科研进展丨新型优异软磁非晶-纳米晶过渡态合金

2022-09-20
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铁基非晶合金是目前已经得到大规模应用的非晶合金之一。由于其独特的无序结构,表现出极其优异的软磁性能,如低矫顽力、低损耗等特点,广泛应用于各类电力电子的磁性器件中,具有显著的节能环保优势。对这类非晶合金进行合适的热处理,可在非晶基体上析出细小、均匀的纳米晶体,从而得到纳米晶软磁合金,可使其性能进一步提高。现代电子电力设备逐渐向小型化、高效化和节能化发展,这要求软磁合金材料具有高饱和磁感应强度(Bs,有利于小型化)和低矫顽力(Hc,有利于低损耗)。然而,和常用的硅钢材料相比,非晶/纳米晶合金虽然矫顽力较小,但Bs值较低(目前商用的材料一般在1.7T以下)。在过去的几十年中,为了提高软磁非晶/纳米晶合金的Bs值,各国研究者们已做了大量努力。在合金中增加铁磁性元素含量的设计策略是其中最有效、也是最广泛使用的方法。一些含有少量类金属元素和超高铁磁性元素含量的Fe-(BSiPC)和Fe-(BSiPC)-Cu等合金体系也相继被开发出来。但是,铁磁性元素含量的增加会导致其合金非晶形成能力迅速下降,使纳米晶形核长大过程变得苛刻且难以控制,在随后的热处理过程中很难获得低Hc。这导致目前非晶/纳米晶合金的BsHc之间通常存在互斥关系。如何同时获得高Bs和低Hc成为当前软磁非晶合金研究中的一个重要挑战,对其在高功率密度场景中的应用也至关重要。

近期,松山湖材料实验室与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心联合培养博士生李雪松、博士后周靖等人在孙保安副研究员、白海洋研究员和汪卫华研究员指导下,通过全新成分设计思路,成功开发出了一种结构介于传统非晶合金和纳米晶合金之间的新型软磁合金材料,表现出超高的Bs(高达1.94T)和低至4.3A/m的Hc,打破了铁基非晶纳米晶合金体系中BsHc之间的互斥关系。

不同于以往通过提高铁磁性元素含量的成分设计方法,这里通过添加适量Co元素以提高其交换耦合作用,并微合金化Cu、V等元素来平衡非晶形成能力、软磁性能和形核长大之间的相互关系(图1),通过适量实验验证,设计了成分为(Fe0.8Co0.2)85B12Si2V0.5Cu0.5的合金。通过熔体甩带法,制备得到了嵌套纳米晶体稀疏分散在非晶基体中的独特微观结构(图2)。和传统纳米晶合金相比,该合金中的纳米晶体积分数仅为0.5%,同时在纳米晶周围还有尺寸小于5nm尺寸的类晶体团簇。经过磁性能测试,该非晶-纳米晶过渡态合金具有高达1.94T的Bs和低至4.3A/m的Hc。该材料的Bs为迄今为止纳米晶合金材料中的最高值,同时Hc 也很接近于纳米晶合金材料的最低极限(~1A/m),因此打破了铁基纳米晶合金家族中BsHc之间的互斥关系(图3)。研究发现,极高的Bs值是局部磁矩强交换相互作用的结果,这是由适当添加的Co元素和析出小尺寸弥散分布的嵌套纳米晶体(以及<5nm尺寸的类晶体结构)共同作用所导致的。此外,该研究还利用磁力显微镜(MFM)原位观察了外加磁场作用下畴壁的结构和运动方式,发现低Hc起源于畴壁的弱钉扎效应(图4)以及由这种独特的微观结构所导致的低磁各向异性。

基于这种全新的非晶-纳米晶过渡态合金的设计理念,有望开发更多具有优异综合软磁性能的非晶基磁性材料,可以应用在诸如高速电机,大功率光伏并网逆变器等现代电子产品中,为探索制备新一代高性能软磁材料提供了一种新的范式。相关研究成果以“Exceptionally High Saturation Magnetic Flux Density and Ultralow Coercivity Via an Amorphous-Nanocrystalline Transitional Microstructure in an FeCo-Based Alloy”为题,于2022年8月29日在线发表在Advanced Materials上。李雪松,周靖博士为论文的共同第一作者,孙保安副研究员和白海洋研究员为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到了国家重点研发计划(2018YFA0703603)、国家自然科学基金委项目(52192601, 52192602, 52101191, 11790291, 61888102)、广东省基础与应用基础研究重大专项(2019B030302010, 2020B1515120092)的大力支持。

图1 合金设计理念。选择合适的铁磁性元素比例(例如,Fe,Co等)以提高交换耦合作用并保持较高的非晶形成能力,同时添加微合金化元素(例如,Cu,V等)以形成可控的纳米晶结构

图2 (Fe0.8Co0.2)85过渡态合金的微观结构,表现为嵌套纳米晶与小于5nm的类晶体区域弥散分布在非晶基体之中

图3 典型铁磁性纳米晶合金的软磁性能汇总

图4 (Fe0.8Co0.2)85过渡态合金条带在不同退火时间下MFM所测得的磁畴结构及其在不同磁场下的演化行为

 

文章链接:https://doi.org/10.1002/adma.202205863

 

 

撰稿:绿色非晶材料团队