Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的交流磁性*

丁燕紅 李明吉楊保和 馬敘

1)(天津理工大學電子信息工程學院，天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室，天津300384)

2)(天津理工大學材料科學與工程學院，天津300384)

(2010年11月7日收到;2010年12月29日收到修改稿)

Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的交流磁性*

丁燕紅1)李明吉1)楊保和1)馬敘2)

1)(天津理工大學電子信息工程學院，天津市薄膜電子與通信器件重點實驗室，天津300384)

2)(天津理工大學材料科學與工程學院，天津300384)

(2010年11月7日收到;2010年12月29日收到修改稿)

研究了退火溫度對Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金交流磁性的影響，并且分析了獲得較好軟磁性能的可能原因．合金的電阻率隨著退火溫度的增加逐漸降低．μ'f0值與飽和磁化強度Ms之間沒有明顯的正比關系，合金的旋磁比γ隨退火溫度的升高應呈不規則的變化趨勢．當退火溫度Ta=873 K時，Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金具有最大的高頻品質因數和弛豫頻率，Q(1MHz)=23.1，f0=25.02 MHz．

納米晶合金，軟磁材料，品質因數，熱處理

PACS:75.50.Bb，75.50.Tt，75.75．－c

1.引言

隨著計算機、信息及電子技術的快速發展，一些工作在高頻率條件下的電子器件迫切需要能夠在高頻條件下具有良好軟磁性能的合金;此外，節能問題是當今世界人們所關注的重要問題之一，因此研究開發具有1 MHz以上高弛豫頻率，而且高頻條件下低損耗的軟磁合金尤為必要．

Fe-Nb－Cu-Si-B納米晶軟磁合金晶粒通過晶間的鐵磁非晶作用具有很強的耦合作用，在低頻下表現出優異的軟磁性能［1—4］．隨著頻率的增長，Finemet軟磁合金的初始磁導率快速下降，而且伴隨著鐵損急劇上升［5，6］．最近，人們研究發現Co基非晶合金經適當溫度退火，可以表現出非常好的軟磁性能［7］;通過用Co部分替代Finemet軟磁合金的Fe，不僅可以提高合金的高溫性能還可以提高合金的高頻性能［8，9］，在頻率為f=1 MHz的條件下，其最大品質因數可以達到Q=19.2［10］．由于合金的初始磁導率、弛豫頻率以及品質因數均與合金的微觀結構有關，改變退火溫度，以上參數會隨之改變．在本文中，我們基于對加Co后Fe-Nb－Cu-Si-B納米晶軟磁合金的復數磁導率頻譜的研究，分析了高頻下獲得高品質因數的可能原因，以及退火溫度對高頻軟磁性能的影響．

2.實驗

采用單輥熔體旋轉快淬法制備出成分為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9的合金條帶，寬5 mm，厚35 μm．將其纏繞成內徑約為11 mm外徑約為18 mm的圓環狀樣品．在真空且無磁場的管式爐中退火30 min后作為磁譜測量的試樣，退火溫度范圍選在非晶晶化起始溫度到晶化完成這一區間內，為573—873 K．用X射線衍射儀分析等溫晶化過程中的相變，并根據展寬的(200)α-Fe衍射峰的峰位和半高寬測定晶化相的平均晶粒尺寸．非晶合金的晶化溫度通過DSC試驗測定，從室溫以20 K/min的加熱速度加熱到1000 K．用振動磁強計(VSM)測量合金的飽和磁化強度．加在樣品上的交流磁場是通過繞在環狀樣品上的漆包線給定的．復數磁導率的表達式為μ=μ'(f)－iμ″(f)，用HP 4294A阻抗分析儀測量出磁譜，該阻抗分析儀的測量頻率范圍為40 Hz—110 MHz．測量過程中加在樣品上的交流電流保持恒定在0.05 A/m，目的是在環狀樣品上產生恒定的交流磁場．通過測量電感和電阻并通過如下公式計算得出復數磁導率的實部和虛部:

L和R分別為樣品的電感和電阻，L0和R0螺線管的電感和電阻，f為交流磁場的頻率．

3.實驗結果與討論

圖1為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線．在20 K/min的加熱速度下，Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線上分別出現了兩個晶化放熱峰，可初步判斷第一個晶化峰對應軟磁固溶體的析出，即α-Fe相的析出;第二個晶化峰為剩余非晶相的晶化，主要和形成Co-B，Fe-B，及Nb-Co化合物的析出有關．兩個晶化峰的起始晶化溫度分別為Tx1=768 K，Tx2=915 K．

圖1 Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金的DSC曲線

圖2 為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金在淬態及不同溫度下退火X射線衍射圖譜．X射線衍射分析表明淬態下合金譜線為漫散的衍射峰，證明淬態下合金為非晶狀態;Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9非晶合金經573 K退火后，XRD譜線上出現晶化相的衍射峰，晶化相可標定為體心立方α-Fe(Co)相，利用Scherrer公式計算，計算合金的平均晶粒尺寸;隨著退火溫度的升高，衍射峰強度逐漸增強，合金的平均晶粒尺寸沒有明顯增大，但晶化分數逐漸增加;當退火溫度Ta≤673 K時，平均晶粒尺寸低于25 nm，經773 K退火后，合金的平均晶粒尺寸明顯增大．

圖2 Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金在淬態及不同溫度下退火X射線衍射圖譜

圖3 為Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金環狀樣品經不同溫度退火后，在交變磁場強度為HAC= 0.05 A/m的條件下所測的磁譜．磁譜顯示出典型的弛豫色散關系．從圖3(a)中可以看到，當f＞1 MHz時，經573 K，623 K，673 K及773 K退火后的樣品隨著頻率的升高，μ'逐漸下降，μ'-f曲線上出現弛豫．經873 K退火后的樣品，μ'在1 kHz—10 MHz范圍內保持恒定．從圖3(b)中可以看到，μ″-f曲線上出現了明顯的疇壁共振弛豫峰．經873 K退火的合金的弛豫頻率可達f0=25.02 MHz，經673 K退火的合金的的弛豫頻率可達f0≈3.23 MHz，而Finemet合金的弛豫頻率大約為40 kHz．根據疇壁釘扎理論，當外加磁場幅度低于釘扎場時，疇壁被釘扎在缺陷處，只能隨外磁場在其平衡位置附近振動．低頻條件下，這種振動過程是可逆的，因而時復數磁導率的實部通常不隨頻率變化．當頻率繼續升高到一定程度，疇壁的振動頻率低于外加磁場的頻率，因而在磁譜上出現了弛豫現象．疇壁的振動好比琴弦的振動，當釘扎點之間的距離比較短的時，疇壁振動的振幅就小，而共振對應的弛豫頻率則相對較大．因而當Co部分替代Fe時，缺陷密度上升，缺陷之間的平均距離縮短，疇壁振動的幅度減小，使合金的共振頻率顯著提高，拓寬了材料使用的頻率范圍．

樣品經673 K退火后具有最大的磁導率，1 MHz條件下μ'(0.05A/m，1MHz)=420，品質因數Q(0.05A/m，1MHz)=3.5;最近Yoshizawa等人［10］在Fe78.8Cu0.6Nb2.6Si9B9合金的基礎上加入Co而制得Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金，其相對磁導率為μ(0.05A/m，100kHz)=205，品質因數為Q(1MHz)=13.4．在高頻條件下(1MHz)，雖然Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金的品質因數比Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金的品質因數低，但在1 MHz條件下Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金具有比Fe8.8Co70Cu0.6Nb2.6Si9B9納米晶合金高1倍的磁導率，而且具有復數磁導率的實部在1 MHz范圍內幾乎不隨頻率變化的特性．在高頻條件下使用的軟磁材料不僅要求具有較高的初始磁導率，而且要求在較寬的頻率范圍內初始磁導率具有較高的穩定性，因而Co部分替代Fe較有效的提高了Fe76.9Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶軟磁合金的高頻使用性能．

圖3 不同溫度退火后Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9合金的磁譜(HAC=0.05 A/m)(a)實部;(b)虛部

為了進一步研究退火溫度對合金交流磁性的影響，圖4直觀的表示出了退火溫度與Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9軟磁合金初始磁導率實部μ'(f=1 kHz)、弛豫頻率f0、品質因數Q(f=1 MHz)、電阻率ρ、飽和磁化強度Ms、平均晶粒尺寸D、磁晶各向異性場Ha及μ'×f0的關系．

平均晶粒尺寸D≤25 nm的納米晶軟磁合金處于交變磁場的條件下(HAC=0.05 A/m)，其初始磁導率μi與弛豫頻率f0具有如下關系:

Ms為飽和磁化強度(A/m)，γ為旋磁比(m/A·s)，Ha為磁晶各向異性場(A/m)．

由(3)式和(4)式兩邊各相乘，可得

根據以上經驗公式，我們不難發現軟磁合金的初始磁導率與其磁晶各向異性場成反比，而合金的弛豫頻率卻正比于合金的磁晶各向異性場．根據(3)式，我們計算出經不同溫度退火后合金的磁晶各向異性場的大小．

從圖4可以看出，對于同一成分的軟磁合金，經不同溫度退火后其初始磁導率與其弛豫頻率及品質因數成反比．經873 K退火的合金具有最大的弛豫頻率和品質因數，1 MHz的條件下，品質因數為Q =19.2，大于同頻率下Fe7.8Co70Cu0.6Nb2.6Si10B9納米晶合金的品質因數Q=19.2［11］．合金的初始磁導率是由于合金在交變磁場下疇壁在其平衡位置做可逆振動的結果，其大小與疇壁厚度及振動的振幅有關．疇壁厚度越小，振幅越大，合金的初始磁導率越大．當退火溫度Ta≤673 K時，由于合金疇壁厚度較低［11—14］，初始磁導率隨退火溫度的升高逐漸增大;Ta＞673 K時，由于合金的平均晶粒尺寸增大導致磁晶各向異性場的增加，合金初始磁導率開始下降．

隨著退火溫度的升高，晶化分數的增大，合金的電阻率呈逐漸下降趨勢．合金的電阻率的與合金的渦流損耗緊密相關，材料的電阻率越大，同頻率條件下材料的渦流損耗越小．從圖4中可以看到，合金的電阻率與品質因數不呈明顯的正比關系．這主要是由于在交變磁場的條件下合金品質因數是總損耗的反應，這包括合金的磁滯損耗、渦流損耗及剩余損耗．隨著退火溫度的升高，合金的軟磁性能下降，磁滯損耗增大;而渦流損耗和剩余損耗也隨著退火溫度的變化同時發生變化，三種損耗綜合作用的結果必然使品質因數與其電阻率不呈明顯的正比關系．

圖4 退火溫度Ta與Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9軟磁合金初始磁導率實部μ'(f=1 kHz)、弛豫頻率f0、品質因數Q(f=1 MHz)、電阻率ρ、飽和磁化強度Ms、平均晶粒尺寸D、磁晶各向異性場Ha及μ'×f0的關系

軟磁合金的飽和磁化強度是一種結構不敏感量，材料的成分決定了飽和磁化強度大小．對比Ms-Ta曲線與μ'f0-Ta曲線，合金的飽和磁化強度及μ'f0基本上不隨Ta的變化而變化．由(5)式，如果經不同溫度退火后合金的旋磁比γ為常數，則Ms與μ'f0呈正比關系，而事實上在圖4中并沒有體現出類似的關系，說明磁性材料的旋磁比γ隨著合金微觀結構的變化呈不規則變化趨勢．

軟磁合金的弛豫頻率f0和品質因數Q是評價其高頻性能的兩個重要參數．較高的弛豫頻率和較大的品質因數說明材料具有較好的高頻性能．在交變磁場條件下，人們希望能將材料低頻下的較高的初始磁導率保持到更高頻率．從圖4可以看出，對于同一成分的軟磁合金，其初始磁導率與其弛豫頻率和品質因數均成反比關系．對于經673 K退火的合金，低頻下(f=1 kHz)具有最高的磁導率，但其弛豫頻率和品質因數都是最低的;而對于經873 K退火的合金卻具有最大弛豫頻率和品質因數，但其磁導率最低．由此可知，在實際應用中通過不同的熱處理條件可以擴展軟磁合金的弛豫頻率并獲得相對較高的品質因數，但可能無法同時使材料具有較高的磁導率．退火溫度Ta≤673 K時，平均晶粒尺寸低于25 nm，磁晶各向異性場隨退火溫度的升高逐漸降低，合金的弛豫頻率和品質因數與磁晶各向異性場均呈正比關系，由此說明提高合金的磁晶各向異性場有助于提高合金的高頻磁性．

4.結論

退火溫度對Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9納米晶合金的交流磁性有顯著影響:經673 K退火后合金具有最大的磁導率，μ'(0.05A/m，1MHz)=420，經873 K退火的合金具有最大的弛豫頻率和品質因數，f0= 25.02 MHz，Q(1MHz)=23.1;對于同一成分的納米晶軟磁合金其初始磁導率與弛豫頻率、品質因數成反比．在實際應用中通過改變的熱處理溫度的方法可以擴展軟磁合金的弛豫頻率并獲得相對較高的品質因數，但可能無法得到初始磁導率及品質因數都佳的效果．

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PACS:75.50.Bb，75.50.Tt，75．75．－c

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No．50972105)，the Major Program of Natural Science Foundation of Tianjin China(Grant No．08 JCZDJC22700)，and the Educational Commission of Tianjin China(Grant No．20090910)．

Corresponding author．E-mail:lucydyh@163．com

AC magnetic properties of Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9nanocrystalline soft magnetic alloy*

Ding Yan-Hong1)Li Ming-Ji1)Yang Bao-He1)Ma Xu2)
1)(Tianjin Key Laboratory of Film Electronic and Communication Devices，School of Electronics Information Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)
2)(School of Material Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)
(Received 7 November 2010;revised manuscript received 29 December 2010)

In this paper，the influence of annealing temperature on AC magnetic property of Fe15.38Co61.52Cu0.6Nb2.5Si11B9nanocrystalline alloy is investigated，and the possible reasons for better high-frequency soft magnetic properties are analyzed．The resistivity decreases as annealing temperature increases．The value ofμ'f0is not in direct proportion to saturation magnetization Msbecause of irregular variation of the gyromagnetic ratio with annealing temperature．At annealing temperature Ta=873 K，the alloy has the largest quality factor and relaxation frequency，i．e．，Q(1MHz)=23.1 and f0=25.02 MHz．

nanocrystalline alloy，soft magnetic material，quality factor，heat treatment

*國家自然科學基金(批準號:50972105)，天津市自然基金重點(批準號:08 JCZDJC22700)和天津市教委資助項目(批準號:20090910)資助的課題．

E-mail:lucydyh@163.com