钴铁钪非晶合金的制备和磁性研究

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非晶合金是一类具有特殊结构和性能的合金材料。晶态材料的原子排列具有平移对称性,即原子在三维空间中周期性排列。相比之下,非晶材料的原子排列是长程无序的。非晶合金在能量上处于亚稳态,成分均匀,具有各向同性,因此展现出独特的热学、力学、磁学性能和优异的耐腐蚀性等。非晶合金具有优良的软磁性,并且通过在一定范围内调控成分可较容易地调整非晶合金的原子结构和磁学特性。本文主要研究对象为钴铁钪非晶合金体系。首先采用单辊旋淬法制备出Co90Sc10二元非晶合金条带,并详细研究了其磁性、原子结构和热稳定性;随后采用低成本的铁部分替代合金中的钴元素制备出Co90-xFexSc10三元非晶条带,系统研究了随Fe含量的增加,该三元合金体系的磁性能变化规律,并发现当钴元素含量较少时非晶合金在室温附近表现出明显的磁热效应,具有一定的应用潜力。主要研究成果如下:(1)首次成功制备了Co90Sc10非晶合金条带并发现其具有优异的软磁性能。Co90Sc10非晶合金居里温度远高于室温,甚至高于该体系非晶晶化温度;300 K时其饱和磁感应强度为1.3 T,远高于各种已报导的钴基非晶合金,且在从绝对零度到800 K的极宽温度范围内维持较高的稳定性,具有重大的应用价值。Co90Sc10非晶合金的RDF结果显示Co90Sc10非晶合金的平均原子间距为2.48?,非晶结构中最近邻原子的弥散分布导致非晶态Co90Sc10的居里温度低于晶态Co的居里温度。(2)对Co90Sc10非晶合金条带的热力学和结晶动力学过程进行了系统研究。热分析结果表明其在加热过程中会出现两个结晶峰,晶化温度分别为787 K和896 K,熔化温度为1439 K。当温度达到700 K以上至晶化温度以下,Co90Sc10非晶合金的结构发生弛豫。在等速加热过程中根据Kissinger理论计算得到的表观晶化激活能Ea为388 k J/mol,较高的晶化温度和晶化激活能表明Co90Sc10非晶合金具有较好的热稳定性,可以在较高的温度下保持稳定。在等温晶化过程中,阶段晶化激活能随晶化体积分数先增大后减小,出现一个极大值,原因可能是因为非晶合金发生弛豫时形成的有序原子团簇降低了结晶初始阶段的形核激活能。(3)采用铁元素部分替代合金中的钴元素制备出Co90-xFexSc10三元非晶条带并系统研究了磁性能随成分的变化规律。研究发现在Co90-xFexSc10体系中,成分为Fe75Co15Sc10的非晶合金条带饱和磁化强度高达203 emu/g,换算成饱和磁感应强度为1.8T,高于其他非晶合金,与Fe基纳米晶合金相媲美;Co85Fe5Sc10非晶相的居里温度高达1150 K,超过了以往报导的所有非晶合金材料,Co90-xFexSc10非晶合金具有巨大的应用潜力。Co90-xFexSc10非晶合金的居里温度随着Fe的增加而变化,当0≤x≤55时,居里温度高于晶化温度,在此温度范围内需利用平均场理论估算居里温度,当成分为Co85Fe5Sc10时居里温度达到最大值,居里温度与ra/r3d间的关系符合Bethe-Slater曲线。饱和磁化强度与成分间的变化规律符合电子能带理论。Co90-xFexSc10非晶合金的M-T曲线形状与成分有关,可用平均场理论解释。在Handrich-Kobe模型中,用交换积分非对称参数δ+和δ-来修正Brillouin函数,以便拟合非晶合金的M(T)/M(0)-T/TC曲线。0≤x≤45时,δ+和δ-均接近零,仅略微变化;45<x≤90时,δ+和δ-随x线性增加,Co90-xFexSc10非晶合金从Bethe-Slater曲线的顶点向左移动至斜率较大处。Fe含量增加,非晶合金的磁非对称性增加,平均交换作用减弱。该体系具有潜在的应用价值。(4)发现当Co含量较低时,Co-Fe-Sc非晶合金在室温附近出现显著的磁热效应。研究表明随着Co的增加,磁熵变最大值增加,对应的峰值温度也增加。当外加磁场变化值为1.5 T时,Fe83Co7Sc10的最大磁熵变值最大,为1.40 J/kg K,而在同样的外加磁场变化值下,Fe87Co3Sc10时制冷量最大,为191.9 J/kg。这些数值高于目前报道的大部分铁基非晶合金。将外加磁场变化增加至2 T时,合金的制冷量可以增加至265.2 J/kg,和晶态Gd和Gd5Si2Ge2的数值接近,具有潜在应用价值。
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