综述·动态·评论新型纳米晶软磁合金及其应用张世远南京大学物理系3 Fe-Si-B-Cu-Nb纳米晶合金这种纳米晶合金是最先发现的新型软磁材料因此研究退火过程中微结构的变化十分重要图 3 为晶化过程示意图在退火的开始阶段通过调幅分解或成核机理成分接近于30at% Cu的Cu团簇Fe的浓度也会出现涨落体心立方晶态相的晶核密度明显增大而Nb和B则因为不溶于α-FeSi 相中而在残余非晶相中富集当晶化继续时最后富Cu颗粒顺磁相的直径达到5 nm 左右然而它的析出不会对软磁性能造成有害影响图4是最佳热处理后合金中所观察到的微结构α-FeSi相含~20at% Si残余非晶相~5at% Si富Cu相Si Nb中每一种都小于5at%差热分析和X射线衍射实验表明[20]以上温度退火Fe2B相一经析出由于硼化铁具有大的磁晶各向异性常数Lo≈ 5nm即使Fe2B的体积分数只有百分之几如图5所示除了可以有效阻止α-FeSi相长大之外的温度下才析出图3 FINEMET合金的纳米晶化过程[20]图4 FINEMET合金用透射电镜观察到的典型微结构[21]3.2 饱和磁化强度Fe 73.5Si 13.5B 9Cu 1Nb 3纳米晶合金的饱和磁化强度J s 主要由α-FeSi 晶粒的成分及体积分数决定这种合金在淬态下为单一的非晶相J s (T ) = J 0 (122T C 是居里温度因此合金在经过520J s 1/β ~T 由两段斜率不同的直线组成处显然内部包含残余非晶相和纳米α-FeSi 相两个铁磁相和T C2=600因此在室温下可将总磁化强度分成两项之和23RTRT经过对图6的拟合从T C 2值可根据Fe-Si合金的已知数据推断出纳米晶粒中的Si 含量约为23%该相的J 2 (RT ) =1.3T由非晶相的体积分数V 1 = 1将两相组织等效于一球形晶粒被一薄层的非晶相所包围则可从近似公式V 1=3δ /D 推算出α-FeSi 晶粒间距δ ≈1.2nm约为80%顺便指出非晶相的体积分数约为34%与磁极化强度分析结果稍有差别残存非晶相的磁晶各向异性可以忽略πδ≈(A / <K >)1/2将A ≈10<K > ≈ 0.5 J/m 3代入对于一无应变样品可以估计出畴壁厚度为2µm畴壁预计还要窄得多比值 δ /D 似乎要更大或许可达200左右该图中实际上在这种材料中因此畴壁钉扎很小其典型值为100 MPa 左右为使磁性优化然而1退火温度T a /图5 退火温度对纳米晶磁性的影响[9]图6 非晶态和纳米晶合金饱和磁极化 强度的温度依赖性[8]图7 纳米晶材料中180使在良好的退火处理后材料中仍然会有百分之几的内应力保留下来将薄带卷绕成圆环的过程中也会产生附加应力产生的磁弹性各向异性仍会限制软磁性能的提高高磁致伸缩的Fe基合金10即使在良好的应力释放处理后为了获得必须设法使磁致伸缩显著降低才行在Fe 基纳米晶合金中66)~256合金的饱和磁致伸缩系数s λ由下式给出25v cr 为 α-FeSi 相的体积分数要使s λ→0上面已经指出是合乎这一要求的有利于实现纳米晶合金磁性的应力不敏感性正因为这样也可以使其饱和磁致伸缩系数平均为零3.5 感生各向异性 对软磁材料来说为了满足这些不同的使用要求为实现这一点有目的地在软磁材料内部另外感生出一种单轴各向异性则分别沿其易磁化方向或垂直于易磁化方向磁化3.5.1 磁场感生各向异性磁滞回线的形状可以按照各种应用的需要加以改变纳米晶合金也可通过磁场退火来实现这一点原子方向最后得到的矩形回线表明还有Yoshizawa 等[22]用单辊快淬法制备的Fe 73.5Si 13.5B 9Cu 1Nb 3薄带绕成外径19mm放入氮气炉中分别施加纵向场对横向场退火合金测得感生各向异性常数K u =15J/m 3如图8所示而经过横向场退火的合金具有扁平型B~H 回线无磁场退火合金在低于150 kHz 的频率下有很高的磁导率104而纵向场退火合金磁导率的频率依赖性要劣于其他类型的退火合金这一点超过了非晶态合金可使其应用温度提高到大约150°C同时施加外加应力而在样品中感生的磁各向异性称为滑移感生各向异性Fe 74Cu 1Nb 3Si 13B 9m在沿其带轴方向施加不同张应力退火保持不变而后者在100MPa 张应力作用下于500随着退火时间的延长磁畴平行于带轴随后变成扁斜形回线磁畴内磁化矢量垂直于带轴在这些纳米晶合金中比磁场热处理的相应值要大三个数量级左右0.100.10.20.30.40.5H /A·m3.6 电磁性能图9示出了(a)两种FINEMET 纳米晶合金[2]和(b)Fe-M-O,C 纳米晶合金与其他几种软磁材料的初始磁导率频率依赖性的比较[25]而 FINEMET-1L 则是经过横向磁场退火的材料B s = 1.35T10kHz 的有效磁导率e µ分别为50000和22000两者的磁导率在较宽的频率范围内都比较高图9 b示出了Fe 62Hf 11O 27Co 44.3Fe 19.1Hf 14.5O 22.1和Fe-Si-Al-Hf-C 等纳米颗粒膜复数磁导率实部与传统软磁材料Ni-Fe 和Fe-Si-Al 合金的比较表1详细列举了若干纳米晶合金表1 纳米晶合金mD /nm B s /T 1λs /10−6ρ/·m W 14/50/W·kg1双相纳米晶合金Fe 73.5Si 13.5B 9Nb 3Cu 1Fe 73.5Si 13.3B 9Nb 3Cu 1Fe 91Zr 7B 2Fe 90Zr 7B 3Fe 89Zr 7B 3Cu 1(Fe 0.985Co 0.015)90Zr 7B 3(Fe 0.98Co 0.02)90Zr 7B 2Cu 1(Fe 0.995Co 0.005)90Zr 7B 3Fe 89Zr 7B 3Pd 1Fe 89Hf 7B 4Fe 84Nb 7B 9Fe 84Nb 7B 9Fe 83Nb 7B 9Ga 1Fe 83Nb 7B 9Ge 1Fe 83Nb 7B 9Cu 1Fe 86Zr 3.25Nb 3.25B 6.5Cu 1Fe 85.6Zr 3.3Nb 3.25B 6.8Cu 1Fe 84Zr 3.5Nb 3.5B 8Cu 118201820201922212018221019241919181910161612161213131010989881.241.281.671.631.641.641.701.621.631.591.501.551.481.471.521.611.571.53108.52.72.93.42.74.83.43.03.23.63.03.82.94.91116120.51.15.54.24.54.24.23.53.24.57.07.64.85.63.82.01.21.7−2.1−1.1−1.10−0.1−1.20.10.21.1−0.3−0.30.3 1.150.440.510.530.480.580.700.690.640.560.560.610.210.120.080.140.140.220.050.0639.149.479.7185.463.780.859.075.727.547.069.254.760.049.058.7非晶态合金Fe 78Si 9B 13Co 70.5Fe 4.5Si 10B 15Co 68Fe 4(MoSiB)28Co 75(FeMn)5(MoSiB)23Fe 76(SiB)242021232323 1.560.880.550.801.4517150.30.8 3.51.20.30.53~ 0~ 0~ 032 1.371.471.351.301.350.28166.062.0354050晶态合金Ni 80Fe 20Ni 50-60Fe 50-4010510550700.751.5510 c)4 c)<1250.550.45>90 d)>200 d)注** 磁芯损耗W a/b 表示在磁感应强度为 a ×10c) 频率为50Hz 的磁导率值 D -晶粒尺寸 λs - 饱和磁致伸缩系数e –有效磁导率-电阻率t -薄带厚度Co 基非晶合金MnZn 铁氧体Fe 基非晶合金FINEMET(FT-1M)FINEMET(FT-1L)f /kHz1251020501002005001k 2k 5k 10k1005020105210.50.2(a) FINEMET 纳米晶合金[2]; (b) Fe-M-O,C 纳米晶合金[25]图7 插入损耗随YIG 薄膜FMR 的变化4 静磁表面波器件研制过程中的几点体会对实际制作的静磁表面波器件来说适当减小器件插损须从以下几个方面着手1铁磁共振线宽尽可能小换能器设计合理准确调节器件匹配尽量减小器件输入功率被反射的几率4防止静磁波激励波形被淹没5减小由于磁场不均匀引起的信号输出异常静磁表面波器件由于其传播特性的影响所以本文对关于静磁表面波器件插入损耗的理论进行了总结参考文献电子科技大学, 1999.[2]匡轮. [J]. 系统工程与电子技术, 1995, (7): 30-39.[3] Sethares J C, Weinberg I J.[J]. Circuit System Signal Prosecs, 1985, 4: 41-62.[4] Sethares J C . [J]. IEEE Trans MTT, 1979, 27(11): 902-907.[5] Ganguly A K, Webb D C, Banks C. [J]. IEEE Trans MTT, 1978, 27: 444-453.[6]刘颖力杨青慧女2001年本科毕业于电子科技大学在交变场中工作的软磁材料由于总磁芯损耗P c 是磁滞损耗P h 和涡流损耗P e 之和P e /f = a 26f 是工作频率如果P c / f ~f 关系是线性的在金属软磁材料中反常损耗即P e = P e ma + P e mi其中可由下式计算P e ma = π 2 d 2 B m 2 f 2 / 6ρ式中B m 为振幅磁感应强度由此可见电阻率越高磁滞损耗依赖于磁滞回线的面积和频率纳米晶合金是满足这些条件的在B m = 0.2 T和f =100kHz 条件下FINEMET-1M 材料的P h / f = 0.42 J/m 3, P c / f − P h / f = 2.3 J/m 3而FINEMET-1L 材料的P h / f = 0.49 J/m 3, P c / f − P h / f = 2.0 J/m 3, P e ma /f = 1.87 J/m 3对于这种纳米晶合金在传统软磁材料中如果晶粒相当大28 从表1可看到其电阻率在115µ比非晶态合金略低再说加上内部的纳米结构因此使其具有很低的磁芯损耗S 21/d Bf /GHz140804.14.24.44.50.40.81.21.62×79.6。