Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的交流磁性*

丁燕紅 李明吉楊保和 馬敘

1)(天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室，天津300384)

2)(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384)

(2010年11月7日收到;2010年12月29日收到修改稿)

Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的交流磁性*

丁燕紅1)李明吉1)楊保和1)馬敘2)

1)(天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室，天津300384)

2)(天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300384)

(2010年11月7日收到;2010年12月29日收到修改稿)

研究了退火溫度對Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金交流磁性的影響，并且分析了獲得較好軟磁性能的可能原因．合金的電阻率隨著退火溫度的增加逐漸降低．μ'f0值與飽和磁化強度Ms之間沒有明顯的正比關(guān)系，合金的旋磁比γ隨退火溫度的升高應(yīng)呈不規(guī)則的變化趨勢．當(dāng)退火溫度Ta=873 K時，F(xiàn)e15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金具有最大的高頻品質(zhì)因數(shù)和弛豫頻率，Q(1MHz)=23.1，f0=25.02 MHz．

納米晶合金，軟磁材料，品質(zhì)因數(shù)，熱處理

PACS:75.50.Bb，75.50.Tt，75.75．－c

1.引言

隨著計算機、信息及電子技術(shù)的快速發(fā)展，一些工作在高頻率條件下的電子器件迫切需要能夠在高頻條件下具有良好軟磁性能的合金;此外，節(jié)能問題是當(dāng)今世界人們所關(guān)注的重要問題之一，因此研究開發(fā)具有1 MHz以上高弛豫頻率，而且高頻條件下低損耗的軟磁合金尤為必要．

Fe-Nb－Cu-Si-B納米晶軟磁合金晶粒通過晶間的鐵磁非晶作用具有很強的耦合作用，在低頻下表現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能［1—4］．隨著頻率的增長，F(xiàn)inemet軟磁合金的初始磁導(dǎo)率快速下降，而且伴隨著鐵損急劇上升［5，6］．最近，人們研究發(fā)現(xiàn)Co基非晶合金經(jīng)適當(dāng)溫度退火，可以表現(xiàn)出非常好的軟磁性能［7］;通過用Co部分替代Finemet軟磁合金的Fe，不僅可以提高合金的高溫性能還可以提高合金的高頻性能［8，9］，在頻率為f=1 MHz的條件下，其最大品質(zhì)因數(shù)可以達(dá)到Q=19.2［10］．由于合金的初始磁導(dǎo)率、弛豫頻率以及品質(zhì)因數(shù)均與合金的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，改變退火溫度，以上參數(shù)會隨之改變．在本文中，我們基于對加Co后Fe-Nb－Cu-Si-B納米晶軟磁合金的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率頻譜的研究，分析了高頻下獲得高品質(zhì)因數(shù)的可能原因，以及退火溫度對高頻軟磁性能的影響．

2.實驗

采用單輥熔體旋轉(zhuǎn)快淬法制備出成分為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9的合金條帶，寬5 mm，厚35 μm．將其纏繞成內(nèi)徑約為11 mm外徑約為18 mm的圓環(huán)狀樣品．在真空且無磁場的管式爐中退火30 min后作為磁譜測量的試樣，退火溫度范圍選在非晶晶化起始溫度到晶化完成這一區(qū)間內(nèi)，為573—873 K．用X射線衍射儀分析等溫晶化過程中的相變，并根據(jù)展寬的(200)α-Fe衍射峰的峰位和半高寬測定晶化相的平均晶粒尺寸．非晶合金的晶化溫度通過DSC試驗測定，從室溫以20 K/min的加熱速度加熱到1000 K．用振動磁強計(VSM)測量合金的飽和磁化強度．加在樣品上的交流磁場是通過繞在環(huán)狀樣品上的漆包線給定的．復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的表達(dá)式為μ=μ'(f)－iμ″(f)，用HP 4294A阻抗分析儀測量出磁譜，該阻抗分析儀的測量頻率范圍為40 Hz—110 MHz．測量過程中加在樣品上的交流電流保持恒定在0.05 A/m，目的是在環(huán)狀樣品上產(chǎn)生恒定的交流磁場．通過測量電感和電阻并通過如下公式計算得出復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部和虛部:

L和R分別為樣品的電感和電阻，L0和R0螺線管的電感和電阻，f為交流磁場的頻率．

3.實驗結(jié)果與討論

圖1為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線．在20 K/min的加熱速度下，F(xiàn)e15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線上分別出現(xiàn)了兩個晶化放熱峰，可初步判斷第一個晶化峰對應(yīng)軟磁固溶體的析出，即α-Fe相的析出;第二個晶化峰為剩余非晶相的晶化，主要和形成Co-B，F(xiàn)e-B，及Nb-Co化合物的析出有關(guān)．兩個晶化峰的起始晶化溫度分別為Tx1=768 K，Tx2=915 K．

圖1 Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線

圖2 為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金在淬態(tài)及不同溫度下退火X射線衍射圖譜．X射線衍射分析表明淬態(tài)下合金譜線為漫散的衍射峰，證明淬態(tài)下合金為非晶狀態(tài);Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金經(jīng)573 K退火后，XRD譜線上出現(xiàn)晶化相的衍射峰，晶化相可標(biāo)定為體心立方α-Fe(Co)相，利用Scherrer公式計算，計算合金的平均晶粒尺寸;隨著退火溫度的升高，衍射峰強度逐漸增強，合金的平均晶粒尺寸沒有明顯增大，但晶化分?jǐn)?shù)逐漸增加;當(dāng)退火溫度Ta≤673 K時，平均晶粒尺寸低于25 nm，經(jīng)773 K退火后，合金的平均晶粒尺寸明顯增大．

圖2 Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金在淬態(tài)及不同溫度下退火X射線衍射圖譜

圖3 為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金環(huán)狀樣品經(jīng)不同溫度退火后，在交變磁場強度為HAC= 0.05 A/m的條件下所測的磁譜．磁譜顯示出典型的弛豫色散關(guān)系．從圖3(a)中可以看到，當(dāng)f＞1 MHz時，經(jīng)573 K，623 K，673 K及773 K退火后的樣品隨著頻率的升高，μ'逐漸下降，μ'-f曲線上出現(xiàn)弛豫．經(jīng)873 K退火后的樣品，μ'在1 kHz—10 MHz范圍內(nèi)保持恒定．從圖3(b)中可以看到，μ″-f曲線上出現(xiàn)了明顯的疇壁共振弛豫峰．經(jīng)873 K退火的合金的弛豫頻率可達(dá)f0=25.02 MHz，經(jīng)673 K退火的合金的的弛豫頻率可達(dá)f0≈3.23 MHz，而Finemet合金的弛豫頻率大約為40 kHz．根據(jù)疇壁釘扎理論，當(dāng)外加磁場幅度低于釘扎場時，疇壁被釘扎在缺陷處，只能隨外磁場在其平衡位置附近振動．低頻條件下，這種振動過程是可逆的，因而時復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部通常不隨頻率變化．當(dāng)頻率繼續(xù)升高到一定程度，疇壁的振動頻率低于外加磁場的頻率，因而在磁譜上出現(xiàn)了弛豫現(xiàn)象．疇壁的振動好比琴弦的振動，當(dāng)釘扎點之間的距離比較短的時，疇壁振動的振幅就小，而共振對應(yīng)的弛豫頻率則相對較大．因而當(dāng)Co部分替代Fe時，缺陷密度上升，缺陷之間的平均距離縮短，疇壁振動的幅度減小，使合金的共振頻率顯著提高，拓寬了材料使用的頻率范圍．

樣品經(jīng)673 K退火后具有最大的磁導(dǎo)率，1 MHz條件下μ'(0.05A/m，1MHz)=420，品質(zhì)因數(shù)Q(0.05A/m，1MHz)=3.5;最近Yoshizawa等人［10］在Fe78.8Cu0.6Nb2.6Si9B9合金的基礎(chǔ)上加入Co而制得Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金，其相對磁導(dǎo)率為μ(0.05A/m，100kHz)=205，品質(zhì)因數(shù)為Q(1MHz)=13.4．在高頻條件下(1MHz)，雖然Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金的品質(zhì)因數(shù)比Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金的品質(zhì)因數(shù)低，但在1 MHz條件下Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金具有比Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金高1倍的磁導(dǎo)率，而且具有復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實部在1 MHz范圍內(nèi)幾乎不隨頻率變化的特性．在高頻條件下使用的軟磁材料不僅要求具有較高的初始磁導(dǎo)率，而且要求在較寬的頻率范圍內(nèi)初始磁導(dǎo)率具有較高的穩(wěn)定性，因而Co部分替代Fe較有效的提高了Fe76.9Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的高頻使用性能．

圖3 不同溫度退火后Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金的磁譜(HAC=0.05 A/m)(a)實部;(b)虛部

為了進一步研究退火溫度對合金交流磁性的影響，圖4直觀的表示出了退火溫度與Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9軟磁合金初始磁導(dǎo)率實部μ'(f=1 kHz)、弛豫頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q(f=1 MHz)、電阻率ρ、飽和磁化強度Ms、平均晶粒尺寸D、磁晶各向異性場Ha及μ'×f0的關(guān)系．

平均晶粒尺寸D≤25 nm的納米晶軟磁合金處于交變磁場的條件下(HAC=0.05 A/m)，其初始磁導(dǎo)率μi與弛豫頻率f0具有如下關(guān)系:

Ms為飽和磁化強度(A/m)，γ為旋磁比(m/A·s)，Ha為磁晶各向異性場(A/m)．

由(3)式和(4)式兩邊各相乘，可得

根據(jù)以上經(jīng)驗公式，我們不難發(fā)現(xiàn)軟磁合金的初始磁導(dǎo)率與其磁晶各向異性場成反比，而合金的弛豫頻率卻正比于合金的磁晶各向異性場．根據(jù)(3)式，我們計算出經(jīng)不同溫度退火后合金的磁晶各向異性場的大小．

從圖4可以看出，對于同一成分的軟磁合金，經(jīng)不同溫度退火后其初始磁導(dǎo)率與其弛豫頻率及品質(zhì)因數(shù)成反比．經(jīng)873 K退火的合金具有最大的弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)，1 MHz的條件下，品質(zhì)因數(shù)為Q =19.2，大于同頻率下Fe7.8Co70Cu0.6Nb2.6Si10B9納米晶合金的品質(zhì)因數(shù)Q=19.2［11］．合金的初始磁導(dǎo)率是由于合金在交變磁場下疇壁在其平衡位置做可逆振動的結(jié)果，其大小與疇壁厚度及振動的振幅有關(guān)．疇壁厚度越小，振幅越大，合金的初始磁導(dǎo)率越大．當(dāng)退火溫度Ta≤673 K時，由于合金疇壁厚度較低［11—14］，初始磁導(dǎo)率隨退火溫度的升高逐漸增大;Ta＞673 K時，由于合金的平均晶粒尺寸增大導(dǎo)致磁晶各向異性場的增加，合金初始磁導(dǎo)率開始下降．

隨著退火溫度的升高，晶化分?jǐn)?shù)的增大，合金的電阻率呈逐漸下降趨勢．合金的電阻率的與合金的渦流損耗緊密相關(guān)，材料的電阻率越大，同頻率條件下材料的渦流損耗越?。畯膱D4中可以看到，合金的電阻率與品質(zhì)因數(shù)不呈明顯的正比關(guān)系．這主要是由于在交變磁場的條件下合金品質(zhì)因數(shù)是總損耗的反應(yīng)，這包括合金的磁滯損耗、渦流損耗及剩余損耗．隨著退火溫度的升高，合金的軟磁性能下降，磁滯損耗增大;而渦流損耗和剩余損耗也隨著退火溫度的變化同時發(fā)生變化，三種損耗綜合作用的結(jié)果必然使品質(zhì)因數(shù)與其電阻率不呈明顯的正比關(guān)系．

圖4 退火溫度Ta與Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9軟磁合金初始磁導(dǎo)率實部μ'(f=1 kHz)、弛豫頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q(f=1 MHz)、電阻率ρ、飽和磁化強度Ms、平均晶粒尺寸D、磁晶各向異性場Ha及μ'×f0的關(guān)系

軟磁合金的飽和磁化強度是一種結(jié)構(gòu)不敏感量，材料的成分決定了飽和磁化強度大?。畬Ρ萂s-Ta曲線與μ'f0-Ta曲線，合金的飽和磁化強度及μ'f0基本上不隨Ta的變化而變化．由(5)式，如果經(jīng)不同溫度退火后合金的旋磁比γ為常數(shù)，則Ms與μ'f0呈正比關(guān)系，而事實上在圖4中并沒有體現(xiàn)出類似的關(guān)系，說明磁性材料的旋磁比γ隨著合金微觀結(jié)構(gòu)的變化呈不規(guī)則變化趨勢．

軟磁合金的弛豫頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q是評價其高頻性能的兩個重要參數(shù)．較高的弛豫頻率和較大的品質(zhì)因數(shù)說明材料具有較好的高頻性能．在交變磁場條件下，人們希望能將材料低頻下的較高的初始磁導(dǎo)率保持到更高頻率．從圖4可以看出，對于同一成分的軟磁合金，其初始磁導(dǎo)率與其弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)均成反比關(guān)系．對于經(jīng)673 K退火的合金，低頻下(f=1 kHz)具有最高的磁導(dǎo)率，但其弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)都是最低的;而對于經(jīng)873 K退火的合金卻具有最大弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)，但其磁導(dǎo)率最低．由此可知，在實際應(yīng)用中通過不同的熱處理條件可以擴展軟磁合金的弛豫頻率并獲得相對較高的品質(zhì)因數(shù)，但可能無法同時使材料具有較高的磁導(dǎo)率．退火溫度Ta≤673 K時，平均晶粒尺寸低于25 nm，磁晶各向異性場隨退火溫度的升高逐漸降低，合金的弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)與磁晶各向異性場均呈正比關(guān)系，由此說明提高合金的磁晶各向異性場有助于提高合金的高頻磁性．

4.結(jié)論

退火溫度對Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金的交流磁性有顯著影響:經(jīng)673 K退火后合金具有最大的磁導(dǎo)率，μ'(0.05A/m，1MHz)=420，經(jīng)873 K退火的合金具有最大的弛豫頻率和品質(zhì)因數(shù)，f0= 25.02 MHz，Q(1MHz)=23.1;對于同一成分的納米晶軟磁合金其初始磁導(dǎo)率與弛豫頻率、品質(zhì)因數(shù)成反比．在實際應(yīng)用中通過改變的熱處理溫度的方法可以擴展軟磁合金的弛豫頻率并獲得相對較高的品質(zhì)因數(shù)，但可能無法得到初始磁導(dǎo)率及品質(zhì)因數(shù)都佳的效果．

［1］Yoshizawa Y，F(xiàn)ujii S，Ping D H，Ohnuma M，Hono K 2003 Scripta Mater．48 863

［2］Yoshizawa Y 2001 Sci．Mater．44 1321

［3］Suzuki K，Herzer G，Cadogan J M 1998 J．Magn．Magn．Mater．177-181 949

［4］Wang Z，Heky，Yin J，Zhao Y H 1997 Acta Phys．Sin．46 2054 (in Chinese)［王治、何開元、尹君、趙玉華1997物理學(xué)報46 2054］

［5］Ding Y，Qiu T Liu X，Long Y，Chang Y，Ye R 2006 J．Magn．Magn．Mater 305 332

［6］Lu W，F(xiàn)an J，Wang Y，Yan B 2010 J．Magn．Magn．Mater．322 2935

［7］Hoque S M，Khan F A，Hakim M A 2007 Mater．Lett．61 1227

［8］Kolano-Burian A，Kolano R，Kulik T，F(xiàn)erenc J 2008 Rev．Adv． Mater．Sci．18 545

［9］Kolano-Burian A，Varga L K，Kolano R，Kulik T，Szynowski J 2007 J．Magn．Magn．Mater．316 e820

［10］Yoshizawa Y，F(xiàn)ujii S，Ping D H，Ohnuma M，Hono K 2004 Mater．Sci．Eng．A 375—377 207

［11］Shindo D，Park Y G，Yoshizawa Y 2002 J．Magn．Magn．Mater．238 101

［12］Flohrer S，Sch fer R，McCord J，Roth S，Schultz L，Herzer G 2006 Acta Mater．54 3253

［13］Fraga G L F，Barco R，Pureur P 2010 J．Supercond．Novel Magn．23 99

［14］Yang J H，Wang H D，Du J H，Zhang S J，F(xiàn)ang M H 2009 Acta Phys．Sin．58 1195(in Chinese)［楊金虎、王杭棟、杜建華、張矚君、方明虎2009物理學(xué)報58 1195］

PACS:75.50.Bb，75.50.Tt，75．75．－c

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No．50972105)，the Major Program of Natural Science Foundation of Tianjin China(Grant No．08 JCZDJC22700)，and the Educational Commission of Tianjin China(Grant No．20090910)．

Corresponding author．E-mail:lucydyh@163．com

AC magnetic properties of Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9nanocrystalline soft magnetic alloy*

Ding Yan-Hong1)Li Ming-Ji1)Yang Bao-He1)Ma Xu2)
1)(Tianjin Key Laboratory of Film Electronic and Communication Devices，School of Electronics Information Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)
2)(School of Material Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)
(Received 7 November 2010;revised manuscript received 29 December 2010)

In this paper，the influence of annealing temperature on AC magnetic property of Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9nanocrystalline alloy is investigated，and the possible reasons for better high-frequency soft magnetic properties are analyzed．The resistivity decreases as annealing temperature increases．The value ofμ'f0is not in direct proportion to saturation magnetization Msbecause of irregular variation of the gyromagnetic ratio with annealing temperature．At annealing temperature Ta=873 K，the alloy has the largest quality factor and relaxation frequency，i．e．，Q(1MHz)=23.1 and f0=25.02 MHz．

nanocrystalline alloy，soft magnetic material，quality factor，heat treatment

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:50972105)，天津市自然基金重點(批準(zhǔn)號:08 JCZDJC22700)和天津市教委資助項目(批準(zhǔn)號:20090910)資助的課題．

E-mail:lucydyh@163.com