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纳米晶软磁材料
更新日期:2011/10/2  浏览:3807

这是一类新型的软磁材料。

通过熔体快淬法(轧辊法)制得的非晶态条带,如被加热到它们的晶化温度以上保持一段时间(这种热处理称为退火),非晶态条带就会开始晶化,内部组织从非晶态向晶态转变。如果控制这种退火处理的温度和时间得当,就能控制条带内部的微观结构,使得已经晶化的晶粒尺寸控制在10~15nm的范围内,而且,这些晶粒在形态上是弥散地分布在残余的非晶相之中,这样就可以得到纳米晶材料。例如,成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶态合金在550℃退火1小时后在最佳磁性能的状态下,内部包含三个相,一是体心立方结构的FeSi相,其成分为20%Si和80%Fe(原子百分比);第二相是尚未晶化的残余非晶相,包含大约10%~15%的Nb和B,约占总体积的20%~30%;第三相是大大富集的Cu团簇。少量铜和铌的加入是使这类纳米微晶成为优异软磁材料的关键。它们都不溶解于体心立方结构的FeSi相。但是,Cu原子团簇在退火早期的形成,使其成为FeSi晶粒的成核中心,促进了FeSi晶粒的成核。Nb进入残余非晶相可以阻止FeSi晶粒的长大,同时可以在晶化过程中,抑制Fe2B相的形成。如果退火温度高于600℃Fe2B相就会首先形成,从而导致性能的全面恶化。

对于纳米晶合金,存在一交换耦合长度为L0=[A/K1]1/2。这里,A是交换常数,K1是合金铁磁相的磁晶各向异性常数。对于Fe-Cu-Nb-Si-B合金,L0=35nm。当晶粒尺寸小于L0时,相邻晶粒中的磁矩将通过交换作用而趋于平行排列。因此,局部各向异性应对交换耦合长度范围内所包含的晶粒数求平均,于是,材料的有效各向异性常数为

〈K〉=K1(D/L0)6=K14D6/A3。

式中,D是纳米晶粒的尺寸。对于20%Si-80%Fe的合金,K1=8×103J/m3,由上式算出,对于纳米微晶,平均各向异性常数〈K〉将比K1小大约三个数量级,只有0.5J/m3左右,因此可降低材料的矫顽力。由于Fe-Si晶粒相和残余非晶相的磁致伸缩系数符号相反(前者为负,后者为正),所以包含这两相的合金的λs将减小,估计由此可使磁导率提高一个数量级。这种合金的畴壁很厚,假定残余非晶相的磁晶各向异性可以忽略,由畴壁厚度公式δ=π(A/〈K〉)1/2算得为3μm,畴壁厚度远大于晶粒尺寸。由此,沿畴壁厚度方向,包含了大约200~300个FeSi小晶粒。这种情况和传统材料正好相反,正是这种结构,尽管晶粒尺寸小到只有10nm,但是两相界面不再可能对畴壁产生较大的钉扎作用。此外,因为Fe-Si晶粒的尺寸为10nm,而晶粒与晶粒之间的间隔距离为1~2nm,即残余非晶相的体积分数不大,所以合金的饱和磁感应强度仍可高达1.5T,比著名的高磁导率的坡莫合金(Ni79Fe21)和钴基非晶态合金要高。对于厚度为18μm的条带,在惰性气体保护下,于550℃退火1小时,FeSi晶粒尺寸为13nm,相应的软磁性能为:μ1kHz=100000,Bs=1.24T,Hc=0.5A/m,损耗远低于坡莫合金,和钴基非晶差不多。

近年来,这类纳米晶合金除了用作软磁合金外,又有了新的用途。因为它们具有巨磁阻抗效应,即当高频电流通过条带的同时,如沿条带再施加一直流磁场,条带交流阻抗的相对变化竟高达80%~400%,而且显示出很高的磁场灵敏度,因此,成为十分优异的高灵敏磁传感器的新材料。

除了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9外,属于纳米晶软磁材料还有Fe-M-C、Fe-M-N(M=Ta,Hf,Ti,Nb,Zr)和Fe-M-O(M=Zr,Hf)薄膜等。这些材料是通过溅射法制得非晶态薄膜,然后,将其在一定温度下晶化得到两相组织。一相是晶粒尺寸为10nm左右的体心立方的富Fe相(bcc Fe),另一相是尺寸为1~3nm的碳化物(如TaC)、氮化物(如ZrN)或氧化物相,它们分布在邻近晶粒的晶界交叉点处。由于碳化物或氮化物的晶粒尺寸小于富Fe晶粒尺寸,富Fe晶粒之间的磁性耦合得以维持;又因为碳化物或氮化物的晶粒尺寸远小于畴壁厚度,它们不会对畴壁运动进行钉扎。因此,这类薄膜材料具有良好的软磁性能。典型值为μ1MHz=5000,Bs=1.6~1.7T,λs=10-7。Fe-M-O(M=Zr,Hf)薄膜在高达100MHz的频率下仍有高的磁导率,典型性能为μ100MHz=2000,Bs=1.5T,λs=(1~3)×10-6。
 

 
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