空气中温度退火FeCo 基薄带的巨磁阻抗效应＊

何 佳，方允樟，范晓珍，李文忠，严维燕，何兴伟，蔡 晶

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

0 引言

2004 年，Inoue 研究小组报道了(Fe，Co)-B-Si-Nb 软磁大块非晶合金系具有十分良好的磁学性能和力学性能［1－3］.该组分可以通过铜模吸铸法制备出直径最大达5 mm 的非晶棒，软磁性能优异，饱和磁感应强度为0.84～1.13 T，矫顽力为1.5～2.7 A/m.与以往单纯铁基的非晶合金相比，其机械性能也相当优异，抗拉强度可达4 210 MPa，杨氏模量超过200 GPa，这些特性保证了其在实际应用中的可行性.非晶合金的软磁性能一直是研究的热点，基于巨磁阻抗的研究也相继展开，得到了大量的理论与实验成果.在实验中，一般通过对非晶软磁合金进行不同退火处理来改善材料的技术磁性.本文通过温度退火来改善材料的磁性能，并在退火过后的样品中采用纵向驱动模式［4］测得具有双峰结构的GMI 曲线.GMI 曲线体现了驱动场、外磁场与样品自身磁结构三者之间的关系.在现有相关文献中，具有横向结构的软磁材料采取横向驱动的方式会得到双峰的GMI 曲线［5-8］，但在纵向驱动模式下出现双峰GMI 曲线的报道还未见到.

本工作在空气中对FeCo 基薄带进行温度退火，研究了退火温度对于样品GMI 效应的影响.以往的温度退火都在真空或者惰性气体保护的环境下进行［9-10］，这样对仪器本身的要求较高，并且对于气体的消耗量也巨大，在成本与资源上造成浪费.本文在空气中退火能够改善薄带的性能，操作简单，对仪器要求不高，不通气体保护也节约了成本，在实际应用中具有优势，具有环境友好与资源节约的竞争力.

1 实 验

采用单辊快淬技术制备宽0.65 mm，厚21 μm，宽度与厚度均匀一致的Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2非晶薄带，采用Y-2000型全自动X 射线衍射仪(CuKα，λ=0.154 nm)对样品进行物相分析，经分析为非晶态.截取长为15 cm 的铸态样品放入退火炉中，并保证每次实验样品处于炉中同一位置.退火炉升温速率为5 ℃/min，升温到指定温度保温1 h，然后随炉冷却至室温.退火温度范围为280～630 ℃.在不同温度退火样品相同位置处截取长为2 cm 的小段，置入自制的驱动线圈(直径d=0.8 mm，采用直径为0.08 的漆包线绕制120 匝)内组成1 个等效阻抗元件，再接入HP4294A型阻抗分析仪测量样品的磁阻抗，交变电流振幅为10 mA，交变电流通过驱动线圈使其产生相对样品为纵向的驱动磁场.外加磁场由亥姆霍兹线圈提供，磁场方向平行于样品轴向.为减小地磁影响，直流外磁场与地磁场方向垂直.图1 为纵向驱动巨磁阻抗测量示意图.定义巨磁阻抗比为

图1 纵向驱动巨磁阻抗测量示意图

式(1)中:Z(Hex)，Z(Hmax)分别是任意外磁场和最大磁场时所对应的阻抗值.

2 结果与讨论

图2 是选在750 kHz 频率下的铸态及不同温度退火的巨磁阻抗曲线.图2(a)是铸态及100～280 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄带的GMI 曲线.从图2(a)可以看出，280 ℃以下退火得到与铸态形状相似的GMI 曲线，即零场附近尖锐两边向中间收缩的曲线，并且阻抗比变化不大.图2(b)是铸态及290～530 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄带的GMI 曲线.由图2(b)可见，铸态曲线呈现单峰形式，退火之后，从290 ℃起曲线开始呈现双峰;290～350 ℃时，GMI 曲线的最大巨磁阻抗比要小于铸态样品的最大巨磁阻抗比;400～530 ℃时，GMI 曲线的最大巨磁阻抗比要高于铸态，最大巨磁阻抗比随退火温度单调上升，并在530 ℃时达到最大值692.72%，且在400 ℃退火时出现了良好的线性，区间为69.76～697.65 A/m，关于零点对称.图2(c)是530～550 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄带的GMI 曲线.由图2(c)可以看出，在此温度区间，GMI 曲线由双峰向单峰过渡，530 ℃和535 ℃时都呈现双峰的形状，540 ℃时两峰之间下凹处已经不明显，545 ℃时双峰已经消失，并且在零场附近不敏锐，有一个小“平台”，550 ℃时已经形成了一种双峰与单峰叠加的组合峰形状，即中间的峰很尖锐，而肩膀处向两边突出.图2(d)是550～630 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄带的GMI 曲线.由图2(d)可以看出，550～600 ℃时，GMI 曲线均呈现出一种单峰与双峰叠加的组合峰的形状.最大巨磁阻抗比也随退火温度的升高而增加，随后在600～630 ℃时随之下降，并且GMI 曲线呈现单峰形式，在600 ℃时达到最大值711.31%，并且在610 ℃时又出现了良好的线性，线性区间为0～697.65 A/m.

图2 在750 kHz 时不同温度退火下的巨磁阻抗曲线

图3 是750 kHz 时最大巨磁阻抗比随温度的变化曲线.由图3 可以看出，最大巨磁阻抗比随温度的变化是先增大再减小的趋势，在530 ℃达到一个最大值692.72%.图4 是双峰巨磁阻抗曲线的双峰间距随温度的变化关系，双峰间距是指两峰最大值之间的距离.从290 ℃开始，双峰的间距开始增加，直到460 ℃达到最大值498.1 A/m;之后，两峰之间的距离开始减小，直到530 ℃时，双峰间距减小到278.06 A/m.

一般具有正磁致伸缩系数的非晶带，易磁化方向为轴向［11］.290 ℃以下退火，发现巨磁阻抗曲线的形状相对于非晶状态没有太大变化，说明此时温度还没有对内部磁结构产生大的作用.290～350 ℃时，GMI 曲线的最大巨磁阻抗比要小于铸态样品的最大巨磁阻抗比，并且相对于非晶的GMI 曲线变成了双峰形状，这是因为FeCo 基合金当中Fe 的含量与Co 的含量相同，随着退火温度的慢慢升高，Co 基的非晶相与Fe 基的非晶相开始分离、偏析，Co 基非晶相的双峰与比较弱的Fe 基非晶相的单峰叠加，表现为双峰.400～530 ℃时，GMI 曲线的最大巨磁阻抗比高于铸态，此时双峰展宽，这是由于在这个温度范围内，具有横向易磁化结构的Co［12］基非晶相的偏析更加突出，而400 ℃出现良好的线性是因为Fe 基非晶相与Co 基非晶相达到了最好的比例.由图4 可看出，双峰间距在450 ℃处达到一个最大值，结合FeCoNbSiB的DSC 曲线(见图5)可以看出，在450 ℃处有一下凹，说明此处有相变，也就是前面提到的Co 基非晶相的偏析.由图3 看出，巨磁阻抗比在530 ℃时达到了最大值，此时，内应力得到释放，并有纳米晶相的析出，使得软磁性能达到最佳.

图3 750 kHz 时最大巨磁阻抗比随温度变化曲线

图4 双峰间距随温度的变化曲线

图6 为不同温度退火的X 射线衍射谱.由图6 可以看出:在540 ℃退火1 h 后开始在α-FeCo 最强峰(110)对应位置上出现晶化峰，但是晶化峰强度很小;从580 ℃开始，晶化峰开始变强，峰宽变窄，在550～600 ℃时，GMI 曲线呈现出一种单峰与双峰叠加的组合峰形状，这是α-FeCo 纳米晶相的单峰与Co基非晶相的双峰相叠加呈现出来的组合峰.由图2(d)可以看出，高于600 ℃时，GMI 曲线的形状完全过渡成单峰，并且有比较好的线性，这可能是由于表面氧化与内部结构的相互耦合作用而出现良好的线性.

图5 FeCoNbSiB 的DSC 曲线

图6 不同温度退火的FeCo 基X 射线衍射谱线

3 结论

1)铸态的FeCoNbSiB 合金薄带的GMI 曲线呈现单峰形态，在温度退火后，290 ℃以下呈现单峰，从290～530 ℃时开始变成双峰，在550～600 ℃时GMI 曲线呈现出双峰与单峰叠加的组合峰，在610～630 ℃又回归为单峰.

2)这种双峰的GMI 曲线可能是由于随着温度的升高，FeCo 基合金开始偏析出Co 基的非晶相，Co基的非晶相对双峰曲线作出了贡献，之后又回归单峰，是由于温度升高长出了α-FeCo 晶粒.

3)610 ℃出现具有实际应用价值的良好线性，这可能是由于薄带表面氧化与内部结构的相互耦合的作用.

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