非晶軟磁合金綜合性能調控方法研究獲系列進展

最新 06-14

鐵基軟磁非晶合金在變壓器、電機、感測器等電力電子器件中具有廣闊的應用前景，是重要的節能和綠色環保新材料。軟磁性能和力學變形能力是影響非晶合金應用的兩個重要因素。一般來說原始非晶合金樣品力學變形能力很好，但是非平衡製備過程凍結的殘餘應力會使軟磁性能變差。退火可以降低殘餘應力，大幅提高軟磁性能，但往往會使非晶合金變脆。退火過程主要是利用弛豫現象調控非晶合金性能，然而非晶合金的弛豫模式非常複雜，不同弛豫模式之間也存在耦合作用。研究非晶合金中的弛豫現象，明確不同弛豫模式對性能的影響規律及其微觀物理機制，對解決不同性能之間顧此失彼的問題具有十分重要的意義。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所磁性材料與器件重點實驗室的宋麗建、何娜娜和歐陽酥等在研究員王軍強和副研究員霍軍濤等人的指導下，自2015年起圍繞非晶合金的等溫弛豫行為及其對磁性能的影響規律和微觀機制進行了深入的研究，相關成果和專題於2018年上半年相繼發表並申請專利。首先，利用高精度、超快升降溫速率的閃速掃描量熱儀（Flash DSC），系統研究了不同合金體系在等溫退火處理條件下的弛豫動力學行為。發現等溫退火過程不是單一的弛豫模式，而是存在從β弛豫向α弛豫的轉變過程（見圖1）。即低溫短時間退火時，非晶合金經歷β弛豫，當退火溫度足夠高或者退火時間足夠長則會觸發α弛豫行為。這種等溫轉變過程是排列疏鬆區域自由體積的湮滅使得原子協同運動增強引起的。這些結果表明可以實現非晶合金中不同弛豫模式的精準調控，相關文章發表於Intermetallics93, 101–105 (2018)。

他們進一步通過精準控制鐵基非晶合金中的弛豫模式，發現β弛豫階段能夠有效改善軟磁性能（矯頑力降低，磁導率升高），同時保持良好的力學性能；α弛豫階段對軟磁性能沒有明顯影響，矯頑力和磁導率基本保持不變，但力學變形能力變差，非晶合金變脆（見圖2）。以上工作表明，不同弛豫模式對非晶合金不同性能的影響規律不同，通過精準控制非晶合金中的弛豫模式，可以解決不同性能之間顧此失彼的問題，實現綜合性能的提高。相關工作正在整理投稿中，已經申請國家發明專利(201810310296.5)。

鑒於β弛豫與微觀結構不均勻性的關係，以及宏觀磁性能與微觀磁疇結構的關係，為了進一步研究β弛豫影響軟磁性能的微觀機制，該團隊研究了磁疇運動與結構不均勻性之間的耦合作用。通過原位研究納米壓痕周圍磁疇壁在外加磁場下的運動，發現非晶合金磁化由磁疇壁的移動決定。距離納米壓痕越近，磁疇壁越難移動，意味著磁導率越低。利用振幅調製原子力顯微鏡（AM-AFM）研究了壓痕周圍的微觀不均勻性，發現距離壓痕越近，其黏滯損耗能量越大，這與非晶合金中的剪脹變形機制相關。並原位研究了在拉伸狀態下的微觀不均勻性，發現外應力與黏滯損耗能量之間存在線性關係。基於以上實驗結果，他們發現磁疇壁移動能力與黏滯損耗能量之間存在明顯關聯性（見圖3）。該關係可以用磁彈耦合理論進行擬合，擬合結果表明該軟磁非晶合金中的磁疇壁厚度約為36nm，與粘彈性比均勻性特徵尺度相近。相關結果發表於Phys. Rev. Materials2, 063601 (2018)。

以上研究結果證明非晶合金在等溫退火過程中存在不同弛豫模式轉變，明確了β和α弛豫對磁性能和力學性能的影響規律，以及β弛豫影響磁性能的微觀機制。該結果在非晶合金中具有普適性，有望應用於實際生產過程，實現非晶合金綜合性能的提升。

以上工作受到國家自然科學基金面上項目和青年項目、浙江省自然科學基金傑出青年基金、中科院百人計劃項目和國家重點研發計劃項目的支持。