FeZrNbBCu非晶和纳米晶合金高温磁性能研究

作者：彭坤 傅定发 刘富生 杨枣

欢迎访问e展厅 展厅 17 磁性材料展厅 磁芯, 铁氧体, ... 摘要：利用单辊熔淬法制备了FeZrNbBCu非晶薄带，然后通过非晶晶化方法得到纳米晶合金。研究了FeZrNbBCu非晶和纳米晶合金的磁性能与温度的关系。非晶态合金晶化升温过程中磁导率~温度曲线中出现了一个Hopkinson峰，而在晶化后的样品中没有出现，并根据各向异性的变化和磁化强度与温度的关系进行了合理的解释。对于非晶样品和晶相体积分数小的合金样品，当温度接近残余非晶居里温度时，磁导率急剧减小；而对于非晶相含量很少的样品，其磁导率随温度升高而缓慢下降，根据双相合金中交换作用模型进行了解释。 关键词：Fe基非晶纳米晶合金；磁导率；Hopkinson 效应 High-temperature Magnetic Properties of FeZrNbBCu Amorphous and Nanocrystalline Alloy PENG Kun1, FU Ding-fa1, LIU Fu-sheng1, YANG Zao1, GAO Wen-li2, DU You-wei2 1. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China； 2. National Laboratory of Solid State Microstructure, Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China Abstract: The FeZrNbBCu amorphous ribbons were prepared by single-roller melt spinning method. The temperature dependence of permeability and magnetization was investigated for amorphous and nanocrystalline FeZrNbBCu alloy. A Hopkinson peak was observed in the amorphous alloy in the heating process, but was not observed in the nanocrystalline alloy, and this has been explained by the combination of the anisotropy reduction and the deterioration of magnetic properties. A rapid decrease in permeability near the Curie temperature of amorphous was observed in amorphous and partially crystallized nanocrystalline alloys; a slow decrease in permeability was observed in the highly crystallized nanocrystalline alloys, which was illustrated by exchange coupling in the two-phase nanocrystalline alloy. Key words: Fe-based amorphous and nanocrystalline alloy; permeability; Hopkinson effect 1 前言 低的矫顽力、高的电阻和磁化强度是任何感应器所要求的软磁性能，但在高能量集成电源、起动器/发电机组内置的主推进发动机、飞机发动机转子、电动机电源、大功率变压器等方面使用的高温感应器，所用的软磁材料对于温度特性和磁性的要求都比较高，即除了要有优良的软磁性能外，还要有足够高的居里温度和高运行温度下的高磁化强度。传统的多晶合金难以全面满足这些要求，近年来被广泛关注的纳米晶软磁合金在这些方面有可能获得全面解决。Fe基纳米晶合金的磁性能是与其微结构息息相关的，并取决于晶粒之间的交换耦合作用，而这种交换耦合作用又受晶界区域残余非晶相的影响。然而，目前有关非晶居里温度以上的交换作用还不是很清楚。高温磁性能的测量是解决这些问题的一种很好的实验方法[1~3]。由于Fe基纳米晶合金中残余非晶相的居里温度要远低于纳米晶相的居里温度[4]，因此，存在一个宽的温度区间来研究铁磁晶粒被顺磁非晶层隔开的磁性系统的特性。因此，Fe基纳米晶合金高温磁性能的研究具有重要的实际应用和理论研究价值，并已引起人们的广泛关注[5~8]。 2 实验 首先用纯金属和Fe-B合金按Fe85.1Mo0.5Zr3.3Nb3.3B6.8Cu1配料，用电弧熔炼方法得到合金铸锭。然后利用单辊快淬法制备宽1mm、厚度约20μm的非晶薄带，将非晶薄带绕成内径5mm、外径为6mm的环形样品。样品在真空退火炉中进行晶化处理，退火温度分别为623K、723K、773K、873K和973K，退火时间均为30min。磁导率与温度的关系曲线利用HP4284A阻抗分析仪测量，所用的交流磁场幅值保持恒定为0.4A/m，高温测量时用Ar保护以防止样品氧化。高温测量时的升温速率为5K/min。用X射线衍射法观测样品的相成分。 3 结果与讨论 淬态样品和经不同温度退火后的样品的XRD谱如图1所示。淬态样品表现为明显的完全非晶态， 623K退火没有出现晶化现象，仍为完全非晶态，723K退火开始出现晶化现象，随着退火温度的升高，晶化更加明显。利用谢乐公式估算出873K退火样品的晶粒尺寸为12nm左右。 在热循环过程中，由结构的变化和磁性相转变引起的磁化强度变化可以通过热磁分析方法来进行研究。图2为合金样品的磁化强度与温度的关系。从图中可以看出非晶样品的居里温度大约为340K(曲线a)，而773K退火样品由于发生了部分晶化，其磁化强度在残余非晶居里温度处有一个快速下降的过程，其后的慢速降低过程为纳米晶λs-Fe的磁化强度随温度的变化。高温时磁化强度的变化分别对应于λs-Fe纳米晶的形成及其铁磁-顺磁转变。从图中还可以看出，非晶相的居里温度远低于纳米晶相的居里温度，因此存在一个宽的温度区间来研究铁磁性纳米晶颗粒通过顺磁性非晶相层的交换作用。 图3为非晶态合金磁导率（HA=0.4A/m, f=1kHz）随温度的变化。在升温过程中，当温度接近于非晶居里温度时，在磁导率~温度曲线中出现了一个Hopkinson效应峰，降温过程没有发现Hopkinson峰。高温时磁导率的增大和减小分别对应于纳米晶λs-Fe的形成和纳米晶的居里温度。在降温过程中没有出现Hopkinson峰，这主要是由于样品经加热后晶化的结果。淬态样品和经623K退火的非晶样品室温时的磁导率分别为550和1850，退火样品磁导率的增大是退火使内应力减小的结果。对照图(a)和(b)可知，低温退火后非晶样品中出现的Hopkinson效应要比淬态样品中明显得多，这与低温退火使样品中的残余应力减小有关。磁导率的大小与残余应力（λs）的关系可以通过下式表示[9]： 其中Ms是饱和磁化强度，λs是饱和磁致伸缩系数。从上式可知，磁导率的变化与残余应力的大小呈反比的关系，由于623K热处理样品残余应力比淬态样品小得多，因此其Hopkinson效应比淬态样品更明显。 图4为非晶样品经不同温度退火后测得的磁导率~温度曲线。升温过程非晶态样品的磁导率~温度曲线中出现了Hopkinson峰，而晶化后的样品中没有出现。磁导率随温度的变化应考虑到局部各向异性减小导致磁导率的增大和温度升高使磁性能降低两个方面的影响[9]。而对于非晶纳米晶双相合金而言，各向异性又应考虑磁晶各向异性和磁弹性各向异性的作用，前者可以平均抵消掉，而后者则有分别来自非晶相和纳米晶相两个具有相反符号的各向异性的贡献。由于纳米晶样品的各向异性较小，在升温过程中，各向异性的变化很小，因此没有出现明显的Hopkinson峰。 随着退火温度的升高，样品中纳米晶颗粒的体积分数增大，残余非晶相的居里温度升高。根据双相各向异性模型[10,11]，在纳米晶系统中，纳米晶粒之间通过交换相互作用以及磁晶各向异性的减小而得到强的耦合作用。晶粒间的非晶相起着一种十分重要不可替代的作用，只有通过它才能传递这种交换作用。因此，晶粒间的这种残余非晶相的变化将会影响晶粒之间的耦合作用、有效各向异性，并最终影响磁导率。非晶样品经723K和773K退火后，当温度达到残余非晶居里温度时，磁导率急剧减小，直至趋近于零，晶粒之间的交换作用被中断。而经873K退火后的样品，随温度的升高，其磁导率逐步减小，直至高温时仍具有一定的值。这是因为样品中非晶相的含量很低，晶粒之间只有一层很薄的非晶层，晶粒之间的交换作用可以穿透薄的非晶顺磁层[12]，交换作用并没有被完全中断，因此，高温仍具有较大的磁导率。 4 结论 通过对FeMoZrNbBCu合金磁导率~温度关系的研究，发现非晶相升温过程的磁导率~温度曲线中出现Hopkinson峰，而在冷却过程和晶化后的样品中均没有发现Hopkinson峰，这主要是由于纳米晶各向异性常数随温度的变化较小的缘故。经较低温度(723K，773K)退火的样品，当温度达到残余非晶相的居里温度后，磁导率迅速减小并最终趋近于零。经较高温度(873K)退火后，磁导率随温度升高而缓慢下降，表明晶粒之间的交换作用可以穿透薄的非晶顺磁层。 参考文献 [1] Hernando A, Marín P, Vázquez M, et al. Thermal depen- dence of coercivity in soft magnetic nanocrystals [J]. Phys Rev B, 1998, B58(1): 366-370. [2] Chen G, Yang X L, Zeng L, et al. High-temperature giant magnetoimpedance in Fe-based nanocrystalline alloy [J]. J Appl Phys, 2000, 87(9): 5263-5265. [3] Yang X L, Yang J X, Jiang K Y, et al. M?ssbauer study on the coupling interaction of Fe-based nanocrystalline alloys [J]. J Appl Phys, 1999, 85(8): 5124-5129. [4] Herzer G. soft magnetic nanocrystalline materials [J]. Scripta Metall Mater, 1995, 33(11): 1741-1756. [5] Moradi H. The ordering temperature of coupled magnetic phases [J]. J Magn Magn Mater, 2002, 242-245: 550-552. [6] 贺淑莉，何开元. （Fe1-xCox）84Zr3.5Nb3.5B8Cu1非晶合金的高温和低温磁性[J]. 金属功能材料，2002, V9(3),34-37. [7] Gómez-polo C, Pérez-landazabal J I, Recarte V, et al. High-temperature magnetic behavior of FeCo-based nanocrystalline alloys[J]. Phys Rev B, 2002, B66, 012401-4. [8] Bordin G, Buttino G, Gecchetti A, et al. Temperature dependence of magnetic properties of a Co-based alloy in amorphous and nanostructured phase [J]. J Magn Magn Mater, 1999, 185: 583-587. [9] Miranda H, Munoz J L, Chen D X. Ac susceptibility and domain-wall dynamics in iron-based amorphous ribbons [J]. J Magn Magn Mater, 1996, 162, 60-68. [10] Herzer G. Magnetization processs in nanocrystalline ferromagnets [J]. Mater Sci Eng , 1991,A133:1-5. [11] Hernando A, Váquez M, Kulik T, et al. Analysis of the dependence of spin-spin correlations on the thermal treatment of nanocrystalline materials [J]. Phys Rev B, 1995, B51(6), 3581-3586. [12] Hernando A, Kulik T. Exchange interactions through amorphous paramagnetic layers in ferromagnetic nanocrystals [J]. Phys Rev B, 1994, B49(10): 7064-7067.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/9/2005)