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纳米晶软磁材料由于具有高饱和磁感应强度,高磁导率,低矫顽力和低损耗等特性而引起了材料科学界的极大关注。自从1988年FINEMET合金被制备出以后,NANOPERM和HITPERM合金相继被开发。其中,FINEMET合金由于其优异的综合软磁性能而得到推广应用。
非晶晶化法制备的纳米晶合金由非晶基体和纳米晶粒共同组成。铁磁交换作用长度内的纳米晶通过交换耦合,使得磁晶各向异性大大降低,从而表现出优异的软磁性能。但在传统的纳米晶软磁合金的制备过程中,为了阻碍晶粒的长大,人们通常添加Nb,Zr,Hf等非磁性金属元素,使合金的饱和磁感应强度降低。因此,开发兼备高饱和磁感应强度和优异软磁性能的纳米晶软磁合金显得日益重要。
本文主要研究了两个体系:
(1)具有高饱和磁感应强度的FeSiBPCu合金系;
(2)具有高饱和磁感应强度和高居里温度的FeCoNbBCu合金系。
首先,本工作在FeSiB合金的基础上,通过提高Fe元素含量以及添加P和Cu元素,制备出兼具高饱和磁感应强度和优异软磁性能的FeSiBPCu系纳米晶软磁合金。研究了P和Cu元素的添加对合金晶化行为,微观结构以及磁性能的影响。利用Kissinger方程计算两相晶化激活能的变化规律。研究发现,适量Cu元素的加入可以降低α-Fe相的析出温度,提高第二相的晶化温度,并制备出饱和磁感应强度超过1.8T,矫顽力低至2.1 A/m的纳米晶软磁合金。
其次,研究了B与P元素的相对含量,退火工艺以及Cr,Mo,Al元素的掺杂对合金微观结构及磁性能的影响,发现适当P元素的添加可以有效的减小纳米晶晶粒尺寸。在高温短时间退火的条件下,成功制备出晶粒尺寸在15 nm,饱和磁感应强度超过1.8 T,矫顽力低至1.1A/m的纳米晶合金。
最后,在适用于高温条件下的FeCoNbB体系中,研究了Cu和Ni元素的添加及调整对FeCoNbB体系的作用。实验发现,通过添加Cu和Ni元素,合金的软磁性能得到了优化。退火后的合金在保持高饱和磁感应强度的前提下,软磁性能得到了极大提升,铁损得到了降低。
综上所述,本文开展此项研究工作的目的是获得兼具高饱和磁感应强度和优异软磁性能的纳米晶软磁合金,为纳米晶软磁合金的推广应用奠定实验基础。