納米晶軟磁合金磁場退火效應(yīng)研究進(jìn)展

史瑞民

(邯鄲學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，河北 邯鄲 056005)

以Finemet[1]、Nanoperm[2]、Hitperm[3]為代表的納米晶軟磁合金，自上世紀(jì)80年代末問世以來，已發(fā)展成為軟磁材料領(lǐng)域內(nèi)不可或缺的重要組成部分。通過調(diào)整合金成分，可以使納米晶軟磁合金獲得最佳的軟磁性能。以FeCuNbSiB為主要成分的Finemet，磁導(dǎo)率高達(dá)105，矯頑力小于1 A/m[4]。由于其居里溫度較低(約為300 ℃)[5]，大大限制了其在高溫下的應(yīng)用。為克服這一弱點，在Finemet中摻加適量Co，合金的非晶居里溫度提升至450 ℃[5]，很大程度上擴(kuò)展了納米晶合金的溫度使用空間。但由于加入了高磁致伸縮元素Co，使得合金整體磁致伸縮增大，合金在室溫下的軟磁性能急劇下降[6]。為了降低合金的磁致伸縮，在合金中摻加負(fù)磁致伸縮元素Ni，合金的室溫性能雖得到一定改善，但其居里溫度又出現(xiàn)了明顯的降低[7]。

除調(diào)整合金成分外，磁場退火也被廣泛應(yīng)用于改善納米晶合金的軟磁性能。磁場退火，常用于合金材料的熱處理中[8-9]，即在對合金的熱處理過程中施加一個外磁場，使合金內(nèi)部磁性原子在擴(kuò)散過程中因受外磁場影響而重新排布，得到新的原子排列方式或磁疇結(jié)構(gòu)。常見磁場退火方式有：縱向磁場退火、橫向磁場退火、旋轉(zhuǎn)磁場退火和脈沖磁場退火等。因操作簡單，避免了因調(diào)整成分而造成的高經(jīng)濟(jì)成本等弊端，對納米晶軟磁合金的磁場退火效應(yīng)研究，已成為軟磁合金研究的熱點之一。并且，磁場退火也逐漸被應(yīng)用到對鐵氧體軟磁材料的熱處理中[10-11]。

以往對納米晶軟磁合金的磁場退火效應(yīng)研究，多集中在磁場退火后合金晶態(tài)磁性的變化上，并形成了較為系統(tǒng)的結(jié)論，如：經(jīng)過縱向磁場退火后，合金的磁滯回線呈矩形化，矯頑力和磁致?lián)p耗明顯減小[13]；橫向磁場退火后，磁滯回線狹長平滑化，剩余磁感應(yīng)強度明顯減小等[14]。近幾年來，對納米晶軟磁合金磁場退火的研究主要集中在：磁場退火對納米晶軟磁合金晶化行為的影響、磁場退火對納米晶軟磁合金磁疇結(jié)構(gòu)的影響等。

1 磁場退火對納米晶軟磁合金晶化行為的

影響

P. Marín等[15]對Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3非晶條帶在733 K和793 K下進(jìn)行了磁場退火和無磁退火，并進(jìn)行了透射電鏡圖譜分析，如圖1所示。

(a)733 K，H=0 A/m；(b)733 K，H=4000 A/m； (c)733 K，H=11200 A/m；(d)793 K，H=0 A/m圖1 磁場退火和無磁退火后Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 合金的透射電鏡圖(白色箭頭為磁場方向[15])Fig.1 TEM images for Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 alloy after magneticield annealing and non-magnetic annealing(white arrow for magnetic field direction[15])

該研究發(fā)現(xiàn)，在退火過程中外磁場對納米晶粒的大小起到了促進(jìn)作用，733 K條件下，無外磁場時，所形成晶粒的大小約為6 nm；當(dāng)施加4000 A/m的磁場時，晶粒大小增大至10 nm，并且晶粒有沿外場方向增長的趨勢；進(jìn)一步加大磁場至11200 A/m，晶粒迅速增長至25 nm。而在沒有外磁場時，提高退火溫度至793 K，可以看到隨機分布的晶粒增加，沒有晶粒聚集和方向性排列。

R. Onodera等[16]研究發(fā)現(xiàn)，660 K無磁退火后，F(xiàn)e83.3Si4.2B12.5非晶合金中分布少量軟磁納米晶粒；施加15 T強磁場，納米晶粒數(shù)量明顯增加，晶體相在合金中的比重增加。還可以看到，兩種退火條件下，析出晶粒大小沒有發(fā)生明顯的變化。見圖2。因此，磁場退火后合金晶體相比重增加的主要原因是晶粒成核率的增加，而非晶粒的增大。

(a)B=0 T；(b)B=15 T圖2 Fe83.3Si4.2B12.5非晶合金660 K磁場退火和 無磁退火10 min后的透射電鏡圖[14]Fig.2 TEM images of Fe83.3Si4.2B12.5 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealed at 660 K for 10 min

R.Madygundo等[17]對Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金進(jìn)行了560 ℃無磁退火和磁場退火，見圖3。可以看出，無外磁場條件下，合金析出的納米晶粒尺寸為15 nm左右；施加7 T的強磁場后，納米晶顆粒尺寸細(xì)化為7～8 nm。這一結(jié)果與P. Marín等[15]得到的結(jié)果截然相反。

(a)B=0 T; (b)B=7 T圖3 Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金560 ℃無磁退火 和磁場退火后的透射電鏡圖[17]Fig.3 TEM images of Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealing at 560 ℃

對于R.Madygundo等[17]和P.Marín等[15]的實驗結(jié)果，我們更傾向于前者，合金經(jīng)磁場退火后，軟磁性能得到改善。而納米晶合金優(yōu)異的軟磁性能來源于超細(xì)晶粒間的磁交換耦合作用，在晶粒尺寸不大的前提下，晶粒越多，交換作用也就越強，合金的軟磁性能也隨之優(yōu)化。考慮到矯頑力HC與晶粒尺寸D六次方呈正比關(guān)系[18]，當(dāng)晶粒增大時，合金的軟磁性能將降低。

2 磁場退火對納米晶軟磁合金磁疇結(jié)構(gòu)的

影響

磁疇結(jié)構(gòu)的變化是納米晶軟磁合金磁場退火關(guān)注的另一熱點。目前大都是利用磁-光Kerr顯微鏡技術(shù)觀察合金的磁疇結(jié)構(gòu)。C.L.Zhao等[19]對Fe83-xCoxB11P3Si2C1(x=0～20)非晶合金進(jìn)行了磁場退火效應(yīng)研究，對淬態(tài)、663 K無磁退火和磁場退火后合金的磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，如圖4所示。

(a)Fe83B11P3Si2C1合金淬火態(tài)；(b)Fe83B11P3Si2C1合金無磁退火； (c)Fe83B11P3Si2C1合金磁場退火；(d)Fe68Co15B11P3Si2C1合金淬火態(tài)； (e)Fe68Co15B11P3Si2C1合金無磁退火；(f)Fe68Co15B11P3Si2C1合金磁場退火圖4 Fe83B11P3Si2C1和Fe68Co15B11P3Si2C1合金的磁疇結(jié)構(gòu)圖[19](a)quenching state of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(b)non-magnetic annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(c)magnetic field annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(d)quenching state of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(e)non-magnetic annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(f)magnetic field annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloyFig.4 Images of magnetic domain structure of Fe83B11P3Si2C1 and Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy[19]

研究發(fā)現(xiàn)，由于較大內(nèi)應(yīng)力的存在，合金在淬態(tài)時磁疇分布極不規(guī)則；經(jīng)過663 K退火后，合金中仍存在釘扎位，這對合金軟磁性能的提高不利；在退火過程中，沿條帶方向加以200 Oe的外磁場，磁疇內(nèi)磁矩方向?qū)⒀赝鈭龇较蚺帕?，磁疇壁逐漸消失，釘扎效應(yīng)幾乎消失，磁疇界面線性地整齊排列，這種排列方式將隨著退火的結(jié)束而保留在合金中?？梢?，磁場退火使合金內(nèi)部磁矩線性排列，在外磁場方向感生出易磁化軸。若沿該方向進(jìn)行磁化，將更容易發(fā)生180°位移，這種疇壁位移使磁致伸縮或磁致電阻降低到幾乎為零[20]。因此，磁場退火后，合金的磁致伸縮或磁致電阻將明顯減小[21]。

H. Li等[22]對Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8非晶合金和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8非晶合金進(jìn)行了磁場退火研究，并分析了磁疇結(jié)構(gòu)的變化情況，如圖5所示。對于Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金，在淬火態(tài)和磁場退火后，均呈現(xiàn)出較為規(guī)則的條紋磁場。但淬態(tài)時有明顯的釘扎位存在，而經(jīng)過磁場退火后釘扎中心消失，條紋狀的磁疇結(jié)構(gòu)更為規(guī)則，沿條紋方向合金更容易被磁化。Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金無論是淬火態(tài)還經(jīng)磁場退火后，合金的磁疇結(jié)構(gòu)都不規(guī)則。相比之下，磁場退火在一定程度上減少了分支狀的磁疇結(jié)構(gòu)。

(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金淬火態(tài)；(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金400 ℃磁場退火； (c)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金淬火態(tài)； (d)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金340 ℃磁場退火圖5 Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金磁疇結(jié)構(gòu)[22](a) quenching state of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 400 ℃ for Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy; (c)quenching state of Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 340 ℃ for Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloyFig.5 Images of magnetic domain structure of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 and Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy[22]

3 結(jié)語

結(jié)合磁場退火的研究成果，綜述了磁場退火對納米晶軟磁合金晶化結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)的影響。相對于無磁退火，磁場退火起到了細(xì)化晶粒大小，加速晶粒成核速率，增加了納米晶晶粒數(shù)量的作用。磁場退火有利于合金中晶粒間磁交換耦合作用的增強，起到了優(yōu)化納米晶軟磁合金軟磁性能的作用。磁場退火后，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，釘扎位消失，磁疇沿外場方向整齊排列，這種方向性排列可以使合金在該方向的磁致伸縮或磁致電阻下降到幾乎為零，優(yōu)化了合金的軟磁性能。然而，在納米晶軟磁合金磁場退火效應(yīng)的研究中，理論分析的報道尚不多見，從理論上說明磁場退火效應(yīng)的微觀機理還需要進(jìn)一步研究。