納米晶軟磁合金磁場退火效應研究進展

史瑞民

(邯鄲學院 數理學院，河北 邯鄲 056005)

以Finemet[1]、Nanoperm[2]、Hitperm[3]為代表的納米晶軟磁合金，自上世紀80年代末問世以來，已發展成為軟磁材料領域內不可或缺的重要組成部分。通過調整合金成分，可以使納米晶軟磁合金獲得最佳的軟磁性能。以FeCuNbSiB為主要成分的Finemet，磁導率高達105，矯頑力小于1 A/m[4]。由于其居里溫度較低(約為300 ℃)[5]，大大限制了其在高溫下的應用。為克服這一弱點，在Finemet中摻加適量Co，合金的非晶居里溫度提升至450 ℃[5]，很大程度上擴展了納米晶合金的溫度使用空間。但由于加入了高磁致伸縮元素Co，使得合金整體磁致伸縮增大，合金在室溫下的軟磁性能急劇下降[6]。為了降低合金的磁致伸縮，在合金中摻加負磁致伸縮元素Ni，合金的室溫性能雖得到一定改善，但其居里溫度又出現了明顯的降低[7]。

除調整合金成分外，磁場退火也被廣泛應用于改善納米晶合金的軟磁性能。磁場退火，常用于合金材料的熱處理中[8-9]，即在對合金的熱處理過程中施加一個外磁場，使合金內部磁性原子在擴散過程中因受外磁場影響而重新排布，得到新的原子排列方式或磁疇結構。常見磁場退火方式有：縱向磁場退火、橫向磁場退火、旋轉磁場退火和脈沖磁場退火等。因操作簡單，避免了因調整成分而造成的高經濟成本等弊端，對納米晶軟磁合金的磁場退火效應研究，已成為軟磁合金研究的熱點之一。并且，磁場退火也逐漸被應用到對鐵氧體軟磁材料的熱處理中[10-11]。

以往對納米晶軟磁合金的磁場退火效應研究，多集中在磁場退火后合金晶態磁性的變化上，并形成了較為系統的結論，如：經過縱向磁場退火后，合金的磁滯回線呈矩形化，矯頑力和磁致損耗明顯減小[13]；橫向磁場退火后，磁滯回線狹長平滑化，剩余磁感應強度明顯減小等[14]。近幾年來，對納米晶軟磁合金磁場退火的研究主要集中在：磁場退火對納米晶軟磁合金晶化行為的影響、磁場退火對納米晶軟磁合金磁疇結構的影響等。

1 磁場退火對納米晶軟磁合金晶化行為的

影響

P. Marín等[15]對Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3非晶條帶在733 K和793 K下進行了磁場退火和無磁退火，并進行了透射電鏡圖譜分析，如圖1所示。

(a)733 K，H=0 A/m；(b)733 K，H=4000 A/m； (c)733 K，H=11200 A/m；(d)793 K，H=0 A/m圖1 磁場退火和無磁退火后Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 合金的透射電鏡圖(白色箭頭為磁場方向[15])Fig.1 TEM images for Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 alloy after magneticield annealing and non-magnetic annealing(white arrow for magnetic field direction[15])

該研究發現，在退火過程中外磁場對納米晶粒的大小起到了促進作用，733 K條件下，無外磁場時，所形成晶粒的大小約為6 nm；當施加4000 A/m的磁場時，晶粒大小增大至10 nm，并且晶粒有沿外場方向增長的趨勢；進一步加大磁場至11200 A/m，晶粒迅速增長至25 nm。而在沒有外磁場時，提高退火溫度至793 K，可以看到隨機分布的晶粒增加，沒有晶粒聚集和方向性排列。

R. Onodera等[16]研究發現，660 K無磁退火后，Fe83.3Si4.2B12.5非晶合金中分布少量軟磁納米晶粒；施加15 T強磁場，納米晶粒數量明顯增加，晶體相在合金中的比重增加。還可以看到，兩種退火條件下，析出晶粒大小沒有發生明顯的變化。見圖2。因此，磁場退火后合金晶體相比重增加的主要原因是晶粒成核率的增加，而非晶粒的增大。

(a)B=0 T；(b)B=15 T圖2 Fe83.3Si4.2B12.5非晶合金660 K磁場退火和 無磁退火10 min后的透射電鏡圖[14]Fig.2 TEM images of Fe83.3Si4.2B12.5 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealed at 660 K for 10 min

R.Madygundo等[17]對Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金進行了560 ℃無磁退火和磁場退火，見圖3。可以看出，無外磁場條件下，合金析出的納米晶粒尺寸為15 nm左右；施加7 T的強磁場后，納米晶顆粒尺寸細化為7～8 nm。這一結果與P. Marín等[15]得到的結果截然相反。

(a)B=0 T; (b)B=7 T圖3 Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金560 ℃無磁退火 和磁場退火后的透射電鏡圖[17]Fig.3 TEM images of Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealing at 560 ℃

對于R.Madygundo等[17]和P.Marín等[15]的實驗結果，我們更傾向于前者，合金經磁場退火后，軟磁性能得到改善。而納米晶合金優異的軟磁性能來源于超細晶粒間的磁交換耦合作用，在晶粒尺寸不大的前提下，晶粒越多，交換作用也就越強，合金的軟磁性能也隨之優化。考慮到矯頑力HC與晶粒尺寸D六次方呈正比關系[18]，當晶粒增大時，合金的軟磁性能將降低。

2 磁場退火對納米晶軟磁合金磁疇結構的

影響

磁疇結構的變化是納米晶軟磁合金磁場退火關注的另一熱點。目前大都是利用磁-光Kerr顯微鏡技術觀察合金的磁疇結構。C.L.Zhao等[19]對Fe83-xCoxB11P3Si2C1(x=0～20)非晶合金進行了磁場退火效應研究，對淬態、663 K無磁退火和磁場退火后合金的磁疇結構進行觀察分析，如圖4所示。

(a)Fe83B11P3Si2C1合金淬火態；(b)Fe83B11P3Si2C1合金無磁退火； (c)Fe83B11P3Si2C1合金磁場退火；(d)Fe68Co15B11P3Si2C1合金淬火態； (e)Fe68Co15B11P3Si2C1合金無磁退火；(f)Fe68Co15B11P3Si2C1合金磁場退火圖4 Fe83B11P3Si2C1和Fe68Co15B11P3Si2C1合金的磁疇結構圖[19](a)quenching state of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(b)non-magnetic annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(c)magnetic field annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(d)quenching state of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(e)non-magnetic annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(f)magnetic field annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloyFig.4 Images of magnetic domain structure of Fe83B11P3Si2C1 and Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy[19]

研究發現，由于較大內應力的存在，合金在淬態時磁疇分布極不規則；經過663 K退火后，合金中仍存在釘扎位，這對合金軟磁性能的提高不利；在退火過程中，沿條帶方向加以200 Oe的外磁場，磁疇內磁矩方向將沿外場方向排列，磁疇壁逐漸消失，釘扎效應幾乎消失，磁疇界面線性地整齊排列，這種排列方式將隨著退火的結束而保留在合金中。可見，磁場退火使合金內部磁矩線性排列，在外磁場方向感生出易磁化軸。若沿該方向進行磁化，將更容易發生180°位移，這種疇壁位移使磁致伸縮或磁致電阻降低到幾乎為零[20]。因此，磁場退火后，合金的磁致伸縮或磁致電阻將明顯減小[21]。

H. Li等[22]對Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8非晶合金和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8非晶合金進行了磁場退火研究，并分析了磁疇結構的變化情況，如圖5所示。對于Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金，在淬火態和磁場退火后，均呈現出較為規則的條紋磁場。但淬態時有明顯的釘扎位存在，而經過磁場退火后釘扎中心消失，條紋狀的磁疇結構更為規則，沿條紋方向合金更容易被磁化。Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金無論是淬火態還經磁場退火后，合金的磁疇結構都不規則。相比之下，磁場退火在一定程度上減少了分支狀的磁疇結構。

(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金淬火態；(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金400 ℃磁場退火； (c)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金淬火態； (d)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金340 ℃磁場退火圖5 Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金磁疇結構[22](a) quenching state of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 400 ℃ for Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy; (c)quenching state of Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 340 ℃ for Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloyFig.5 Images of magnetic domain structure of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 and Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy[22]

3 結語

結合磁場退火的研究成果，綜述了磁場退火對納米晶軟磁合金晶化結構和磁疇結構的影響。相對于無磁退火，磁場退火起到了細化晶粒大小，加速晶粒成核速率，增加了納米晶晶粒數量的作用。磁場退火有利于合金中晶粒間磁交換耦合作用的增強，起到了優化納米晶軟磁合金軟磁性能的作用。磁場退火后，磁疇結構發生明顯改變，釘扎位消失，磁疇沿外場方向整齊排列，這種方向性排列可以使合金在該方向的磁致伸縮或磁致電阻下降到幾乎為零，優化了合金的軟磁性能。然而，在納米晶軟磁合金磁場退火效應的研究中，理論分析的報道尚不多見，從理論上說明磁場退火效應的微觀機理還需要進一步研究。