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新型優(yōu)異軟磁非晶-納米晶過渡態(tài)合金(圖文)

發(fā)布者：眺望科技發(fā)布日期：2022-09-23

鐵基非晶合金是目前已經(jīng)得到大規(guī)模應用的非晶合金之一。由于其獨特的無序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出極其優(yōu)異的軟磁性能，如低矯頑力、低損耗等特點，廣泛應用于各類電力電子的磁性器件中，具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢。對這類非晶合金進行合適的熱處理，可在非晶基體上析出細小、均勻的納米晶體，從而得到納米晶軟磁合金，可使其性能進一步提高?，F(xiàn)代電子電力設備逐漸向小型化、高效化和節(jié)能化發(fā)展，這要求軟磁合金材料具有高飽和磁感應強度（Bs，有利于小型化）和低矯頑力（Hc，有利于低損耗）。然而，和常用的硅鋼材料相比，非晶/納米晶合金雖然矯頑力較小，但Bs值較低（目前商用的材料一般在1.7T以下）。在過去的幾十年中，為了提高軟磁非晶/納米晶合金的Bs值，各國研究者們已做了大量努力。在合金中增加鐵磁性元素含量的設計策略是其中最有效、也是最廣泛使用的方法。一些含有少量類金屬元素和超高鐵磁性元素含量的Fe-(BSiPC)和Fe-(BSiPC)-Cu等合金體系也相繼被開發(fā)出來。但是，鐵磁性元素含量的增加會導致其合金非晶形成能力迅速下降，使納米晶形核長大過程變得苛刻且難以控制，在隨后的熱處理過程中很難獲得低Hc。這導致目前非晶/納米晶合金的Bs和Hc之間通常存在互斥關(guān)系。如何同時獲得高Bs和低Hc成為當前軟磁非晶合金研究中的一個重要挑戰(zhàn)，對其在高功率密度場景中的應用也至關(guān)重要。

近期，松山湖材料實驗室與中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心聯(lián)合培養(yǎng)博士生李雪松、博士后周靖等人在孫保安副研究員、白海洋研究員和汪衛(wèi)華研究員指導下，通過全新成分設計思路，成功開發(fā)出了一種結(jié)構(gòu)介于傳統(tǒng)非晶合金和納米晶合金之間的新型軟磁合金材料，表現(xiàn)出超高的Bs（高達1.94T）和低至4.3A/m的Hc，打破了鐵基非晶納米晶合金體系中Bs和Hc之間的互斥關(guān)系。

不同于以往通過提高鐵磁性元素含量的成分設計方法，這里通過添加適量Co元素以提高其交換耦合作用，并微合金化Cu、V等元素來平衡非晶形成能力、軟磁性能和形核長大之間的相互關(guān)系（圖1），通過適量實驗驗證，設計了成分為(Fe0.8Co0.2)85B12Si2V0.5Cu0.5的合金。通過熔體甩帶法，制備得到了嵌套納米晶體稀疏分散在非晶基體中的獨特微觀結(jié)構(gòu)（圖2）。和傳統(tǒng)納米晶合金相比，該合金中的納米晶體積分數(shù)僅為0.5%，同時在納米晶周圍還有尺寸小于5nm尺寸的類晶體團簇。經(jīng)過磁性能測試，該非晶-納米晶過渡態(tài)合金具有高達1.94T的Bs和低至4.3A/m的Hc。該材料的Bs為迄今為止納米晶合金材料中的最高值，同時Hc 也很接近于納米晶合金材料的最低極限（~1A/m），因此打破了鐵基納米晶合金家族中Bs和Hc之間的互斥關(guān)系（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，極高的Bs值是局部磁矩強交換相互作用的結(jié)果，這是由適當添加的Co元素和析出小尺寸彌散分布的嵌套納米晶體（以及<5nm尺寸的類晶體結(jié)構(gòu)）共同作用所導致的。此外，該研究還利用磁力顯微鏡（MFM）原位觀察了外加磁場作用下疇壁的結(jié)構(gòu)和運動方式，發(fā)現(xiàn)低Hc起源于疇壁的弱釘扎效應（圖4）以及由這種獨特的微觀結(jié)構(gòu)所導致的低磁各向異性。

基于這種全新的非晶-納米晶過渡態(tài)合金的設計理念，有望開發(fā)更多具有優(yōu)異綜合軟磁性能的非晶基磁性材料，可以應用在諸如高速電機，大功率光伏并網(wǎng)逆變器等現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，為探索制備新一代高性能軟磁材料提供了一種新的范式。相關(guān)研究成果以“Exceptionally High Saturation Magnetic Flux Density and Ultralow Coercivity Via an Amorphous-Nanocrystalline Transitional Microstructure in an FeCo-Based Alloy”為題，于2022年8月29日在線發(fā)表在Advanced Materials上。李雪松，周靖博士為論文的共同第一作者，孫保安副研究員和白海洋研究員為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0703603）、國家自然科學基金委項目（52192601, 52192602, 52101191, 11790291, 61888102）、廣東省基礎與應用基礎研究重大專項（2019B030302010, 2020B1515120092）的大力支持。