v a r i o u sm a g n e t i ch e a dm a t e r i a l s 特性值 高n i 坡莫 合金 高b 。坡莫合 金 m n z n f e s i a l 合金 锘氧筋 一 “。( 0 3 k h z ) ， 2 5 ( 2 0 0 0 0 )2 5 ( 2 0 0 0 0 ) 10 ( 8 0 0 0 ) 2 7 5 ( 2 2 0 0 0 ) m h m ( g s o e ) 】 。 b i o ( t ) h e ( a m ) ( q c m ) 兀( ) 密度d ( g c m 3 ) 膨胀系数( 1 0 6 * c ) o 7 2 0 芝5 5 2 3 4 0 8 7 5 o 8 2 3 6 5 3 5 0 8 7 5 0 5 0 3 2 2 1 0 6 18 5 5 1 0 8 9 2 0 1 1 0 4 5 0 6 9 1 h v 1 0 0 12 86 5 05 5 0 1 4 1f e s i a l 合金相结构与磁性能 f e - s i - a l 合金主要有两种相结构分别是：无序b c c ( o t f e ) 结构和有序 d 0 3 ( f e 3 ( s i ，a 1 ) ) 结构。图1 5 是这两种不同相结构的示意图。其中无序的0 【一f e 结 9 第一章绪论 浙江大学硕学位论文 构是由f e 、s i 、a 1 三种原子随机占据品格中的点阵位置，形成晶体b c c 点阵 而有序的d 0 3 结构则是由八个体心单元构成的，a i 、s i 占据位于对角位置上的4 个b c c 单胞的体心位置而形成的，是一种起点阵结构mt a k a h a 出等人 3 4 研究表明，从结构角度出发，有序d 0 3 相的形成更有利于获得优越的软碰性能。 鳓 酒 i ：二p 黑婶 o 0 蛩。 栩) ：b c c 结构( b ) ：d 以结构：为a i 或s i 原子 图1 5f e - s i - a i 台金两种典型的相结构 f i g1 5 t w ok i n d so f 竹p i c a lp h a 跎s t 皿c t u r e $ o f f e - s i - a ia l i o y 围i6 是f e s - a l 单晶材料的磁性能随着成分的变化示意图【” 。 “ 曼黧 衙1 6 磁性能臆成分的变化圈m i f i g1 6 v a r i a t i o n so f m a g n e t i cp r o p e r t i e s w i t hd i f f e r e n tc o m p o n e n t s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 f e s i a l 性能对成分变化相当敏感，其磁致伸缩系数九和磁晶各向异性常数k 随成分的改变会发生迅速的改变，进而造成合金性能发生很大的变化。随材料成 分改变，玖l = o ( k l = 0 时的温度) 发生显著改变。当合金成分为f e s 5 7 s i 7 5 a 1 6 8 ( w t ) 时，t k z = o 为2 0 0 ；而当合金成分为f e s 4 2 s i l i a l 4 8 时，砭l 卸为1 4 0 。图中 重合阴影部分便是标准成分( f e 8 5 s i 9 6 a 1 5 4 ) ，该区特点是：磁晶各向异性常数k l 和磁致伸缩系数九。同时趋于零，且初始磁导率在2 0 0 0 0 到3 0 0 0 0 之间达到最大值， 其最大磁导率在此成分点可以达到1 0 0 0 0 0 。 1 4 2f e s i a l 合金研究现状 s e n d u s t 合金硬度很大，耐磨性较好，价格低廉，适合用作磁头材料，但质 地太脆不易冷加工。随高密度磁记录和视频磁记录技术的发展，s e n d u s t 合金倍 受关注，制备技术得到很大发展 3 8 - 4 2 】。为改善s e n d u s t 的加工性能、耐蚀性等， 通过添加微量稀土元素或其他元素，产生较多性能很好的牌号。 二十世纪七十年代初开发了成分为f e s 6 7 3 n i 3 2 7 s i 6 a 1 4 ( w t ) 的s u p e r - s e n d u s t 合金，利用温轧的方法可以得到厚o 2m m 的薄带，与含钼的高镍坡莫合金的高 频性能相当，并且用它来装配的磁头磨耗几乎为零1 4 3 1 。 上世纪九十年代末，日本东北大学y o s h i d a l 4 4 】等人制备f e 8 5 9 s 幻a 1 5 4 ( w t ) 的雾化粉，将球磨制得的扁平粉与有机聚合物均匀混合可制得磁浆，用刮刀法涂 附在基底制成复合材料，频谱曲线如图1 7 。 ： 五 k 乱 1 0 10 010 0 0 乒r e q u e n c y ( m h z ) 图1 7 磁导率随球磨时间的变化曲线 f i g 1 7p e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sw i t hd i f f e r e n tm i l l i n gt i m e s 眦时附 o s 5 5 0 卜2 2 o o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 1 1 1 1 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 磁导率的虚部7 ，在1 0m h z 1 0 0 0m h z 之间会出现两个峰，使磁导率在较宽 的频率范围内都能保持比较高的值，所以此类复合材料具有良好的抗电磁干扰特 性。随后，他们采用x p s 、穆斯堡尔谱等方法进一步研究双峰现象 4 5 - 4 6 1 ，认为 1 0 0m h z 处的第一个峰是由于高能球磨后形成的纵横比较大的片状结构所引起 的形状各向异性所致，而1g h z 附近的第二个峰与接近表面层的成分变化所引 起的磁致伸缩变化相关。此外，球磨处理会使得合金微粉表面的a 1 和s i 发生部 分氧化，从而使得微粉内部f e 的相对含量增加，进而会使材料的居里温度升高。 y a n a g i m o t o 等人【4 。7 】研究了s i ，a l 含量对气雾法制得的s e n d u s t 合金粉的磁导率 和损耗温度变化的影响。当s i 含量由9 6w t 减小到7 9 8 9w t ，损耗的温 度系数从正数变为负数，但软磁性能基本上不变化，最佳成分点为f e 8 5 2 s i 8 8 a 1 6 ( w t ) ，在1 0 0 时该成分材料的损耗为2 4 0k w m 3 ，约为常规s e n d u s t 合金材 料的二分之一，主要由于磁致伸缩系数五所导致的，此时的允正好为0 。h o n o 等 人【4 8 】研究发现，扁平状的合金微粉和有机聚合物所组成的叠层结构，在外加磁场 的作用下，其抗电磁干扰作用会有所增强。b z u o 等人【4 9 1 利用机械合金化法制 备f e 9 0 s i j 0 、f e 7 5 s i 2 5 和f e 7 5 s i l 5 a l i o 合金微粉，研究了球磨和后续退火对微粉相结 构，平均晶粒尺寸，平均内应变和品格常数的影响，并计算出不同工艺下材料的 长程有序度参数( l r o ) ，发现该参数随退火温度的升高而升高，说明退火后材料 的有序度得到了提高。同时，k a k i t a 等人【50 1 也用机械合金化法制备了 f e 7 5 s i l 5 a l l o 合金粉末研究了后续的退火对形成有序d 0 3 相的影响，认为在7 0 0 下退火4h 取得最佳效果。u l l a h 等人f 5 l 】用磁控溅射法制得s e n d u s t 薄膜。发现， 退火处理后的薄膜具有有序的d 0 3 相结构，且晶粒沿着薄膜生长方向呈柱状。 s u n gj a el e e 等人1 5 2 1 研究了退火温度对f e s i a l 合金粉末与聚合物的复合材料的 电磁吸收特性的影响。由球磨造成的品格应变随退火温度的升高而显著降低，7 0 0 下基本上消除，该复合材料在g h z 频段具有高的电磁吸收特性。c h e n 等人| 5 3 j 用n 2 反应溅射法制备f e s i a 1 薄膜，发现掺入n 后，薄膜的晶粒尺寸从2 0 0n m 减小到2 0l i r a ，大小在交换耦合作用距离以下，所以随品粒尺寸的减小，矫顽力 有所下降，软磁性能得到提高。l e e 等人p4 】将球磨制备的f e 8 5 s i 9 5 a 1 5 5 片状颗粒 同橡胶混合制成复合薄片，涂敷一层石墨炭黑和树脂，调节厚度来控制表层电 阻率。用矢量网络分析仪研究复合涂层的反射系数和透射系数，发现由磁性复合 层和导电复合物组成的材料在g h z 频段具有很高吸收特性。 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 国内，梁迪飞等人【5 5 】研究s i 含量对f e s i 舢合金的有序度和电磁特性的影 响。有序化使得合金中f e 原子的磁畴有所降低，比饱和磁化强度、复介电常数 和磁导率都随s i 含量的增加而降低，为了能够较好的应用于抗电磁干扰，f e s i 础 合金中的s i 和舢含量都应该控制在一个较低的水平。邵远志等人f 5 6 】利用硼微合 金化法制得s e n d u s t 合金快淬带，并把硼含量控制在0 - 2 0 0 0p p m 。因微量硼元素 的添加导致合金成分与标准成分点发生微小偏移，所以硼微化制得的s e n d u s t 合 金同样具有优异的软磁性能。室温下，具有d 0 3 相的f e 3 ( s i ，a 1 ) 内禀脆性严重， 因硼原子半径较小，取代f e 3 ( s i ，a 1 ) i 均间隙位，这将会引起超点阵结构中的近邻 原子对发生改变。这种微环境的变化将会降低d 0 3 的长程有序，从而降低材料的 脆性，改善了材料的加工性能。当硼含量为1 5 0p p m 时，获得的性能最佳。冯则 坤等人1 5 7 - 6o l ，利用机械合金化法制备纳米晶f e s i a l 合金微粉，实现合金化、扁 平化一次完成，利用网络矢量分析仪分析2 1 8g h z 频段内球磨时间对电磁特性 的影响。另外，还研究了c r 取代s e n d u s t 合金中的部分s i ，可以改善材料的塑 性，使整个合金体系更有利于进行扁平化处理，从而使得f e s i a 1 c