Fe-,84-（NbV）-,7-B-,9-納米晶軟磁材料的制備及其相關(guān)基礎(chǔ)問題的研究.pdf

1、本文結(jié)合國(guó)家十五攻關(guān)項(xiàng)目“非晶合金粉末固化成型——磁力控制退火晶化法制備大塊狀FeMB合金納米晶的研究”(編號(hào)2001BA310A03-1)，研究了Fe-M-B納米晶軟磁塊體材料的制備方法及其所涉及的基礎(chǔ)問題。 首先，根據(jù)合金熱力學(xué)知識(shí)，計(jì)算了Fe和B與相關(guān)元素各自形成二元有序合金或固溶體時(shí)混合焓的大小，發(fā)現(xiàn)最大的負(fù)混合焓均分別出現(xiàn)于Fe-Nb系和B-Nb系，其次為Fe-V系和B-V系，并且形成有序合金時(shí)能量最低。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)

2、一步考慮了應(yīng)變能、彈性能和結(jié)構(gòu)能的影響，并結(jié)合Slater-Pauling關(guān)系，預(yù)測(cè)了利用機(jī)械合金化法或利用快速凝固—非晶晶化法制備Fe84(NbV)<,7>8<,9>高磁通密度的納米晶軟磁材料的可行性。 在此基礎(chǔ)上，采用機(jī)械合金化．高壓成形法制備了Fe<,84>(NbV)<,7>B<,9>納米晶塊體材料。研究表明，在機(jī)械合金化過程中，隨著球磨時(shí)間的增加，F(xiàn)e、Nb(Ⅴ)、B混合粉末合金化程度逐漸升高，晶粒尺寸逐漸減小，最終形成

3、了具有bcc結(jié)構(gòu)和微納層狀組織的、晶粒為10～15nm的Fe<,84>(NbV)<,7>B<,9>非平衡納米晶固溶體。Ⅴ元素的添加可加速合金化過程。完全合金化的粉末，其M<,s>可達(dá)150～170Am<'2>/kg。粉末邊緣生成的非晶層有利于交換耦合作用的進(jìn)行，改善了合金的矯頑力。在退火過程中，隨著退火溫度的升高，F(xiàn)e<,84>(NbV)<,7>B<,9>納米晶粉末晶粒尺寸逐漸長(zhǎng)大，內(nèi)應(yīng)力逐漸松弛。但在750℃以下退火，納米晶長(zhǎng)大速度很

4、慢，且無新相生成。對(duì)于Fe<,84>Nb<,3>V<,4>B<,9>合金，其晶粒尺寸可保持在10～20nm 范圍內(nèi)。當(dāng)退火溫度高于750℃以后，納米晶尺寸急劇長(zhǎng)大，并且產(chǎn)生了NbFeB等雜質(zhì)相。 在機(jī)械合金化過程中，位錯(cuò)泵機(jī)制和層狀結(jié)構(gòu)為元素間原子擴(kuò)散提供了快速通道。機(jī)械合金化使粉末內(nèi)產(chǎn)生了大量的微納層狀結(jié)構(gòu)，原子可以通過層間界面擴(kuò)散形成非平衡固溶體。機(jī)械合金化過程中，大量位錯(cuò)積累的結(jié)果導(dǎo)致位錯(cuò)胞的形成，并最終發(fā)展為納米晶。當(dāng)晶

5、格畸變和位錯(cuò)密度增至系統(tǒng)自由能足夠高時(shí)可獲得非晶結(jié)構(gòu)。 在上述工作基礎(chǔ)上，采用5.5GPa的成形壓力和1530w加熱功率的高壓成形條件，成功制備了相對(duì)密度大于97％的Fe<,84>(NbV)<,7>/B<,9>納米晶塊體，晶粒尺寸約為10～15nm，飽和磁化強(qiáng)度約為150Am<'2>/kg，矯頑力約為0.85KA/m。退火時(shí)，納米晶塊體晶粒長(zhǎng)大，應(yīng)力松弛以及新相形成的規(guī)律與納米晶粉體基本相同。研究發(fā)現(xiàn)，提高超高壓壓形壓力，不但能

6、有效抑制Fe-Nb、Fe-B等雜質(zhì)相生成，而且能有效防止塊體納米晶尺寸的長(zhǎng)大。這一結(jié)論對(duì)今后納米晶軟磁塊體材料超高壓成形技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。本文還采用水冷銅?？焖倌谭ㄊ状纬晒χ苽淞司哂蟹蔷c納米晶雙相結(jié)構(gòu)的Fe<,84>(NbV)<,7>B<,9>塊體材料，其晶粒尺寸約在10～20nm之間，且均勻分布在非晶基體中。退火時(shí)，塊體中的非晶部分逐漸產(chǎn)生晶化現(xiàn)象，同時(shí)，塊體材料的軟磁性能逐步提高。550℃退火可獲得最佳綜合軟磁性能：

7、B<,s>=1.52～1.54T，H<,c><5.0～8.0 A/m，μ<,e>(1KHz，0.4A/m)=18000～20000。本文研究的水冷銅?？焖倌?非晶晶化法是一種非常有前途的制備高性能納米晶軟磁塊體材料的短流程方法，該方法制備的Fe<,84>(NbV)<,7>B<,9>納米晶塊體材料軟磁性能遠(yuǎn)優(yōu)于目前報(bào)導(dǎo)的各種方法制備的納米晶軟磁塊體材料的軟磁性能，甚至不遜于快速凝固非晶薄帶+非晶晶化法制備的二維帶狀納米晶軟磁材料，其前景

8、是非常誘人的。 根據(jù)Hill微系統(tǒng)熱力學(xué)理論，本文還建立了一個(gè)同時(shí)包含尺寸和形狀效應(yīng)的磁性納米顆粒的居里溫度模型，該模型對(duì)自由態(tài)和嵌入態(tài)Fe、Co、Ni 磁性納米微粒居里溫度的計(jì)算結(jié)果與納米晶體居里溫度下降的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合良好。最后，本文根據(jù)納米晶體結(jié)合能的計(jì)算公式，建立了納米晶體熔化與過熱的等效模型。在此基礎(chǔ)上計(jì)算了Fe、Co、Ni等磁性納米晶體的最小臨界尺寸和最低熔化溫度，分析了其在使用過程中可能存在的熱穩(wěn)定性問題。此外，還建