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铁基纳米晶软磁合金的研究

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第22卷 第3期Vol122 No13材 料 科 学 与 工 程 学 报JournalofMaterialsScience&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(0252nm054)作者简介:陆伟(1981-),男,工学硕士。E-mail:luwis1981@yahoo.com.cn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

ResearchofFe-basedNanocrystallineSoftmagneticMaterials

LUWei,YANBiao

(SchoolofMarterialScie.andEngi.,TongjiUniv.,ShanghaiKeyLab.ofA&DofFunctionalMetallicMater.,Shanghai 200092,China)

=Abstract> Thecrystalprocess,structureandtherelationshipbetweenstructureandmagneticpropertiesofFe-basednanocrystalline

softmagneticalloyarediscussedinthispaper.Wealsoanalysetheresourceofitsexcellentsoftmagneticproperties.Andwegiveadetaileddiscussionontheanisotropymodelswhichexplaintheexcellentsoftmagneticproperties.Someproblemsaboutthesemodelsare

broughtout.Inaddition,thepreparation,applicationanddevelopingtrendsareprospected.=Keywords> nanocrystallinesoftmagneticmaterials;Fe-basedalloys;magneticproperties;anisotropymodel

1 前 言

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[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。

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Ks、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Fe7315Cu1M3Si1315B9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 Fe7315Cu1M3Si1315B9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 FINEMET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(Fe3Si、Fe2B4、Fe2B);(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Finemet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FeCuNbSiB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

Fe7315Si1315Cu1Nb3B9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FeCuNbSiB

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#462# 材料科学与工程学报2004年6月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。31212 NANOPERM合金 Suzuki[15~17]等研究了Fe86Zr7B6Cu1非晶合金的晶化过程及其微观结构,研究表明

NANOPERM合金由10nm的BCC-Fe相组成,并观察到如下

的晶化过程:

非晶yA-Fe+非晶(687e)yA-Fe+Fe3Zr+X(747e)yA-Fe

+Fe3Zr+Fe2Zr+ZrB2(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Ti、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>Ti。

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。31213 HITPERM合金 Willard等[21,22]研究了Fe44Co44Zr7B4Cu1合金的晶化,观察到了两步晶化过程:

非晶yAc-FeCo+非晶yAc-FeCo+(Fe,Co)3Zr

其中初始晶化温度Tx1=510e,二次晶化温度Tx2=700e,

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非晶态软磁合金

非晶态软磁合金

1

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λs的大小。当λs≈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2

纳米磁性材料及器件的进展

纳米磁性材料及器件的进展

＿嘲　。　

纳米磁性材料及器件的进展　

马昌贵　（西南应用磁学研究所，四川绵阳６２１０００）　摘要：概述了国内外纳米磁性材料及器件研究与开发的进展。具体介绍纳米磁性粒子、铁基纳米晶软磁　合金、稀土永磁快淬磁粉、人工格、纳米磁性丝、射频用复合软磁材料的制备工艺、主要性能及其在磁记录、传　感器、磁电子器件中的应用。　关键词：纳米材料：软磁合金：　中图分类号：ＴＭ２７１　

１实用型纳米磁性材料　稀土永磁：人工格：磁电子器件：　文献标识码：Ａ　

１．１最早实用化的纳米磁性粒子　对微细、超微细磁性粒子的基础研究，大约　始于１９７０年代。当初，多以纯铁（ａ．Ｆｅ）为研　究对象，目的是想制出高矫顽力（　）的磁记录　介质：制备工艺几乎都是采用化学沉积法。后来，　运用真空蒸镀、溅射等技术，将这项研究工作向　实用化阶段推进了一大步。　最早实用的纳米磁性材料，应当从美国宇航　局和国家金属研究所开发成功的金属粒子磁性液　体算起。　大家知道，磁性液体（又叫铁磁流体）是把　纳米级的磁性颗粒通过表面活性剂，均匀地分散　到载液中形成的稳定胶状体物质：已在宇航服、　轴承、硬磁盘机（ＨＤＤ）的密封和扬声器减震等　方面得到广泛应用。磁性液体的基本参数是饱和　磁化强度（　），其大小主要由构成胶体的磁性粒　子的性质决定。最初的磁性颗粒，是采用真空化　学汽相沉积（ＣＶＤ）或球磨法制得的金属（Ｆｅ，　Ｃｏ，Ｎｉ）或合金粒子，平均粒径５￣７ｎｍ，制成　的磁性液体的　Ｍ　＝１２０～１５０ｍＴ。后来，又制　成了低成本的氧化物（Ｆｅ　Ｏ　等）粒子磁性液体，　其　。Ｍ　≈４０ｍＴ。为了提高材料性能，对高　氮　化铁做了很多的研究。例如，把用等离子体ＣＶＤ　法制得的　．ＦｅＡＮ粒子（直径２～１０ｎｍ）分散在　甲苯中，制出的磁性液体　。Ｍ　＝２２０ｍＴ。　提高磁记录密度，需要高　记录介质和高饱　和磁感应强度（Ｂ　）高磁导率（　）磁头材料。采用　共沉淀、水热合成等方法制出的纳米级Ｃｏ代换　

常见软磁材料简介

常见软磁材料简介

一). 粉芯类

1. 磁粉芯

磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料。由于铁磁性颗粒很小（高频下使用的为0.5~5微米），又被非磁性电绝缘膜物质隔开，因此，一方面可以隔绝涡流，材料适用于较高频率；另一方面由于颗粒之间的间隙效应，导致材料具有低导磁率及恒导磁特性；又由于颗粒尺寸小，基本上不发生集肤现象，磁导率随频率的变化也就较为稳定。主要用于高频电感。磁粉芯的磁电性能主要取决于粉粒材料的导磁率、粉粒的大小和形状、它们的填充系数、绝缘介质的含量、成型压力及热处理工艺等。

常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。

磁芯的有效磁导率me及电感的计算公式为： me = DL/4N2S ´ 109

其中： D为磁芯平均直径（cm），L为电感量（享），N为绕线匝数，S为磁芯有效截面积（cm2）。

(1). 铁粉芯

常用铁粉芯是由碳基铁磁粉及树脂碳基铁磁粉构成。在粉芯中价格最低。饱和磁感应强度值在1.4T左右；磁导率范围从22~100; 初始磁导率mi随频率的变化稳定性好；直流电流叠加性能好；但高频下损耗高。

(2). 坡莫合金粉芯

坡莫合金粉芯主要有钼坡莫合金粉芯(MPP)及高磁通量粉芯(High Flux)。

MPP是由81%Ni, 2%Mo, 及Fe粉构成。主要特点是: 饱和磁感应强度值在7500Gs左右； 磁导率范围大，从14~550; 在粉末磁芯中具有最低的损耗；温度稳定性极佳，广泛用于太空设备、露天设备等；磁致伸缩系数接近零，在不同的频率下工作时无噪声产生。主要应用于300KHz以下的高品质因素Q滤波器、感应负载线圈、谐振电路、在对温度稳定性要求高的LC电路上常用、输出电感、功率因素补偿电路等, 在AC电路中常用, 粉芯中价格最贵。

高磁通粉芯HF是由50%Ni, 50%Fe粉构成。主要特点是: 饱和磁感应强度值在15000Gs左右； 磁导率范围从14~160; 在粉末磁芯中具有最高的磁感应强度，最高的直流偏压能力；磁芯体积小。主要应用于线路滤波器、交流电感、输出电感、功率因素校正电路等, 在DC电路中常用，高DC偏压、高直流电和低交流电上用得多。价格低于MPP。

纳米晶相对铁氧体的优势

纳米晶相对铁氧体的优势

纳米晶相对铁氧体的优势

纳米晶相对铁氧体的优势主要体现在以下几个方面：

1、高饱和磁感应强度：铁基纳米晶合金的Bs达1.2T，是铁氧体的两倍以上。在实际应用中，有不少场合的干扰强度较大（例如大功率变频电机），如果用普通的铁氧体作为共模电感，铁芯存在饱和的可能性，不能保证大强度干扰下的噪声抑制效果。由于纳米晶合金的高饱和磁感应强度，其抗饱和特性明显优于铁氧体，使得纳米晶合金适用于抗大电流强干扰的场合。

2、高初始导磁率：纳米晶合金的初始导磁率可达10万，远远高于铁氧体，因此用纳米晶合金制造的共模电感在低磁场下具有大的阻抗和插入损耗，对弱干扰具有极好的抑制作用。这对于要求极小泄漏电流的抗弱干扰共模滤波器尤其适用。

3、高居里温度：纳米晶材料的居里温度高，相比较于铁氧体软磁材料有着显著优势。

4、高频磁导率：纳米晶合金具有更优异的高频磁导率、较低的能量损耗，被认为是最有前途的下一代软磁材料。

纳米晶材料制成纳米晶带材，纳米晶带材通过剪切、卷绕、热处理等技术后可以进一步制成磁芯，成为家电、消费电子、新能源发电、新能源汽车、粒子加速器等下游领域所需电子元器件的关键组成部分。