铁基非晶合金软磁性能的微观调控机制方面的系列进展
日期:2018-06-04, 查看:306

       铁基非晶合金由于其特殊的无序原子结构和合金成分,表现出优异的软磁性能,在变压器、电机、传感器等电力电子器件中具有广阔的应用前景,是重要的节能、绿色环保新材料。制备非晶合金需要抑制晶体生长,将金属熔体快速降温至熔化温度的一半以下,如果晶体来不及成核和长大,熔体的无序原子结构将会被冻结下来,形成非晶。快速降温过程使生产制备流程显著缩短,提高了生产效率。然而,非平衡凝固过程会冻结严重的内应力,由于磁弹耦合作用,铸态非晶合金的软磁性能并不太好。通过退火弛豫可以有效降低应力的影响,但往往会使非晶合金变脆。退火过程主要是利用弛豫现象调控非晶合金性能,然而非晶合金中存在丰富的弛豫现象,而且不同弛豫模式之间也存在耦合作用。实现不同弛豫模式的精准调控,以及明确不同弛豫模式对性能的影响规律,有望实现在改善磁性能的同时,保持非晶合金良好的力学性能,对其应用具有十分重要的意义。

      中科院宁波材料所磁材事业部非晶合金磁电功能特性研究团队的宋丽建、何娜娜和欧阳酥等同学在王军强研究员和霍军涛副研究员等人的指导下,围绕非晶合金的等温弛豫行为、及其对磁性能的影响规律和微观机制进行了深入的研究。首先,利用高精度、超快升降温速率的闪速扫描量热仪,系统研究了不同合金体系在等温退火处理条件下的弛豫动力学行为。发现等温退火过程不是单一的弛豫模式,而是存在从β弛豫向a弛豫的转变过程(见图一)。即低温短时间退火时,非晶合金经历β弛豫阶段,当退火温度足够高或者退火时间足够长则会触发a弛豫行为。这种等温转变过程是排列疏松区域自由体积的湮灭使得原子协同运动增强引起的。这些结果表明可以实现非晶合金中不同弛豫模式的精准调控。相关文章发表在【Lijian Song, Wei Xu, Juntao Huo, Jun-Qiang Wang*, Xinmin Wang, Runwei Li,Two-step relaxations in metallic glasses during isothermal annealing, Intermetallics 93, 101–105 (2018)】。

图一、弛豫激活能随着退火温度和退火时间的演化规律,存在从β弛豫向a弛豫的转变过程

       进一步他们通过精准控制铁基非晶合金中的弛豫模式,研究了不同弛豫模式对铁基非晶合金软磁功能特性和力学变形能力的影响。发现不同弛豫模式对铁基非晶合金的软磁性能影响存在显著区别。β弛豫阶段能够有效改善软磁性能,矫顽力明显降低,而磁导率明显升高,同时保持良好的力学性能;a弛豫阶段对软磁性能没有明显影响,矫顽力和磁导率基本保持不变,但力学变形能力变差,非晶合金变脆(见图二)。以上工作表明,不同弛豫模式对非晶合金不同性能的影响规律不同,通过精准控制非晶合金中的弛豫模式,可以解决不同性能之间顾此失彼的问题,实现综合性能的提高,这些结果对改善软磁非晶合金加工工艺具有重要的意义。相关工作正在整理投稿中,已经申请国家发明专利(201810310296.5)。

图二、等温退火过程中弛豫激活能、软磁性能和变形能力随着退火时间的演化规律

       为了进一步研究β弛豫影响软磁性能的微观机制,该团队研究了磁畴运动与结构不均匀性之间的耦合作用。由于应力会激活β弛豫,他们利用纳米压痕方法引入应力梯度场,发现随着压痕深度的增加,应力对磁畴的影响区域呈正比例增加。由于磁弹耦合作用,磁畴壁沿着应力梯度场的等高线排列,磁畴畸变区半径约为压痕尺寸的7.9倍。通过原位研究该区域内磁畴壁在外加磁场下的运动(见图三),发现非晶合金磁化由磁畴壁移动决定。距离纳米压痕越近,磁畴壁越难移动,意味着磁导率越低。

图三、(a-h)纳米压痕周围磁畴结构在外加磁场下的变化;(i)磁畴壁移动能力随着与纳米压痕距离的变化规律

       为了定量表征纳米压痕周围的残余应力大小,他们利用振幅调制原子力显微镜(AM-AFM)研究了压痕周围的微观结构及力学性能(见图四)。由于非晶合金的原子结构处于无序状态,其动态力学性能表现出黏弹性行为。并且距离压痕越近,其黏滞损耗能量越大,这与非晶合金中的剪胀变形机制相关。为了研究应力与黏滞损耗之间的定量关系,进一步原位研究了在拉伸状态下的粘弹性结构,发现外应力与黏滞损耗能量之间存在线性关系。

图四、纳米压痕附近不同位置的粘弹性不均匀性结构研究,颜色变化代表动力学测量中的黏滞损耗能量

       基于以上实验结果,他们发现磁畴壁移动能力与黏滞损耗能量之间存在明显关联性(见图五),而且可以用磁弹耦合理论进行拟合,拟合结果表明该软磁非晶合金中的磁畴壁厚度约为36nm,与粘弹性比均匀性特征尺度相近。

      这些研究结果表明纳米尺度的粘弹性不均匀性结构是表征非晶合金应力状态及磁弹耦合强度的重要序参量,调控粘弹性不均匀性将成为提高非晶合金软磁性能的新方法。相关结果发表在【S. Ouyang, L. J. Song, Y. H. Liu, J. T. Huo*, J. Q. Wang*, W. Xu, J. L. Li, C. T. Wang, X. M. Wang, and R. W. Li, Correlation between the viscoelastic heterogeneity and the domain wall motion of Fe-based metallic glass, Phys. Rev. Materials 2, 063601 (2018)】。

       图五、(a)不同尺寸压痕周围磁畴壁移动能力与黏滞损耗能量之间的关系;(b)约化后的磁畴壁移动能力与黏滞损耗能量之间的关联性规律及磁弹耦合作用理论拟合结果。

       以上工作受到国家自然科学基金面上项目和青年项目、浙江省自然科学基金杰出青年基金、国家重点研发计划项目的支持。