离子轰击诱导铁基非晶晶化机理及其对磁性能的影响

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铁基纳米晶合金具有优异的软磁性能得到广泛应用。通过对非晶合金晶化工艺的调控是实现对纳米晶材料微观结构和性能调控的基础。热退火处理是非晶晶化最常用的方法,通过晶化温度和晶化时间来调控晶粒尺寸以及体积分数以获得高的磁导率,但其弛豫频率较低。提高弛豫频率成为纳米软磁材料的重要发展方向之一。本文采用离子轰击诱导晶化法对铁基非晶合金进行处理,探讨铁基非晶合金在离子轰击作用下的晶化机理,通过离子轰击工艺对纳米材料结构及磁性能的影响规律探讨离子轰击对磁性能的影响机理。  利用不同角度离子束轰击以及衬底温度对非晶合金相结构的转变规律探讨非晶合金在离子轰击作用下的晶化机理。随着离子轰击角度的增大,应力在垂直方向的分力增加,压应力也随之增加,压应力的存在降低了临界形核能从而促进非晶合金晶化,也导致晶化程度的增加。衬底温度对非晶合金的晶化也会产生很大的影响,75°轰击时,自加热台上的样品产生了明显的晶化,而水冷台上的样品仍为非晶状态;90°轰击时,自加热台上样品的晶化程度明显强于水冷台上样品,表明离子轰击引起的热效应是影响非晶合金晶化的重要因素。通过离子轰击角度和衬底温度对非晶合金晶化规律的研究表明离子轰击诱导非晶合金晶化是离子轰击引起的应力和温度共同作用的结果。  利用Ar离子束从不同角度(θ=45°,60°,75°,90°)对Fe78Si13B9非晶合金进行轰击,当θ≤60°时,样品未发生晶化;当θ≥75°时,样品发生明显晶化,即低角度轰击促进原子在短程范围迁移,高角度轰击导致非晶合金晶化。离子轰击引入了磁各向异性并影响材料的磁性能,通过趋近饱和定律法得到有效磁各向异性常数随轰击角度的增加而增加,引入的有效磁各向异性会降低磁导率而增加弛豫频率,一定程度上提高材料的使用频率。然而,当θ=90°时,晶化产物除了α-Fe(Si)相外,还伴有少量Fe-B相生成,从而使材料的软磁性能急剧下降。因此,利用离子轰击方法对Fe78Si13B9非晶合金进行处理需要选择合适的轰击参数。  为解决Fe-B相出现的问题,获得具有优异软磁性能的纳米晶软磁材料,采用不同角度氩Ar离子束对Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3非晶合金进行轰击,晶化产物仅为α-Fe(Si)纳米晶粒,无Fe-B相生成,这是由于Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3非晶合金中α-Fe(Si)相和Fe-B相析出温差大。随着轰击角度的增加样品的磁各向异性有所降低,有效磁各向异性的降低会提高材料的磁导率。同时饱和磁感应强度在一定程度上也有所增加,材料的高频磁性能并未受损。
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