Fe85Zr10B5三元非晶合金的非晶形成能力及磁热性能

潘乐玲 王 强 唐本镇 丁 鼎 夏 雷

(1.上海大学 材料科学与工程学院,上海 200444; 2.重庆师范大学 物理与电子工程学院,重庆 401331;3.重庆师范大学 光电功能材料重庆市重点实验室,重庆 401331)

1 试验材料及方法

2 试验结果及讨论

2.1 Fe85Zr10B5合金的非晶形成能力

表1 Fe85Zr10B5非晶合金的特征温度及非晶形成能力判据Table 1 Characteristic temperature values and the criterion of glass forming ability for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

图1 Fe85Zr10B5合金条带的XRD图谱(a)、DSC曲线(b)和熔化曲线(c)Fig.1 XRD pattern(a), DSC curve(b) and melting curve(c) of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

2.2 Fe85Zr10B5非晶合金的磁性能

图2为Fe85Zr10B5非晶合金在200和380 K时5 T外加磁场中的磁滞回线。由图2可知:Fe85Zr10B5非晶合金在200 K时饱和磁化强度(Ms)为114.1 A·m2/kg,矫顽力几乎为零,没有明显磁滞,表现出良好的软磁性;而在380 K时,合金则表现为顺磁性,表明在200～380 K之间合金发生了铁磁-顺磁转变。在零磁场中从300 K降温至100 K后,测量了Fe85Zr10B5非晶合金在0.03 T磁场中的M-T曲线,如图2中插图所示。对M-T曲线进行求导,在其导数的最小值处获得Fe85Zr10B5非晶合金的铁磁-顺磁转变温度(即Tc)为325 K。

图2 Fe85Zr10B5非晶合金在200和380 K时的磁滞回线(插图为M-T曲线)Fig.2 Hysteresis loops of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy at 200 and 380 K (the inset is M-T curve)

2.3 Fe85Zr10B5非晶合金的磁热性能

图3(a)为Fe85Zr10B5非晶合金在不同温度下的M-H曲线,外加磁场为0～5 T。其中200～280 K和360～380 K之间的温度间隔为20 K,290～300 K之间的温度间隔为10 K,310～350 K之间的温度间隔为5 K。由图3(a)可知:在远低于Tc的温度下,磁化强度随着磁场的增强迅速上升并且在很小的磁场中就达到饱和,曲线的初始斜率较大,随后逐渐趋于某一定值,也就是Ms;随着温度的升高,Ms逐渐减小,磁化曲线也趋于平缓,尤其在远高于Tc的温度下,磁化强度与磁场几乎呈线性关系。这说明Fe85Zr10B5非晶合金从铁磁性转变为顺磁性。为了确定该合金的磁相变类型,根据其M-H曲线以H/M作为x轴、M2为y轴绘制Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲线,如图3(b)所示。根据Banerjee原理[15],如果Arrott曲线的斜率为负值,合金发生的是一级磁相变,否则是二级磁相变。从图3(b)可以看出,Fe85Zr10B5非晶合金在不同温度下的Arrott曲线斜率均表现为正值,并且几乎相互平行,说明该合金为典型的二级磁相变材料。

图3 Fe85Zr10B5非晶合金的等温磁化曲线(a)和Arrott曲线(b)Fig.3 Isothermal magnetization curves(a) and the Arrott curves(b) for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

一般说来,铁磁到顺磁的转变过程会伴随着磁矩有序化而导致的磁熵降低,其中磁熵降低的大小通常用磁熵变(-ΔSm)来表示,用于表征材料的磁热效应。二级磁相变材料的-ΔSm可根据Maxwell公式求得,即:

ΔSm(T,H)=Sm(T,H)-Sm(T,0)

(1)

表2 Fe85Zr10B5非晶合金在不同磁场中的Table of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy in different magnetic fields J/(kg·K)

图4 Fe85Zr10B5非晶合金的-ΔSm-T曲线(a)和n-T曲线(b)(插图为325 K的ln(-ΔSm)-lnH拟合曲线)Fig.4 -ΔSm-T curves (a) and n-T curve (b) for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy (the inset is the ln(-ΔSm)-lnH fitting curve at 325 K)

2.4 Fe85Zr10B5非晶合金的磁制冷能力

磁性材料的制冷能力不仅与材料的磁熵变峰值有关,还取决于其有效温区范围,因此通常会引入相对制冷量(relative cooling power, RCP)来综合评判材料磁制冷性能的好坏,其计算公式为:

(2)

表3 Fe85Zr10B5非晶合金在不同磁场中的ΔTFWHM和RCP值Table 3 ΔTFWHM and RCP of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy in different magnetic fields

3 结论

(1)Fe85Zr10B5非晶合金的XRD图谱上表现出典型的非晶漫散射驼峰,证明其为非晶态结构;通过热性能分析发现Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相当宽的ΔTx、比较大的γ参数和Zc,表明该合金具有较好的非晶形成能力。

(2)Fe85Zr10B5非晶合金在200 K时表现为良好的软磁性,矫顽力几乎为零,饱和磁化强度为114.1 A·m2/kg,在380 K时为顺磁性;在200～380 K之间发生了铁磁-顺磁转变,转变温度即居里温度为325 K。