纳米晶软磁合金磁场退火效应研究进展

史瑞民

(邯郸学院 数理学院，河北 邯郸 056005)

以Finemet[1]、Nanoperm[2]、Hitperm[3]为代表的纳米晶软磁合金，自上世纪80年代末问世以来，已发展成为软磁材料领域内不可或缺的重要组成部分。通过调整合金成分，可以使纳米晶软磁合金获得最佳的软磁性能。以FeCuNbSiB为主要成分的Finemet，磁导率高达105，矫顽力小于1 A/m[4]。由于其居里温度较低(约为300 ℃)[5]，大大限制了其在高温下的应用。为克服这一弱点，在Finemet中掺加适量Co，合金的非晶居里温度提升至450 ℃[5]，很大程度上扩展了纳米晶合金的温度使用空间。但由于加入了高磁致伸缩元素Co，使得合金整体磁致伸缩增大，合金在室温下的软磁性能急剧下降[6]。为了降低合金的磁致伸缩，在合金中掺加负磁致伸缩元素Ni，合金的室温性能虽得到一定改善，但其居里温度又出现了明显的降低[7]。

除调整合金成分外，磁场退火也被广泛应用于改善纳米晶合金的软磁性能。磁场退火，常用于合金材料的热处理中[8-9]，即在对合金的热处理过程中施加一个外磁场，使合金内部磁性原子在扩散过程中因受外磁场影响而重新排布，得到新的原子排列方式或磁畴结构。常见磁场退火方式有：纵向磁场退火、横向磁场退火、旋转磁场退火和脉冲磁场退火等。因操作简单，避免了因调整成分而造成的高经济成本等弊端，对纳米晶软磁合金的磁场退火效应研究，已成为软磁合金研究的热点之一。并且，磁场退火也逐渐被应用到对铁氧体软磁材料的热处理中[10-11]。

以往对纳米晶软磁合金的磁场退火效应研究，多集中在磁场退火后合金晶态磁性的变化上，并形成了较为系统的结论，如：经过纵向磁场退火后，合金的磁滞回线呈矩形化，矫顽力和磁致损耗明显减小[13]；横向磁场退火后，磁滞回线狭长平滑化，剩余磁感应强度明显减小等[14]。近几年来，对纳米晶软磁合金磁场退火的研究主要集中在：磁场退火对纳米晶软磁合金晶化行为的影响、磁场退火对纳米晶软磁合金磁畴结构的影响等。

1 磁场退火对纳米晶软磁合金晶化行为的

影响

P. Marín等[15]对Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3非晶条带在733 K和793 K下进行了磁场退火和无磁退火，并进行了透射电镜图谱分析，如图1所示。

(a)733 K，H=0 A/m；(b)733 K，H=4000 A/m； (c)733 K，H=11200 A/m；(d)793 K，H=0 A/m图1 磁场退火和无磁退火后Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 合金的透射电镜图(白色箭头为磁场方向[15])Fig.1 TEM images for Fe28.5Co45Si13.5Cu1Nb3 alloy after magneticield annealing and non-magnetic annealing(white arrow for magnetic field direction[15])

该研究发现，在退火过程中外磁场对纳米晶粒的大小起到了促进作用，733 K条件下，无外磁场时，所形成晶粒的大小约为6 nm；当施加4000 A/m的磁场时，晶粒大小增大至10 nm，并且晶粒有沿外场方向增长的趋势；进一步加大磁场至11200 A/m，晶粒迅速增长至25 nm。而在没有外磁场时，提高退火温度至793 K，可以看到随机分布的晶粒增加，没有晶粒聚集和方向性排列。

R. Onodera等[16]研究发现，660 K无磁退火后，Fe83.3Si4.2B12.5非晶合金中分布少量软磁纳米晶粒；施加15 T强磁场，纳米晶粒数量明显增加，晶体相在合金中的比重增加。还可以看到，两种退火条件下，析出晶粒大小没有发生明显的变化。见图2。因此，磁场退火后合金晶体相比重增加的主要原因是晶粒成核率的增加，而非晶粒的增大。

(a)B=0 T；(b)B=15 T图2 Fe83.3Si4.2B12.5非晶合金660 K磁场退火和 无磁退火10 min后的透射电镜图[14]Fig.2 TEM images of Fe83.3Si4.2B12.5 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealed at 660 K for 10 min

R.Madygundo等[17]对Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金进行了560 ℃无磁退火和磁场退火，见图3。可以看出，无外磁场条件下，合金析出的纳米晶粒尺寸为15 nm左右；施加7 T的强磁场后，纳米晶颗粒尺寸细化为7～8 nm。这一结果与P. Marín等[15]得到的结果截然相反。

(a)B=0 T; (b)B=7 T图3 Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1非晶合金560 ℃无磁退火 和磁场退火后的透射电镜图[17]Fig.3 TEM images of Fe74.1Si15.7Nb3.1B6.1Cu1 amorphous alloy after magnetic field annealing and non-magnetic annealing at 560 ℃

对于R.Madygundo等[17]和P.Marín等[15]的实验结果，我们更倾向于前者，合金经磁场退火后，软磁性能得到改善。而纳米晶合金优异的软磁性能来源于超细晶粒间的磁交换耦合作用，在晶粒尺寸不大的前提下，晶粒越多，交换作用也就越强，合金的软磁性能也随之优化。考虑到矫顽力HC与晶粒尺寸D六次方呈正比关系[18]，当晶粒增大时，合金的软磁性能将降低。

2 磁场退火对纳米晶软磁合金磁畴结构的

影响

磁畴结构的变化是纳米晶软磁合金磁场退火关注的另一热点。目前大都是利用磁-光Kerr显微镜技术观察合金的磁畴结构。C.L.Zhao等[19]对Fe83-xCoxB11P3Si2C1(x=0～20)非晶合金进行了磁场退火效应研究，对淬态、663 K无磁退火和磁场退火后合金的磁畴结构进行观察分析，如图4所示。

(a)Fe83B11P3Si2C1合金淬火态；(b)Fe83B11P3Si2C1合金无磁退火； (c)Fe83B11P3Si2C1合金磁场退火；(d)Fe68Co15B11P3Si2C1合金淬火态； (e)Fe68Co15B11P3Si2C1合金无磁退火；(f)Fe68Co15B11P3Si2C1合金磁场退火图4 Fe83B11P3Si2C1和Fe68Co15B11P3Si2C1合金的磁畴结构图[19](a)quenching state of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(b)non-magnetic annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(c)magnetic field annealing of Fe83B11P3Si2C1 alloy;(d)quenching state of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(e)non-magnetic annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy;(f)magnetic field annealing of Fe68Co15B11P3Si2C1 alloyFig.4 Images of magnetic domain structure of Fe83B11P3Si2C1 and Fe68Co15B11P3Si2C1 alloy[19]

研究发现，由于较大内应力的存在，合金在淬态时磁畴分布极不规则；经过663 K退火后，合金中仍存在钉扎位，这对合金软磁性能的提高不利；在退火过程中，沿条带方向加以200 Oe的外磁场，磁畴内磁矩方向将沿外场方向排列，磁畴壁逐渐消失，钉扎效应几乎消失，磁畴界面线性地整齐排列，这种排列方式将随着退火的结束而保留在合金中。可见，磁场退火使合金内部磁矩线性排列，在外磁场方向感生出易磁化轴。若沿该方向进行磁化，将更容易发生180°位移，这种畴壁位移使磁致伸缩或磁致电阻降低到几乎为零[20]。因此，磁场退火后，合金的磁致伸缩或磁致电阻将明显减小[21]。

H. Li等[22]对Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8非晶合金和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8非晶合金进行了磁场退火研究，并分析了磁畴结构的变化情况，如图5所示。对于Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金，在淬火态和磁场退火后，均呈现出较为规则的条纹磁场。但淬态时有明显的钉扎位存在，而经过磁场退火后钉扎中心消失，条纹状的磁畴结构更为规则，沿条纹方向合金更容易被磁化。Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金无论是淬火态还经磁场退火后，合金的磁畴结构都不规则。相比之下，磁场退火在一定程度上减少了分支状的磁畴结构。

(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金淬火态；(a)Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8合金400 ℃磁场退火； (c)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金淬火态； (d)Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金340 ℃磁场退火图5 Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8和Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8合金磁畴结构[22](a) quenching state of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 400 ℃ for Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 alloy; (c)quenching state of Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy； (b)magnetic field annealing at 340 ℃ for Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloyFig.5 Images of magnetic domain structure of Fe83.3Si2B11.2P2.7C0.8 and Fe85.7Si2.3B9.7P1.5C0.8 alloy[22]

3 结语

结合磁场退火的研究成果，综述了磁场退火对纳米晶软磁合金晶化结构和磁畴结构的影响。相对于无磁退火，磁场退火起到了细化晶粒大小，加速晶粒成核速率，增加了纳米晶晶粒数量的作用。磁场退火有利于合金中晶粒间磁交换耦合作用的增强，起到了优化纳米晶软磁合金软磁性能的作用。磁场退火后，磁畴结构发生明显改变，钉扎位消失，磁畴沿外场方向整齐排列，这种方向性排列可以使合金在该方向的磁致伸缩或磁致电阻下降到几乎为零，优化了合金的软磁性能。然而，在纳米晶软磁合金磁场退火效应的研究中，理论分析的报道尚不多见，从理论上说明磁场退火效应的微观机理还需要进一步研究。