惠希东等：高饱和磁化强度铁基非晶纳米品软磁合金发展概况 ·1159· 域，发展和利用绿色节能环保材料对践行可持续发 证非晶形成能力等需要.此外，进一步提高纳米晶 展理念有重要意义.在现今的生活与生产中，软磁 合金（如Finemet)的磁导率，控制软磁纳米相a-Fe 材料是一种极为重要且应用十分广泛的能源材料， 的生长同样是发展新型铁基非晶纳米晶合金的重要 其中铁基软磁合金是最主要也是最重要的组成 内容 部分 除了提高铁基非晶合金及纳米晶合金的软磁性 铁基软磁材料的发展最早始于19世纪的第二 能之外，提高非品和纳米晶薄带的韧性，降低磁致伸 次工业革命时期，电磁学的崛起推动了软磁材料的 缩系数同样是进一步优化该类材料的重要内容 发展，该时期的代表材质为纯铁.20世纪以后，铁 1铁基非晶软磁合金及纳米晶合金的发展 基软磁材料进一步得到发展，硅钢作为一种综合性 能更好的软磁合金迅速得到推广应用.20世纪中 因为非品态材料的原子表现为混乱排列和各向 叶之后，随着一种新型材料一非晶合金的出现以 同性，最初人们认为非品合金宏观上不具有强磁性. 及制备工艺技术的突破，铁基非晶合金作为一种新 1960年，前苏联的物理学家Gubanov从理论上说明 型节能环保型软磁材料开始逐步替代传统硅钢的 电子能带结构更依赖于原子的短程有序而不是长程 应用1] 有序结构，也就是说铁磁性由相邻相互作用的原子 与传统硅钢等晶态软磁材料相比，铁基非晶软 产生，并不依赖于原子周期性排列，认为非品结构也 磁合金内原子排列特点为短程有序而长程无序.它 应该存在铁磁性[4」 不存在晶粒和晶界缺陷，磁各向异性较低，因而表现 1967年，Duwez等首次利用快速凝固的方法制 出高磁导率、高磁感应强度和低矫顽力：合金内原子 备出具有软磁特性的Fe-P-C非晶合金[)，该发现 混乱排列会导致电子附加散射，因而其电阻率远高 打破了只有在长程有序的结构中才能存在铁磁性的 于传统电工铁和硅钢，具有更低的铁损.综合来说， 传统观点，引起了人们的关注.因Fe基非晶合金表 铁基非晶合金具有低矫顽力、高磁导率、高电阻率、 现出比传统钢铁更低的矫顽力，它在软磁领域的应 低损耗、频率特性好等优良特性.Fe基非品纳米晶 用前景引起了人们的兴趣.尤其是Pond和Maddin 复合材料中α-Fe纳米品和非品软磁相之间发生交 使用熔体旋淬快速凝固技术制备出长达几十米的韧 互耦合作用，可进一步降低合金的磁各向异性和磁 性非晶薄带[6]，这使得Fe基非晶软磁合金的工业 致伸缩效应，因而合金具有更高的饱和磁化强度和 应用成为可能.随着非品形成理论研究的深入以及 磁导率.铁基非品合金及其纳米品合金取代硅钢在 快速凝固技术的发展，一系列经典的铁基非晶软磁 电力变压器、电机等电力传输和转换领域应用，可促 合金体系，包括Fe-P-C、Fe-P-B、Fe(Co,Ni)-Si- 进器件向节能化、小型化、高效化和高稳定性方向发 B、Fe(Co,Ni)-(Zr,Nb,Hf)-B等被开发出来.铁基 展，因而得到了广泛的应用. 纳米晶软磁合金的产生与铁基非晶合金的发展息息 铁基非晶软磁合金的电阻率是硅钢的三倍左 相关，其成熟推广稍迟于非品软磁合金，但基本属于 右，铁损仅为取向硅钢的四分之一，能降低70%~ 同一时代的软磁材料.这一时期的非品合金的制备 80%的空载损耗.但它同时也存在一些缺点.一方 对冷却速度要求较高，普遍采用旋淬法制成几十微 面，由于类金属等非晶形成元素的添加是必不可少 米的薄带或细丝.尺寸因素一方面限制了Fe基非 的，纯非晶态的铁基合金的饱和磁化强度还难以与 晶软磁合金的开发和应用，另一方面限制了Fe基非 硅钢匹敌，这使得具有同样磁芯功率的非晶线圈具晶合金形成理论的发展.因此，开发具有高饱和磁 有比硅钢线圈更大的体积.因此，为了进一步轻量 化强度的Fe基块体非品合金一直是研究人员所关 小型化电磁装置，提高铁基非晶合金的饱和磁化强 注的热点问题. 度是一项重要的研究方向.另一方面，为了保证铁 铁基非晶合金及其纳米晶合金饱和磁通量与有 基非品合金的饱和磁化强度，过高的Fe含量通常会 效磁导率的关系如图1所示).可以看出，铁基非 导致合金的非晶形成能力较弱，目前工业化的非晶 晶合金及其纳米品合金处于右上区域，该类合金的 软磁材料均以薄带的形式应用，为了进一步拓展铁 饱和磁化强度较高但低于纯铁与硅钢，铁基非品合 基非品软磁合金的应用范围，有必要在保证合金高 金的有效磁导率较高但低于坡莫合金，而铁基纳米 饱和磁化强度的同时进一步提高其非晶形成能力. 品合金的磁导率可以达到坡莫合金的水准. 铁基非晶纳米晶合金通常由非晶态合金热处理得 表1将传统的软磁硅钢片和典型的铁基非晶和 到，因此该类合金同样面临着提高饱和磁化强度、保 纳米品合金的软磁性能进行了对比.无Co的Fe基惠希东等: 高饱和磁化强度铁基非晶纳米晶软磁合金发展概况 域,发展和利用绿色节能环保材料对践行可持续发 展理念有重要意义. 在现今的生活与生产中,软磁 材料是一种极为重要且应用十分广泛的能源材料, 其中铁基软磁合金是最主要也是最重要的组成 部分. 铁基软磁材料的发展最早始于 19 世纪的第二 次工业革命时期,电磁学的崛起推动了软磁材料的 发展,该时期的代表材质为纯铁. 20 世纪以后,铁 基软磁材料进一步得到发展,硅钢作为一种综合性 能更好的软磁合金迅速得到推广应用. 20 世纪中 叶之后,随着一种新型材料———非晶合金的出现以 及制备工艺技术的突破,铁基非晶合金作为一种新 型节能环保型软磁材料开始逐步替代传统硅钢的 应用[1鄄鄄3] . 与传统硅钢等晶态软磁材料相比,铁基非晶软 磁合金内原子排列特点为短程有序而长程无序. 它 不存在晶粒和晶界缺陷,磁各向异性较低,因而表现 出高磁导率、高磁感应强度和低矫顽力;合金内原子 混乱排列会导致电子附加散射,因而其电阻率远高 于传统电工铁和硅钢,具有更低的铁损. 综合来说, 铁基非晶合金具有低矫顽力、高磁导率、高电阻率、 低损耗、频率特性好等优良特性. Fe 基非晶纳米晶 复合材料中 琢鄄鄄Fe 纳米晶和非晶软磁相之间发生交 互耦合作用,可进一步降低合金的磁各向异性和磁 致伸缩效应,因而合金具有更高的饱和磁化强度和 磁导率. 铁基非晶合金及其纳米晶合金取代硅钢在 电力变压器、电机等电力传输和转换领域应用,可促 进器件向节能化、小型化、高效化和高稳定性方向发 展,因而得到了广泛的应用. 铁基非晶软磁合金的电阻率是硅钢的三倍左 右,铁损仅为取向硅钢的四分之一,能降低 70% ~ 80% 的空载损耗. 但它同时也存在一些缺点. 一方 面,由于类金属等非晶形成元素的添加是必不可少 的,纯非晶态的铁基合金的饱和磁化强度还难以与 硅钢匹敌,这使得具有同样磁芯功率的非晶线圈具 有比硅钢线圈更大的体积. 因此,为了进一步轻量 小型化电磁装置,提高铁基非晶合金的饱和磁化强 度是一项重要的研究方向. 另一方面,为了保证铁 基非晶合金的饱和磁化强度,过高的 Fe 含量通常会 导致合金的非晶形成能力较弱,目前工业化的非晶 软磁材料均以薄带的形式应用,为了进一步拓展铁 基非晶软磁合金的应用范围,有必要在保证合金高 饱和磁化强度的同时进一步提高其非晶形成能力. 铁基非晶纳米晶合金通常由非晶态合金热处理得 到,因此该类合金同样面临着提高饱和磁化强度、保 证非晶形成能力等需要. 此外,进一步提高纳米晶 合金(如 Finemet)的磁导率,控制软磁纳米相 琢鄄鄄 Fe 的生长同样是发展新型铁基非晶纳米晶合金的重要 内容. 除了提高铁基非晶合金及纳米晶合金的软磁性 能之外,提高非晶和纳米晶薄带的韧性,降低磁致伸 缩系数同样是进一步优化该类材料的重要内容. 1 铁基非晶软磁合金及纳米晶合金的发展 因为非晶态材料的原子表现为混乱排列和各向 同性,最初人们认为非晶合金宏观上不具有强磁性. 1960 年,前苏联的物理学家 Gubanov 从理论上说明 电子能带结构更依赖于原子的短程有序而不是长程 有序结构,也就是说铁磁性由相邻相互作用的原子 产生,并不依赖于原子周期性排列,认为非晶结构也 应该存在铁磁性[4] . 1967 年,Duwez 等首次利用快速凝固的方法制 备出具有软磁特性的 Fe鄄鄄 P鄄鄄 C 非晶合金[5] ,该发现 打破了只有在长程有序的结构中才能存在铁磁性的 传统观点,引起了人们的关注. 因 Fe 基非晶合金表 现出比传统钢铁更低的矫顽力,它在软磁领域的应 用前景引起了人们的兴趣. 尤其是 Pond 和 Maddin 使用熔体旋淬快速凝固技术制备出长达几十米的韧 性非晶薄带[6] ,这使得 Fe 基非晶软磁合金的工业 应用成为可能. 随着非晶形成理论研究的深入以及 快速凝固技术的发展,一系列经典的铁基非晶软磁 合金体系,包括 Fe鄄鄄 P鄄鄄 C、Fe鄄鄄 P鄄鄄 B、Fe(Co,Ni)鄄鄄 Si鄄鄄 B、Fe(Co,Ni)鄄鄄(Zr,Nb,Hf)鄄鄄B 等被开发出来. 铁基 纳米晶软磁合金的产生与铁基非晶合金的发展息息 相关,其成熟推广稍迟于非晶软磁合金,但基本属于 同一时代的软磁材料. 这一时期的非晶合金的制备 对冷却速度要求较高,普遍采用旋淬法制成几十微 米的薄带或细丝. 尺寸因素一方面限制了 Fe 基非 晶软磁合金的开发和应用,另一方面限制了 Fe 基非 晶合金形成理论的发展. 因此,开发具有高饱和磁 化强度的 Fe 基块体非晶合金一直是研究人员所关 注的热点问题. 铁基非晶合金及其纳米晶合金饱和磁通量与有 效磁导率的关系如图 1 所示[7] . 可以看出,铁基非 晶合金及其纳米晶合金处于右上区域,该类合金的 饱和磁化强度较高但低于纯铁与硅钢,铁基非晶合 金的有效磁导率较高但低于坡莫合金,而铁基纳米 晶合金的磁导率可以达到坡莫合金的水准. 表 1 将传统的软磁硅钢片和典型的铁基非晶和 纳米晶合金的软磁性能进行了对比. 无 Co 的 Fe 基 ·1159·