铁基纳米晶软磁合金的研究
第22卷 第3期Vol 122 No 13
材 料 科 学 与 工 程 学 报
Journal of Materials Science &Engineering
总第89期Jun.2004
文章编号:1004-793X (2004)03-0461-05
收稿日期:2003-09-05;修订日期:2003-11-19
基金项目:上海市科委纳米专项基金资助项目(0252n m054)
作者简介:陆伟(1981-),男,工学硕士。E -mail :lu wi s1981@yahoo.c https://www.360docs.net/doc/c37895212.html,
铁基纳米晶软磁合金的研究
陆 伟,严 彪
(同济大学材料学院,上海市金属功能材料开发应用重点实验室,上海 200092)
=摘 要> 本文主要评述了铁基纳米晶软磁合金的晶化过程、组织结构及其与磁性能之间的关系,分析了优异磁性能的起源,并详细论述了解释其优异磁性能的各向异性模型,提出了目前在该模型上存在的问题。此外,还介绍了纳米晶软磁材料的制备方法,并在最后对纳米晶软磁材料的应用及发展趋势作了展望。
=关键词> 纳米晶软磁材料;铁基合金;磁性能;各向异性模型
中图分类号:TM271+12 文献标识码:A
Research of Fe -based Nanocrystalline Soft magnetic Materials
LU Wei,YAN Biao
(School of Marterial Scie.and Engi.,Tongji Univ.,Shanghai Key Lab.of A &D of
Functional Metallic Mater.,Shanghai 200092,C hina)
=Abstract > The crystal process,structure and the relationship between structure and magnetic properties of Fe -based nanocrystalline soft magnetic alloy are discussed in this paper.We also analyse the resource of its excellent soft magnetic properties.And we give a detailed discussion on the anisotropy models which explain the excellent soft magnetic properties.Some problems about these models are brought out.In addition,the preparation,application and developing trends are prospected.
=Key w ords > nanocrystalline soft magnetic materials;Fe -based alloys;magnetic properties;anisotropy model
1 前 言
1988年日本的Yoshizawa 等人首先发现,在Fe -S-i B 非晶合金的基体中加入少量Cu 和M (M =Nb,Ta,Mo,W 等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc 结构的超细晶粒(D 约10nm)软磁合金[1]。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良,这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe 7315Cu 1Nb 3Si 1315B 9,牌号为Finemet 。其后,Suzuki 等人又开发出了Fe -M -B(M =Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm 系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe 基、Co 基、Ni 基[2]。由于Co 基和Ni 基不易于形成K 、K s 同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。故本文主要评述铁基纳米晶软磁合金,包括其制备方法、结构与性能的关系,尤其对晶化过程和优异磁性能的起因做了较为详细的评述,并对其应用及发展趋势做了展望。
2 铁基纳米晶软磁合金的制备方法
纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金[3~5]。
3 纳米晶软磁合金的结构与性能
311 合金的成份
纳米晶软磁合金的典型成份为Fe 7315Cu 1Nb 3Si 1315B 9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类:(1)铁磁性元素:Fe 、Co 、Ni 。由于Fe 基合金具有高Bs 的优势,且纳米晶合金可以实现K 和K s 同时为零,因而使L 值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课
题。
(2)非晶形成元素:主要有Si 、B 、P 、C 等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B 对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si 也是重要的非晶化元素,通常含量在6at%以上。含Si 量过高将使Bs 降低,含Si 量过低则不易形成非晶因而形成纳米晶较难;Si 还往往是纳米晶主相Fe -Si(A -Fe)的基本构成元素。(3)纳米晶形成元素,主要包括两类:一类是Cu 、Ag 、Au 及其替代元素,如Ib 族元素和Pt 系贵金属元素。这些金属在Fe 中的固溶度小或基本不固溶于Fe,晶化时首先与Fe 分离,造成该金属元素的富相区,起A -Fe 的形核作用。第二类是Nb 、Mo 、W 及其替代元素,如IVb 、Vb 、VIb 族元素等。这类元素的主要作用是扩散缓慢,阻止A -Fe 晶粒长大,从而保证晶粒的纳米尺寸,同时对降低K s 、扩大热处理温区、改善脆性和工艺性能有益,Cr 对耐腐蚀性也有明显作用。
图1显示了在823K 下退火112ks 的Fe 7315Cu 1M 3Si 1315B 9纳米晶合金的不同纳米晶形成元素与晶粒尺寸的关系,从中可以看出横坐标从Cu 到Mn 元素主要促进纳米晶的长大,而Zr 到W
元素起到抑制晶粒长大的作用。
图1 Fe 7315Cu 1M 3Si 1315B 9合金的平均晶粒尺寸D 与元素M 的关系
(4)调整元素,是根据特种需要而添加的少量元素,如
Ru 等,常用于磁头材料。
312 相结构与纳米晶晶化
31211 FINEME T 合金 纳米晶FeCuNbSiB 软磁合金主要是由A -Fe(Si)相和剩余非晶相组成。其中A -Fe(Si)晶粒尺寸约10~20nm,均匀分布在非晶合金的基体上。Fe -M -B(M=Zr,Hf,Nb 等)系纳米晶软磁合金也具有类似的结构特征[6~8]。
不少材料物理学者用高倍电镜、X -R 衍射仪、原子探针等现代分析仪器对Finemet 合金进行了研究,并有不少报道[9,10]。其显微结构如图2所示:(1)非晶态FeCuNbSiB 合金经晶化处理后,析出10~15nm 的体心立方(bcc)结构的A -Fe(Si)固溶体纳米晶,弥散分布在剩余相中,A -Fe(Si)相约占70%的体积分数,A -Fe(Si)相中含Si 约20at%,少量B,微量Cu 、Nb,且纳米晶取向无规;(2)剩余相是非晶相,含富
Nb 、B,少量Fe 、Si(Fe 3Si 、Fe 2B 4、Fe 2B);(3)剩余相还有几个
纳米粒径的Cu 原子团,还含少量Fe<30at%。
图2 FeCuNbSiB 非晶合金晶化处理后的结构
大量研究表明,Cu 、Nb 元素是Fi nemet 纳米晶形成的关键元素[11,12]
。在非晶晶化过程中,由于Cu 在Fe 中的固溶度很小,故在退火过程中,较低温度时Cu 与Fe 趋于分离形成富Cu 区、富Nb 区和富Fe 区。由于富Fe 区的A -Fe(Si)相晶化温度低,因而优先形核,而环绕A -Fe(Si)固溶体晶粒周围的富Cu 区和富Nb 区由于他们的晶化温度高难于晶化,从而阻碍了A -Fe(Si)固溶体晶粒的长大,使其具有均匀细小纳米晶结构而有较好的热稳定性。Cu 的加入使得A -Fe (Si)固溶体晶化温度大为降低,避免在退火中A -Fe(Si)晶体与Fe -B 化合物晶体同时析出。这一A -Fe(Si)晶化过程反复在FeCu NbSiB 系非晶的各处进行,最终形成纳米晶软磁结构。
Hono 等人[13]利用APFIM 和HRTEM 对550e 退火处理Fe 7315Si 1315Cu 1Nb 3B 9的研究表明,在550e 退火初期,通过非晶相中Spinodal 分解或形核,形成了含Cu 约20at%的细小纳米原子团,引起了Fe 的浓度起伏,增加了晶体形核密度。一旦A -FeSi 相形核,Nb 、B 就被排出到非晶相中。随着退火的进行,A -FeSi 长大,Si 增加,Cu 原子团中Cu 的浓度也在增大。由于Nb 、B 在非晶相中起到稳定作用,阻止了A -FeSi 晶粒的继续长大。在最佳晶化状态下,体系中共存在三个不同的相:第一相是bcc 结构的A -Fe (Si),其中包含有约20at%Si,少量的B,不含Cu 和Nb;第二相是剩余母体非晶相,其中含10~15at%的Nb 和B,5at%左右的Si,不含Cu;第三相是富Cu 颗粒,含Cu 约60at%,分别都少于5at%的Si 、Nb 和B,其余为Fe,尺寸约5nm 。富Cu 颗粒在室温下显顺磁性,但是由于其尺寸与畴壁厚相比太小,并不对体系的软磁性能产生不利影响。
Koster 研究了FeCuNbSiB 系非晶晶化动力学,认为A -Fe (Si)固溶体晶粒长大为Nb 扩散控制过程[14]。在FeCu NbSiB 系非晶中,Nb 的原子尺寸最大,而且在非晶中的扩散跃迁机制为原子的协同运动方式,即运动过程涉及的原子较多,扩散较为缓慢,因而使A -Fe(Si)固溶体晶粒长大速度较低,保持细小晶粒尺寸。由于A -Fe(Si)晶体自非晶中析出,则在非晶中发生Nb 、B 富集[14]。如果把富集的Nb 、B 原子团
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材料科学与工程学报
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看作是相变中的第二相,则Nb-B原子团将对界面迁移产主钉扎作用,从而起到阻止晶粒进一步长大的作用。
31212NANOPERM合金Suzuki[15~17]等研究了Fe
86
Zr
7B
6
Cu
1
非晶合金的晶化过程及其微观结构,研究表明
NANOPER M合金由10nm的BCC-Fe相组成,并观察到如下的晶化过程:
非晶y A-Fe+非晶(687e)y A-Fe+Fe3Zr+X(747e)y A-Fe
+Fe
3Zr+Fe
2
Zr+ZrB
2
(877e)
其中X表示未知相。Suzuki还研究了B元素在晶化过程中的作用,结果表明B有细化A-Fe相晶粒尺寸的作用[18]。此外,Bitoh等[19]在NANOPERM合金中用T i、V、Cr以及Mn部分替代Fe,结果发现它们都提高了合金的初始晶化温度,其中Mn>Cr>V>T i。
张瑗等[20]研究了Fe-Zr-B纳米晶合金晶化机理,发现非晶中A-Fe相的结晶是通过形核一长大方式进行的。合金中存在中程有序畴。在形核成长阶段,观察到Zr在成长中的A-Fe晶粒前沿富集,表明A-Fe晶粒的长大受Zr的扩散所致。
31213HITPER M合金Willard等[21,22]研究了Fe
44Co
44
Zr
7B
4
Cu
1
合金的晶化,观察到了两步晶化过程:
非晶y A c-FeCo+非晶y A c-FeCo+(Fe,Co)3Zr
其中初始晶化温度Tx
1=510e,二次晶化温度Tx
2
=700e,
分别对应于A c-FeCo相和(Fe,Co)3Zr相。
Iwanabe等[23]利用TEM观察了(Fe,Co)
88Hf
7
B
4
Cu
1
的晶
化过程:其第一步晶化与Willard研究的结果一致,但是二次晶化所得的产物与Willard的结果不同,主要为A c-
FeCo、(Fe,Co)
2Hf,并首次观察到了(Fe,Co)
23
Hf
6
纳米晶相
的存在。
313软磁合金的磁特性
31311A-Fe相与磁性能的关系A-Fe相是铁基纳米晶软磁材料体系中非常重要的部分。由于A-Fe相的存在,使材料的许多磁性能发生了很大改变。Turtelli等人[24]研究了Fe7315Si1315Cu1Nb3B9中A-Fe相与磁性能的关系,得出了A-Fe
相与体系K
s (T)和J
s
(T)的关系:
K s(T)=V FeSi#K FeSi s#(1-T P T Fe Si c)C+
(1-V
FeSi )#K am
s
#(1-T P T am
c
)C
a m
J s (T)=V
FeSi
#J FeSi
#(1-T P T FeSi
c
)B+
(1-V
FeSi
)#J am
#(1-T P T am
c
)B
a m
其中V
FeSi
)))A-Fe(St)纳米颗粒的体积分数;FeSi)))A-Fe (Si)相;A m)))非晶母体。
一般地,当FeSi相成份为Fe
80Si
20
时,临界指数C=
1138,B=0123。
31312纳文颗粒尺寸D对性能的影响文献[25]研究了
Fe
7315Si
1315
Cu
1
Nb
3
B
9
非晶带在500e~900e间退火处理得到
的一系列含有10nm~300nm晶粒的晶化样品。在10nm晶粒样品中可得到优异的软磁性能(Hc=0102A P cm,L
i
=8@ 104)。随着晶粒直径D增加,Hc按D6急剧上升(到150nm 为止),此时Hc达到最大值(Hc=30A P cm)。然后在D> 150nm时按1P D下降。L i也发现有相似的行为,本质上与Hc成反比。Suzuki[26]研究发现Fe-Zr-B系合金的Hc不同于Finemet合金,其与D3成正比例关系。
31313退火对磁性能的影响退火是制备纳米晶软磁材料的重要步骤之一,退火工艺对纳米晶软磁材料的磁性能有着重要的影响。
文献[27]研究了快速退火对Fe83B9Nb7Cu1纳米晶超薄
带磁性能的影响,结果表明,快速退火可以降低A-Fe纳米相的直径(到6nm)、提高有效磁导率、降低铁损。M.Hasiak 等人[28]研究了随炉、空气和水中冷却对纳米晶Fe
7315
Cu
1
Nb
3
Si
1515
B
7
合金磁性能参数的影响,结果显示相同时间内,在空气中冷却具有最好的磁性能。
314纳米晶软磁材料优异磁性的起因
31411A-Fe(Si)相对优异软磁物性贡献的物理本质因Fe、Si原子直径(半径分别是1124!和1117!)相差在15%以内,由金属物理相关理论可知,它们应形成置换固溶体。Fe、Si质量一定时,按置换固溶体排列的(bcc)A-FeSi晶胞数,应多于A-Fe bcc和间隙bcc排列的晶胞数。即有更多的Fe原子被Si置换出,以形成更多的A-FeSi bcc晶胞。
Si是非磁性元素,而Fe是磁性元素,它的3f层电子部份填满,按Hund原理,它有4个正向Bohr磁矩。凝聚态物质的磁性由它们全部所含电子的自旋角动量和轨道角动量所产生的合成磁矩所决定。由于合金晶粒内原子的交互作用,并非所有磁矩对总磁矩都有贡献,因此体表面Fe原子的多少,对磁矩间的相互作用而产生的合成磁矩有着重要影响。体表面Fe原子愈多,则合成磁矩愈大,即自发磁化明显。纳米晶的比表面远远大于毫米和微米晶的比表面,因此纳米晶体表面的原子数远远多于微米晶和毫米晶表面的原子数。纳米晶的表面原子数约占总数的50%。对FeCuNbSiB纳米晶合成整体而言,因A-FeSi晶相是弥散分布于非晶相中,且晶向是无规取向的,近邻晶粒的易磁化方向的夹角大。故晶粒间交换相互作用明显地减少合金的有效各向异性和矫顽力,提高剩磁和磁导率,改善了材料的软磁性能。这显然不同于微米级晶粒软磁性会随粒径减小而恶化的规律。
31412各向异性模型从传统的技术磁化的观点来看,材料的晶粒尺寸越小,晶界所占分数越大,因而畴壁位移时所受的钉扎作用也越明显,从而恶化材料的软磁性能[29]。与此相反,纳米晶材料的性能不仅没有降低反而大幅度提高,Herzer[25]采用Alben的无规取向各向异性模型对此作出了比较满意的解释。
Herzer认为,磁晶各向异性为K1的多个小晶粒间存在铁磁相互作用,材料的磁性取决于多个小晶粒磁晶各向异性的平均涨落
为铁磁交换长度,且D n L
ex
时,则有3K4=K
1
(D P L
ex
)3P2。又
因为L
ex
=(A P3K4)1P2,故3K4=K4
1
D6P A3。其中,A为交换劲度(exchange sti ffness),K1为各向异性常数。对于A-Fe,A=
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第22卷第3期陆伟,等.铁基纳米晶软磁合金的研究
10-11J P m,K 1=8kJ P m 3,因此可以计算3K 4与D 的关系,如图3所示,可见随着D 减小,平均涨落3D 4急剧减小。若假定磁化过程是自旋的一致转动过程,则矫顽力H c 和起始磁导率L i 仅与3K 4有关,从而可导出:
H c =P c
P (J s #A 3)L i =P L J 2s P (L 0#
其中P c 、P L 为常数,J 为饱和磁化强度。此式说明,若D 磁导率增大。 图3 纳米晶合金具有双相结构:a -Fe 相和非晶相。从Herzer 理论给出的结果来看,在定性解释纳米晶软磁合金 优异磁性能的物理起源问题上无疑是成功的,但该理论主要反映了纳米晶A -Fe 相因素,没有考虑到非晶相的作用,与纳米软磁合金的双相组织结构的特点不符,无法全面解释合金的磁性与显微结构参数及晶化退火温度间的关系。针对这一问题,Herzer [31]提出了更新的随机各向异性模型,对于双相系统: 3K 4=[V #(D 1P (A P K 1)1P 2)3#K 1P 2 1+ (1-V)#(D 2P (A P K 2)1P 2)3#K 1P 22] 2 其中V 为纳米晶相体积分数,D 1为纳米晶粒直径,D 2为非晶相结构相关长度,K 1为纳米晶相的各向异性常数,K 2为非晶相各向异性常数。 由于纳米晶软磁合金的第二相是非晶相,其结构相关 长度D 2在015nm 左右,而相应的交换长度一般至少10nm,所以第二相可以被忽略,得: 3K 4=V 2#K 1#(D P (A P K 1))6 根据这一模型,我们相应可以得到: H c =V 2#P c #K 41#D 6 P (J s #A 3)L i =V 2 #P L J 2 s #A 3 P (L 0#K 41 #D 6 ) 注:此式忽略了宏观各向异性。 这一理论在解释Finemet 系纳米晶合金的磁性能时具有很好的效果,然而其在解释FeZrB 系合金时却存在着一些问题。我们研究FeZrB 系合金时发现H C 和L i 与D 6成比例的关系符合得不是很好,应该还存在着其他比例关系。在FeZrB 系合金中,单轴各向异性3K u 4大于随机磁晶各向异性3K 14,从而不满足以上的模型。Suzuki 与Hezer [32] 根据 Alben 提出的各向异性模型,得到了适合于FeZrB 系纳米晶 合金的各向异性常数3K 4与D 的关系: 3K 4U K u +K u K 21D 3 2A 3P 2 此外,文献[33]提出了纳米软磁合金的双相无规磁各 向异性模型,考虑了纳米软磁合金的双相组织结构的特点,按照Alben 非晶无规磁各向异性的处理方法,得到了纳米软磁合金的有效磁各向异性3K 4与纳米晶尺寸D 、非晶及纳米晶的体积分数V c 、V A 和非晶结构长度D 及交换劲度A 、局域磁各向异性常数K 等特性参数间的关系。 以上我们扼要地叙述了纳米晶软磁合金中有效磁各向异性模型研究的近况,用这些理论模型可以对纳米晶软磁合金优异物性机制进行较好的解释,并为许多研究者所接受,但尚缺乏直接实验验证,有些问题也还待进一步探究。例如交换劲度的物理本质是什么,是否当晶粒尺寸小于10nm 时会获得更低的矫顽力更高的磁导率,是否晶粒间仅存在交换相互作用,粒间相的具体成分是什么等等问题。这些问题由于涉及各向异性模型的理论基础,已成为当今纳米晶软磁材料理论研究的热点。 4 铁基纳米晶软磁材料的应用 由于/Finemet 0、/Nanoperm 0和/Hi tperm 0显示出优异的软磁性能,铁基纳米晶软磁材料广泛应用于功频变压器铁 芯、饱和扼流圈、高频变压器以及磁头等。最近,利用铁基纳米晶软磁材料的巨磁电阻效应制成的下一代信息存储设备,大大提高了存储密度,降低了存储设备的体积和重量;利用其磁致冷效应制得的/绿色冰箱0,避免了有害氟利昂的使用,保护了环境[34,35]。此外在ISDN 铁芯、传感器、共模扼流圈、防磁罩等方面也有巨大的应用前景。 5 铁基纳米晶软磁材料研究的趋势 随着纳米晶软磁材料应用的不断发展,越来越要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损以及高耐腐蚀性、高的强度等等。为此,在高性能软磁合金、大块非晶以及由此产生的理论研究已成为现在和将来一段时间内软磁材料研究的热点和趋势。 511 大块非晶纳米晶软磁合金的研究 由于一般的纳米晶软磁合金都为薄带状或粉末状,大大限制了其应用,近年来许多研究者用铜模铸造法、粉末冶金法制取大块非晶合金[35~39],经过成份和工艺调整,提高磁性能,并结合非晶合金固有的高强度、高耐磨性及耐腐蚀性等特性,在某些特殊场合具有良好的应用前景。然而,铜模浇铸法制备的大块非晶材料其尺寸仍然较小(直径为毫米级),而粉末冶金法可以制备尺寸为厘米级以上的样品。因此,粉末冶金法在制备大块(厘米级以上)非晶纳米晶软磁材料上更具有价值。 512 优异性能的纳米晶软磁材料的开发 随着软磁材料应用的不断发展,对软磁材料性能的要 #464# 材料科学与工程学报 2004年6月 求不断提高。/两高一低0(高饱和磁感应强度、高磁导率、低铁损)纳米晶软磁材料、零磁致伸缩纳米晶软磁材料、巨磁阻抗纳米晶软磁材料以及具有较好的机械性能(抗拉强度、硬度)、耐腐蚀性能和耐高温性能等特殊纳米晶软磁材料,已成为当今以及今后纳米晶软磁材料开发研究的热点。利用复合材料方法制备磁性纳米晶软磁薄膜[40,41],利用纳米晶软磁合金薄带,借助粉末冶金技术制成纳米晶软磁合金粉末复合材料[42],如纳米晶软磁粉末与橡胶等混合制成磁屏蔽材料、吸波隐身材料、高磁导率铁芯材料等[43],这些领域随着纳米技术的发展将会有良好的发展前景。 513纳米晶软磁材料的理论研究 近年来,许多研究者利用铁磁学和量子力学理论研究了铁基纳米晶软磁合金优异磁性能的起因,并提出了许多不同的理论解释模型。但是他们都是根据Alben的非晶无规磁各向异性模型演化而来,每一种模型都只能解释某一种或一类软磁材料的磁性能起因,而对其它种类的纳米晶软磁材料就不适用。因此,在未来的纳米晶软磁材料的理论研究中,能够解释大多数直至全部纳米晶软磁材料的理论将是研究的重点和方向。 6结束语 对非晶合金进行晶化处理是控制合金纳米结构以得到良好软磁性能的有效方法;纳米合金取得良好性能的关键是选择合适的添加元素、合金成分及退火条件,控制好晶粒尺寸及各种组成相,降低磁致伸缩及磁各向异性。但是在理论上怎样去解释这些现象仍然有待于进一步研究,这也是今后在材料及理论研究上的热点和重点。 纳米晶软磁合金由于具有优异的软磁特性,其在电力电子及中高频应用的一些领域的使用已得到肯定,节能明显,适用小型化和高频化,具有重要发展前景。随着快淬技术及纳米材料制备技术的发展,其它方法如雾化法、溅射法、真空蒸镀法、化学气相沉积法等制备新型纳米晶软磁材料也正得到很大的发展。 参考文献 [1]Y Yosh izawa,e t al.[J].J Ap pl Ph ys.1988,64:6044. 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自成立以来，公司上下高度重视技术创新和产品结构升级工作，建立了以市场为导向，努力满足用户需求的产品研发体系。公司坚持以跨越发展的思想为指导，秉承敬业、高效、求实、创新的优良传统，继续依托军工技术和“中”牌品质，为广大新老客户提供更优良的产品和服务。 纳米晶金属软磁合金新材料1 坡莫合金等已有100多年的发展历史；近二十多年来先后发展起来的非晶态合金和纳米晶合金等新型软磁合金材料，发展为纳米晶态，从而把软磁合金新材料的研发与应用推向了一个新的高潮。 致力于研究同时具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗的软磁材料，谓之“二高一低”的“理想”软磁材料，但、小型、节能方向发展，既对软磁材料提出新的挑战，又给软磁材料提供了一个发展机遇。正是在这种大背景情况下Fe基纳米晶软磁合金新材料，并命名新合金牌号为Finemet。 结构新颖、不同于晶态和非晶态，而且具有综合的优异软磁特性、即具有较高饱和磁感应强度、高磁导率、低损耗等染等特点。因而可以讲，Finemet合金的出现是软磁材料的一个突破性进展，它解决了人们长期努力研究而未能解决细化到1—20纳米（nm）、而饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数又同时趋于零的途径；（2）改变了以往各类软能与成本相矛盾的状况；首次实现了人们长期渴望追求的“二高一低”“理想”软磁材料的愿望。 史，从来没有一种甚至一类软磁材料能全面地或基本上满足软磁材料的全部技术要求。而纳米晶软磁合金通过不同方求，并具有性能、工艺及成本等全方位的优势，因而它一问世，便获得了迅速发展与应用。日立金属公司公布Finem 达5000万日元，并计划Finemet材料的年产量达600吨以上，广泛用于电子工业大量需求的磁性元器件。德国真空熔炼itroperm纳米晶软磁合金牌号，据悉其年产量也在200吨级以上，广泛用作磁芯和磁性元器件。 代研发纳米晶软磁合金以来，发展很快，已在电力工业、电子工业、电力电子技术、计算机、通讯、仪器仪表及国防合金材料的年产量约为300吨；近几年市场需求增长很快，预计目前纳米晶软磁合金材料的年产量可达800吨左右，来，在如此短的时间内获得这样广泛的发展与应用是不多见的。而纳米晶软磁合金除了具有急冷工艺技术发展的深刻是它具有生命力的标志。纳米晶金属软磁合金材料作为功能材料，其产量或用量远不能与结构材料相比，但其发挥的产、应用纳米晶金属软磁合金材料，对发展我国高新技术产业、促进和提升传统产业、带动和支持相关产业的发展和 纳米晶金属软磁合金新材料2 铁基非晶合金在工频和中频领域，正在和硅钢竞争。铁基非晶合金和硅钢相比，有以下优缺点。 1）铁基非晶合金的饱和磁通密度Bs比硅钢低 但是，在同样的Bm下，铁基非晶合金的损耗比0.23mm厚的3％硅钢小。一般人认为损耗小的原因是铁基非晶合金带材厚度薄，电阻率高。这只是一个方面，更主要的原因是铁基非晶合金是非晶态，原子排列是随机的，不存在原子定向排列产生的磁晶各向异性，也不存在产生局部变形和成分偏移的晶粒边界。因此，妨碍畴壁运动和磁矩转动的能量壁垒非常小，具有前所未有的软磁性，所以磁导率高，矫顽力小，损耗低。 2）铁基非晶合金磁芯填充系数为0.84～0.86 3）铁基非晶合金磁芯的工作磁通密度 1.35T～1.40T，硅钢为1.6T～1.7T。铁基非晶合金工频变压器的重量是硅钢工频变压器的重量的130％左右。但是，即使重量重，对同样容量的工频变压器，磁芯采用铁基非晶合金的损耗，比采用硅钢的要低70％～80％。 4）考虑损耗，总的评估价为89％ 假定工频变压器的负载损耗（铜损）都一样，负载率也都是50％。那么，要使硅钢工频变压器的铁损和铁基非晶合金工频变压器的一样，则硅钢变压器的重量是铁基非晶合金变压器的1?8倍。因此，国内一般人所认同的抛开变压器的损耗水平，笼统地谈论铁基非晶合金工频变压器的重量、成本和价格，是硅钢工频变压器的130％～150％，并不符合市场要求的性能价格比原则。国外提 出两种比较的方法，一种是在同样损耗的条件下，求出两种工频变压器所用的铜铁材料重量和价格，进行比较。另一种方法是对铁基非晶合金工频变压器的损耗降低瓦数，折合成货币进行补偿。每瓦空载损耗折合成5～11美元，相当于人民币42～92元。每瓦负载损耗折合成0.7～1.0美元，相当于人民币6～8.3元。例如一个50Hz，5kVA单相变压器用硅钢磁芯，报价为1700元/台；空载损耗28W，按60元人民币/W计，为1680元；负载损耗110W，按8元人民币/W计，为880元；则，总的评估价为4260元/台。用铁基非晶合金磁芯，报价为2500元/台；空载损耗6W，折合成人民币360元；负载损耗110W，折合成人民币880元，总的评估价为3740元/台。如果不考虑损耗，单计算报价，5kVA铁基非晶合金工 频变压器为硅钢工频变压器的147％。如果考虑损耗，总的评估价为89％。 5）铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强 现在测试工频电源变压器磁芯材料损耗，是在畸变小于2％的正弦波电压下进行的。而实际的工频电网畸变为5％。在这种情况下，铁基非晶合金损耗增加到106％，硅钢损耗增加到123％。如果在高次谐波大，畸变为75％的条件下（例如工频整流变压器），铁基非晶合金损耗增加到160％，硅钢损耗增加到300％以上。说明铁基非晶合金抗电源波形畸变能力比硅钢强。 6）铁基非晶合金的磁致伸缩系数大 是硅钢的3～5倍。因此，铁基非晶合金工频变压器的噪声为硅钢工频变压器噪声的120％，要大3～5dB。 纳米晶软磁材料的应用 【摘要】本文首先回顾了纳米晶软磁材料的发展过程，介绍了纳米晶软磁材料的组织结构与磁特性，并介绍了纳米晶软磁合金的应用。 【关键词】纳米晶；软磁材料；铁芯；铁基合金 引言 八十年代以来，由于计算机网络和多媒体技术、高密度记录技术和高频微磁器件等的发展和需要，越来越要求所用各种元器件高质量、小型、轻量，这就要求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[1]。正是根据这种需要，1988年日本的Yoshizawa等人首先发现，在Fe—Si—B非晶合金的基体中加人少量Cu和M（M=Nb，Fa，Mo，W等），经适当的温度晶化退火以后，可获得一种性能优异的具有b.c.c结构的超细晶粒（D 约10nm）软磁合金[2]。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良，这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为Fe73.5CuNb3Si13.5B9，牌号为Finemet。其后，Suzuki等人又开发出了Fe—M—B （M=Zr，Hf，Ta）系。到目前为止，已经开发了许多纳米晶软磁材料，包括：Fe基、Co基、Ni基[3]。由于Co基和Ni基易于形成K、λs、同时为零的非晶态或晶态合金，如果没有特殊情况，实用价值不大。故本文主要介绍铁基纳米晶软磁合金。铁基纳米晶合金是以铁元素为主，加人少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为l0—20纳米的微晶，弥散分布在非晶母体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。纳米晶材料具有优异的综合磁性能：高饱和磁感（1.2T）、高初始磁导率（8万）、低Hc（0.32A/M），高磁感下的高频损耗低（P0.5T/20kH=30W/kg），电阻率为80微欧厘米，比坡莫合金（50—60微欧厘米）高，经纵向或横向磁场处理，可得到高Br（0.9T）或低Br值（1000Gs）。是目前市场上综合性能最好的材料。 1 纳米晶软磁合金的性能 1.1 软磁合金的磁特性 对于纳米晶软磁合金，按性能要求，常分为高Bs型、高0型等。 （1）高型纳米晶合金，其成份至今局限于FeSiB系。以FeCuNbSiB系磁性最佳，其性能参数达到：在磁场0.08A/m下，相对磁导率达14万以上，矫顽力最低已达0 .16A/m，饱和磁感Bs高达135T，在频率lOOkHz和磁感0.2T下铁损低达250kW/1T。值得研究的是饱和磁致伸缩系数21×10-6，而不是0左右。 （2）高Bs型铁基纳米晶合金，其Fe含量在88at%以上，Bs值可达16～1.72T，典型成份为FeMB（M=Zr，Hf等）。对于FeZrB系合金，典型成份为 非晶/纳米晶软磁材料 一．应用领域 非晶态软磁合金材料为20世纪70年代问世的一种新型材料，因具有铁芯损 耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们 的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。其技术特点为：采用超急冷凝 固技术使合金钢液到薄带材料一次成型；采用纳米技术，制成介于巨观和微观之 间的纳米态(10-20nm)软磁物质。非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其 特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化；纳米晶合金的晶粒尺 寸小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很小，并且通过调整成分，可以 使其磁致伸缩趋近于零。【表1】列出了非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要 应用领域。 材料铁基非晶铁镍基非晶钴基非晶铁基纳米晶饱和磁感(T) 1.56 0.77 0.6-0.8 1.25 矫顽力(A/m) <4 <2 <2 <2 Br/Bs -- -- >0.96 0.94 最大磁导率45×104>200,000 >200,000 >200,000 铁损(W/kg) P50Hz,1.3T <0.2 P20KHz,0.5T<90 P20KHz,0.5T<30 P20KHz,0.5T<30 磁致伸缩系数27×10-615×10-6<1×10-6<2×10-6居礼温度(℃) 415 360 >300 560 电阻率(mW-cm) 130 130 130 80 应用领域 配电变压器 中频变压器 功率因子校正器 磁屏蔽 防盗标签 磁放大器 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器 磁放大器 高频变压器 扼流圈 脉冲变压器 饱和电抗器 互感器 非晶/纳米晶软磁材料应用市场概况 非晶态软磁合金材料为20世纪70年代问世的一种新型材料，因具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等优点，引起了人们的极大重视，被誉为21世纪新型绿色节能材料。其技术特点为：采用超急冷凝固技术使合金钢液到薄带材料一次成型；采用纳米技术，制成介于巨观和微观之间的纳米态(10-20nm)软磁物质。非晶、纳米晶合金的优异软磁特性都来自于其特殊的组织结构，非晶合金中没有晶粒和晶界，易于磁化；纳米晶合金的晶粒尺寸小于磁交换作用长度，导致平均磁晶各向异性很小，并且通过调整成分，可以使其磁致伸缩趋近于零。【表1】列出了非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要应用领域。 表1 非晶/纳米晶软磁材料的典型性能及主要应用领域 近年来，随着信息处理和电力电子技术的快速发展，各种电器设备趋向高频化、小型化、节能化。 在电力领域，非晶、纳米晶合金均得到大量应用。其中铁基非晶合金的最大应用是配电变压器铁芯。由于非晶合金的工频铁损仅为硅钢的1/5～1/3，利用非晶合金取代硅钢可使配电变压器的空载损耗降低60﹪～70﹪。因此，非晶配电变压器作为换代产品有很好的应用前景。纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁芯。电力互感器是专门测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。近年来高精度等级（如级、级、级）的互感器需求量迅速增加。传统的冷轧硅钢片铁芯往往达不到精度要求，虽然高磁导率玻莫合金可以满足精度要求，但价格高。而采用纳米晶铁芯不但可以达到精度要求、而且价格低于玻莫合金。 在电力电子领域，随着高频逆变技术的成熟，传统大功率线性电源开始大量被高频开关电源所取代，而且为了提高效率，减小体积，开关电源的工作频率越来越高，这就对其中的软磁材料提出了更高的要求。硅钢高频损耗太大，已不能满足使用要求。铁氧体虽然高频损耗较低，但在大功率条件下仍然存在很多问题，一是饱 非晶合金COFeNbSiB的纳米晶化及磁性 作者：赵玉华， 何开元， 张雅静， 赵恒和， 张玉梅， 王建保， 程力智 作者单位：东北师范大学 刊名： 材料研究学报 英文刊名：CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH 年，卷(期)：2001,15(2) 被引用次数：9次 参考文献(10条) 1.A Serebryakov;V Stelmukh;A Gurov查看详情 1995(04) 2.A Serebryakov;L Voropaeva;Yu Levin查看详情 1994(07) 3.赵玉华;何开元;赵恒和;张玉梅 李国纲 程力智Fe-Ni-Mo-(Si)-B非晶的晶化及纳米晶合金磁性的研究[期刊论文]-金属学报 2000(03) 4.Y Yoshizawa;K Yamauchi查看详情 1991 5.R.M.Bozorth;Ferro-magnetism查看详情 1951 6.M L Sui;F Zhou;K Y He;R.Wang L.Z.Cheng查看详情 1994(06) 7.S L He;K Y He;Z Wang查看详情 1997(06) 8.S L He;K Y He;B G Shen查看详情 1999(11) 9.A Serebryakov;V Sedykh;V Stelmukh查看详情 1996(05) 10.Y Yoshizawa;S Oguma;K Yamauchi查看详情 1988(64) 引证文献(9条) 1.万珍珍.朱正吼.李塘华FeCuNbSiB/丁基橡胶复合薄膜压磁性能的研究[期刊论文]-功能材料 2008(9) 2.李同.严彪.龙玲.杨沙.陈伯渠用于制备贴片电感的铁基非晶软磁合金的晶化过程研究[期刊论文]-金属功能材料 2008(2) 3.王冰霞Co基非晶/纳米晶的晶化及磁性能的研究评述[期刊论文]-金属功能材料 2007(2) 4.倪道情.黄庆丰医用钛及钛合金表面处理技术现状[期刊论文]-口腔材料器械杂志 2006(2) 5.支起铮.董帮少.陈文智.连法增Co51Fe18Nb6Si15B10纳米晶合金磁导率与温度的关系[期刊论文]-东北大学学报（自然科学版） 2006(2) 6.王姝Co基非晶软磁合金的磁性和结构的研究[学位论文]硕士 2005 7.郭红.晁月盛低频脉冲磁场致非晶合金Fe78Si9B13纳米晶化及机制[期刊论文]-机械工程材料 2004(3) 8.陈学定.宋翀旸.俞伟元.胡勇非晶软磁合金Fe73.5 Cu1Nb3Si13.5 B9的退火处理与性能研究[期刊论文]-兰州理工大学学报 2004(1) 9.宋翀旸.陈学定.俞伟元.蒋会荣Fe基非晶软磁合金的纳米晶化及磁性[期刊论文]-甘肃工业大学学报 2003(2) 本文链接：https://www.360docs.net/doc/c37895212.html,/Periodical_clyjxb200102017.aspx 铁基纳米晶合金 一、简介： 铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。微晶直径10-20 nm, 适用频率范围50Hz-100kHz. 二、背景介绍： 1988年日本的Yoshizawa等人首先发现,在Fe-S-iB非晶合金的基体中加入少量Cu和 M(M=Nb,Ta,Mo,W等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良,这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为 Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌号为Finemet。其后,Suzuki等人又开发出了Fe-M- B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基[2]。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。 三、铁基纳米晶软磁合金的制备方法 纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。 四、纳米晶软磁合金的结构与性能 纳米晶软磁合金的典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类: (1). 铁磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的优势,且纳米晶合金可以实现K和Ks同时为零,因而使L值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课题。 (2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si也是 研究生课程论文 （2016 -2017 学年第一学期） 论文标题：成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能的影响综述 提交日期：2016 年12 月19日研究生签名： 成分对于铁基非晶纳米晶合金微观结构和软磁性能 的影响综述 1.引言 铁基非晶态合金是一种具有特殊结构和优越性能的新型材料,通过快速凝固在原子层次控制了液态金属的排列,使原子排列保持液态金属的长程无序状态.由于原子排列不规则、长程无序、没有晶粒晶界的存在,因而使得该类材料具有极佳的机械性能、磁性能和耐腐蚀性等优点,通过非晶合金演变纳米晶的可控性,可以进一步得到性能更加优异的纳米晶和非晶/纳米晶复合结构材料,兼具有高饱和磁感应强度、高磁导率和低高频损耗等性能特点[1]，是硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品。 要形成非晶合金GFA (玻璃形成能力) 非常重要，井上明久在大量实验结果的基础上总结了非晶合金获得较高GFA需要的３个条件:(1)合金成分含有３种及３种以上元素;(2)不同元素原子半径有较大差异;(3)各元素之间的混合热为负值[2]. Fe基非晶纳米晶合金优异的磁特性由它们的磁致伸缩系数（<20ppm）和磁各向同性都很低。根据随机各向异性模型（RAM）[3]，如果晶粒尺寸减小到低于最小交换长度（D < 和纳米尺度区域。在微观尺度区域，粒度和H c之间的反比关系（Hc-D-1）表示传统的原则，即大晶粒尺寸利于软磁性能的提高，但是大的晶粒和磁畴尺寸会增加铁损。在纳米尺度区域，新的非晶微晶合金落在常规的硅钢和铁基非晶合金之间。矫顽力和晶粒尺寸（Hc-D 6）关系显示，在纳米级别，晶粒尺寸的变化，即使是少量仍可能对最终的软磁特性产生显著影响[3,20]。 目前研究的Fe 基纳米晶软磁合金带材主要有Fe-Si-B 系、Fe-Zr-B 系和Fe-B 系。具体讲主要有三种牌号，分别是牌号为Finemet 的Fe-M-Si-Cu-B(M=Nb、Cr、V、W、Mo 等)合金，牌号为Nanoperm的Fe-M-B(M=Zr、Hf、Nb、Ta等)合金[5-6]和牌号为Hitperm的(Fe,Co)-M-B(M=Zr、Hf、Nb 等)合金[4-5]。三种牌号的合金都是采用对非晶合金前驱体进行晶化处理得到纳米晶合金的方法制备而成[1]。通过晶化退火处理不但可以有效地消除合金的内应力，还可以获得纳米晶结构的合金材料，因其具有超细化的显微组织从而表现出极佳的软磁性能[6]。 不同成分对铁基非晶纳米晶软磁性能有很大影响，本文目的是阐明对微观结构和软磁性能有充分研究的元素，如硅，硼，铜，铌，锆，氮掺杂，磷，镍，钴，氢化和锗对铁基非晶纳米晶合金特性的影响。表1总结了各成分的影响结果。 表1.Fe非晶/纳米晶合金添加元素的影响 2.合金元素的影响 2.1 Si和B Fe基合金的GFA比非铁合金系如Mg，Zr，Pd基合金低得多。事实上，通过铜模铸造在Zr和Pd基合金中可获得厚度大于1mm的块状金属玻璃，而在Fe基合金中形成的带材厚度只有几微米。添加B和Si可促进合金凝固过程中非晶态结构的形成，并且B对GFA的提高效应是Si的5倍[8]。此外，应当注意，尽管B可以增强GFA，但它也可以减少一次和二次结晶峰之间的安全间隙，如图2所示。这种物 硅钢片铁芯、坡莫合金、非晶及纳米晶软磁合金 磁性材料 一. 磁性材料的基本特性 1. 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，在外加磁场h 作用下，必有相应的磁化强度m 或磁感应强度b，它们随磁场强度h 的变化曲线称为磁化曲线（m～h或b～h曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度h 足够大时，磁化强度m达到一个确定的饱和值ms，继续增大h，ms保持不变；以及当材料的m值达到饱和后，外磁场h降低为零时，m并不恢复为零，而是沿msmr曲线变化。材料的工作状态相当于m～h曲线或b～h曲线上的某一点，该点常称为工作点。 2. 软磁材料的常用磁性能参数 饱和磁感应强度bs：其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整洁排列。 剩余磁感应强度br：是磁滞回线上的特征参数，h回到0时的b值。 矩形比：br∕bs 矫顽力hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 磁导率μ：是磁滞回线上任何点所对应的b与h的比值，与器件工作状态密切相关。 初始磁导率μi、最大磁导率μm、微分磁导率μd、振幅磁导率μa、有效磁导率μe、脉冲磁导率μp。 居里温度tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。 损耗p：磁滞损耗ph及涡流损耗pe p = ph + pe = af + bf2+ c pe ∝f2 t2 / ，ρ 降低， 磁滞损耗ph的方法是降低矫顽力hc；降低涡流损耗pe 的方法是减薄磁性材料的厚度t 及提高材料的电阻率ρ。在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为： 总功率耗散（mw）/表面积（cm2） 3. 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压～电流特性。器件的电压～电流特性与磁芯的几何外形及磁化状态密切相关。设计者必须熟知材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何外形及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。 二、软磁材料的发展及种类 1. 软磁材料的发展 软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起，开始使用低碳钢制造电机和变压器，在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到20世纪初，研制出了硅钢片代替低碳钢，提高了变压器的效率，降低了损耗。直至现在硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20年代，无线电技术的兴起，促进了高导磁材料的发展，出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代，是科学技术飞速发展的时期，雷达、电视广播、集成电路的发明等，对软磁材料的要求也更高，生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，研制出了磁头用软磁合金，除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料—非晶 Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 225-232 Published Online November 2014 in Hans. https://www.360docs.net/doc/c37895212.html,/journal/ms https://www.360docs.net/doc/c37895212.html,/10.12677/ms.2014.46032 The Effect of Nanocrystals on the Plastic Deformation Ability of CuZr-Based BMG Lincai Zhang1,2, Zhenya Song3, Xiaodong Guo1, Yanhua Hou1 1Jiangsu Provincial Key Laboratory for Interventinal Medical Devices, Huai’an 2State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 3Shaoxing University, Shaoxing Email: vicande@https://www.360docs.net/doc/c37895212.html, Received: Sep. 30th, 2014; revised: Oct. 15th, 2014; accepted: Oct. 30th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/c37895212.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The CuZr-based fully amorphous alloy and composites containing in-situ nanocrystals with large size were prepared. Without the influence of specimen geometry, their mechanical behaviors un-der compression were systematically studied and compared, confirming the important role of in- situ nanocrystals on the plastic deformation ability. At the same time, the coexistence of free vo-lume and small nanocrystals can efficiently enhance the plastic deformation ability, providing a useful guideline for large plasticity in BMG composites with nanocrystalline prepared from fully amorphous alloy. Keywords Nanocrystals, Free Volume, Mechanical Behaviors, Fracture Morphology 纳米晶对CuZr基非晶合金变形行为的影响 张临财1,2，宋振亚3，郭啸栋1，侯彦华1 1江苏省介入医疗器械研究重点实验室，淮安 2西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安 3绍兴文理学院，绍兴 Email: vicande@https://www.360docs.net/doc/c37895212.html, 收稿日期：2014年9月30日；修回日期：2014年10月15日；录用日期：2014年10月30日 铁基纳米晶合金条带在低频低场下的磁化机制的磁谱研究 徐锋覃文彭坤都有为 南京大学固体微结构国家重点实验室南京大学物理学系南京 210093 本文利用磁谱研究了铁基纳米晶合金条带在低频低场下的动态磁化性能对条带厚度的依赖性，从而探讨了其磁化机制。实验结果和基于畴壁振动方程的解释充分一致，证实了被钉扎的畴壁的振动是在低频低场下该种材料的主导的磁化机制。 1 引言 在过去的十年中材料研究工作者已经对纳米晶软磁材料的各种性能进行了广泛而深入的研究[1][2]。在非晶和纳米晶合金条带的各种性能中，动态磁化性能吸引了部分材料研究工作者的注意[3][4]。然而，从磁谱上观察到的动态磁化的机制仍然存在着争论。有研究工作者认为被钉扎下的畴壁的振动是低频低场下磁化的主要机制[3]，然而另外一些研究工作者则认为这种典型的德拜型弛豫是由于条带中的转动磁化引起的[4]。 我们尝试通过磁谱来研究典型的铁基纳米晶软磁材料Fe82Nb7B10Cu1的磁化机制，讨论了畴壁钉扎距离对动态磁化性能的影响并且用著名的畴壁运动方程加以证实。 实验 用单辊甩带法制备了厚度为22μm的非晶Fe82Nb7B10Cu1合金条带。利用Labsys TM TG-DSC16以10K/min 的升温速率对其进行了差热分析（DSC）的测量，测量表明该样品的初次晶化温度为767K。 最近的文献中报道了利用不同的甩带条件来调制非晶条带的厚度[5]。我们则结合了广泛用于测量抗腐蚀性能的溶液腐蚀法来调制条带的厚度[6]。选中三条条带，其中的两条在1Mol/L H2SO4溶液中腐蚀不同的时间。条带从溶液中取出之后，用打磨抛光的方法去除被腐蚀氧化的表面层。从而得到的三根条带的厚度分别为22μm, 19.5μm 和15μm。 为了进行磁性测量，将条带绕在一个陶瓷圆环上从而形成螺绕环的环心。所有的样品都首先在真空下673K退火3小时以去除表面和内部应力，然后在798K退火30min形成纳米晶结构。退火后的样品制成螺绕环的形式，用阻抗分析仪HP4284A在1kHz到1MHz的范围测量样品的复数磁导率谱(μ?=μ′-iμ″)。 2 结果 图1中给出了厚度为22μm的样品在不同幅度的交流场下测得的磁导率谱。与曾经报道的结果类似[4]，当外加磁场幅度小于2A/m时，在测量范围内只有一个弛豫峰。当外加磁场幅度增大，样品的弛豫行为变得复杂。从磁谱上可以很明显的看出，外加磁场的幅度和频率都对样品的动态磁化行为有影响。我们可以从最基本的磁化机制对其加以解释，比如畴壁振动（可逆的畴壁位移），磁滞现象（不可逆的畴壁位移），和自旋转动。在测量的频率范围内，非晶和纳米晶合金条带的涡流损耗可以忽略不计[7]。低频下磁导率对磁场幅度的依赖可以通过最基本的磁导率的定义来解释。磁导率被定义为B~H曲线上的斜率。显而易见的是，μ′ ~H曲线应该表现为：在低场下恒定（初始磁导率），然后随着外场的上升而上升（畴壁脱离钉扎位置，畴壁位移开始），然后到达最大值（最大斜率处，渐渐到达饱和区），然后达到饱和后（开始下降），如图2所示。 在低场和低频下，可以不考虑磁滞，因为外加的驱动场不足以使畴壁脱离钉扎。在更高的磁场和低频率下，所有的磁化机制都存在，并且对总的磁化有贡献。当外场的频率上升的时候，有些磁化机制不能够跟上外场的变化，因而在磁谱上表现出一个弛豫现象。只有需要时间很短的磁化机制在高频下才仍然存在。如图1所示，在测量的频率范围和低场下，只有一个弛豫峰的存在。该弛豫 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910354428.9 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 天津三环奥纳科技有限公司 地址 301914 天津市蓟州区天津专用汽车 产业园蓟运河大街20号 (72)发明人 安海路 梁学艺 (74)专利代理机构 天津盛理知识产权代理有限 公司 12209 代理人 赵熠 (51)Int.Cl. C22C 38/02(2006.01) C22C 38/12(2006.01) C22C 38/16(2006.01) C22C 38/08(2006.01) C21D 1/04(2006.01) H01F 1/147(2006.01) (54)发明名称一种抗应力的纳米晶软磁合金、合金制备方法以及铁芯的处理方法(57)摘要本发明提供了一种抗应力的纳米晶软磁合金，合金包括铁、硅、硼、铌、铜和镍，各元素的原子比为：67～80:10～15:5～8:4～7:0.5～1.5:0.5～1.5。本发明中，对各组分的选择以及含量的配比进行了优化的调整，实现了细化晶粒、优化内部结构的作用，再通过特殊热处理工艺使材料内部的磁致伸缩弹力能和热处理产生内应力与铁芯受到的外应力基本抵消，从而保证了铁芯性能的稳定。在实际使用时，能使铁芯在受到外应力环境下使用时磁导率变化率控制正负2％以内，即使铁芯在运动环境下进行工作，受到外应力作用时仍然能保持稳定的性能，使电子元器件 工作稳定。权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 110205540 A 2019.09.06 C N 110205540 A 按照晶化机制，非晶合金纳米晶化的方法主要有：热致晶化、电致晶化、机械晶化和高压晶化。 (1) 热致晶化 热致晶化包括通常采用的等温退火法和分步退火法。等温退火法的处理过程是：快速加热使非晶样品达到预定温度，在该温度(低于常规的晶化温度)保温一定时间，然后冷却至室温，其中最关键的两个因素是退火温度和退火时间；分步退火法是在等温退火的基础上改进的一种方法，是指将非晶样品在较低温度下等温退火一定时间，然后再在较高温度下等温退火一定时间，控制好退火参数使得从非晶基体中析出尺寸在纳米范围内的晶体相。(2)电致晶化 电致晶化包括闪光退火、焦耳加热和电脉冲退火三种方式。闪光退火法是对非晶合金施加短时的强电流脉冲实现快速加热使之发生纳米晶化，这种方法可以明显减小成分对晶化后合金微结构的影响；焦耳加热法是指在非晶样品上施加较长时间的连续电流；电脉冲退火法是用高密度直流电脉冲对非晶合金进行处理使之发生纳米晶化。 (3)机械晶化 机械晶化法是利用高能球磨技术在干燥的球型装料机内，在Ar气保护下通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对非晶粉末反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使得非晶发生纳米晶化。该方法适应面广、成本低、产量大、工艺简单。存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。 (4)高压晶化 高压晶化包括激波诱导和高压退火两种方式。激波诱导法是将样品置于激波管低压末端，当按一定比例配方的氢氧混合气体经点火爆炸后在低压腔内形成高温、高压、高能的激波对样品产生作用，在微秒量级的时间内，使非晶转变为晶化度很高的纳米晶态；高压退火法是指在高压下对非晶样品施加退火工艺。 题目：非晶态软磁合金材料 摘要：本文以非晶态软磁材料为主要阐述对象，并就其定义、晶体结构特征、磁性性能及其产生机理、制备工艺、国内外发展过程、实际应用和未来应用前景等方面进行了分段阐述,其中着重介绍了非晶材料的结构特征及其相应性能产生的机理、材料制备、发展及其在不同领域的应用。从而使自己能够对这一磁性材料有一个全面详细的了解。 关键字：长程有序短程无序过冷各项同性电磁转换 1.材料定义及其基本性能与其产生机理 1.1软磁材料 软磁材料是指具有低的矫顽力，高的磁导率的磁性材料，在交流磁化状态下应用要求具有低的功率损耗。软磁材料在外磁场作用下迅速被磁化，去掉外磁场后，磁性消失。软磁材料按结构分为晶体、非晶体、纳米晶体磁性薄膜、磁泡、磁性液体与铁粉芯等类型。 1.2非晶合金结构特点 非晶态合金是指原子不是长程有规则排列的物质。一般晶态金属的原子密集规则排列切具有周期性，这种结构特征叫作原子排列的长程有序。和晶态金属相比，非晶态合金结构没有长程有序、间隙较多、但是均质、各项同性。其原子结构和各种特性表明,非晶无序并不是“混乱”，而是破坏了长城有序系统的周期性和平移对称性，形成一种有缺陷的，不完整的有序即最近邻或局域短程有序。这种短程序只是由于原子间的相互关联作用，是其在小于几个原子间距的小区间内仍然保持着位形和组分的某些有序特征，故具有短程序。 1.3非晶态软磁合金的基本性能及其产生机理 作为软磁材料，希望它有高的饱和磁感应强度和磁导率，低的矫顽力。这些软磁性能又和材料的磁晶各向异性，磁致伸缩系数有关。磁晶各向异性系数和磁致伸缩系数越小，组织结构越均匀，材料的软磁性能就越好。非晶态磁性合金没有长程有序，因此非晶磁性材料的磁晶各向异性为零，而且非晶磁性材料组织结构均匀，不存在阻碍畴壁运动的晶界或析出物，这样，非晶结构决定了其具有良好的软磁性能。但非晶态磁性材料的磁致伸缩一般不为零，因为磁致伸缩起源于短程相互作用。所以，非晶磁性材料的软 磁特性主要取决于磁致伸缩系数λ s 的大小。当λ s ≈0时，则可得到高磁导率，低矫顽 力的非晶软磁材料。除此之外，非晶态合金的电阻率较高，因此涡流损耗低，频率特性好，可应用在较高的频率范围。非晶态的结构均匀，各向同性特点也决定了非晶材料具 非晶合金纳米晶薄带生产建设项目 可行性研究报告 第一章项目概况 (3) 第一节基本情况 (3) 第二节项目产品描述 (3) 由上表可见，平均空载损耗降低70%?80%,其节能效果显著.5 第三节项目背景 (5) 第二章企业基本情况 (7) 第三章产品需求分析和改造的必要性 (9) 第一节项目建设的必要性 (9) 第二节市场需求分析 (10) 第四章改造的主要内容和目标 (11) 第一节厂址选择和建设条件 (11) 第二节生产规模 (13) 第三节工艺技术方案 (13) 第四节工程方案 (17) 第五节节能 (20) 第六节环境保护与劳动安全与工业卫生 (21) 第五章项目总投资、资金来源和资金构成 (25) 第六章人员培训及技术来源 (26) 第七章项目实施进度计划 (27) 第八章公司发展战略与市场营销计划 (28) 第九章项目经济效益和社会效益分析 (28) 第一节社会效益 (28) 第二节经济效益 (29) 第十章开发项目的技术经济分析 (31) 第一节风险分析 (31) 第二节风险对策 (32) 第一章概况 第一节基本情况 一、项目名称：非晶合金、纳米晶薄带生产 二、承办单位：**有限公司 三、企业性质：有限责任公司 四、企业法人： 五、项目建设地点： 第二节项目产品描述 非晶合金薄带是70年代问世的一种新型软磁材料，它采用先进的速凝固技术，把熔化的钢液以1X06C/S的冷却速度直接冷却成厚度仅为 20um—40um的金属薄带，与传统金属带材生产工艺相比，节省了五?六道工序。生产过程节能，无污染排放。由于采取了超急冷却技术，带材中原子排列组合上具有短程有序，长程无序特点的非晶合金组织。该合金具有许多独特性能特点：如优异的磁性，耐蚀性，耐磨性，高硬度，高电阻率等，被人们称为二^一世纪最新的绿色环保软磁材料。 该材料的应用范围广阔，可替代传统的硅钢，铁氧体和坡莫合金等软磁材料，用该材料作为铁芯主要用材并制造的非晶合金配电变压器，与用硅钢片作为铁芯的配电变压器比对，具有很好的节能效果。其比对效果见下表： 非晶软磁合金材料及其产业现状与发展前景 纳米(超微晶)软磁合金材料 铁基纳米晶合金由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相媲美，但是却不含有昂贵的钴，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料，也是坡莫合金和铁氧体的换代产品。 非晶软磁合金材料的优点 优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率是铁氧体的10倍以上、低的损耗（是硅钢片的1/5-1/10,是铁氧体损耗的1/2～1/5)，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁心、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。 非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。正是由于非晶合金制造过程节能，同时它的磁性能优良，降低变压器使用过程中的损耗，因此被称为绿色材料和二十一世纪的材料。 非晶软磁合金材料的应用领域 电力电子技术领域： 大功率中、高频变压器 逆变电源变压器 大功率开关电源变压器 通讯技术： 程控交换机电源 数据交换接口部件 脉冲变压器 UPS电源滤波和存储电源、功率因素校正扼流圈、标准扼流圈 抗电磁干扰部件： 交流电源、可控硅、EMI差模、共模电感、输出滤波电感 开关电源： 磁饱和电抗器 磁放大器 尖峰抑制器 扼流圈 传感器： 电流电压互感器 零序电流互感器 漏电开关互感器 防盗感应标签 目前非晶软磁合金材料的产品，应用场合主要包括：互感器铁心、大功率逆变电源变压器和电抗器铁心、各种形式的开关电源变压器和电感铁心、各种传感器铁心等。 在低频电磁元件中，铁基非晶合金被大量应用，在电力配电变压器中的应用已取得良好效果，成为现在生产量最大的非晶合金。在中、高频领域可以代替钴基非晶合金和铁镍高导磁合金。 纳米晶合金的最大应用是电力互感器铁心。电力互感器是专门测量输变电线路上电流和电能的特种变压器。 从目前国内外应用以及今后发展来看，非晶合金的大量使用还是在电力系统：ａ、配电变压器铁心。铁基非晶合金铁心具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低激磁电流、良好的温度稳定性，使非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器。这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。非晶纳米晶软磁材料都有哪些
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