【背景导读】
铁基非晶合金具有较高的饱和磁感应强度和很低的矫顽力值，空载损耗值仅为传统硅钢材料的三分之一，是新一代节能型变压器材料的首选材料。提高铁磁性元素的含量有利于铁磁性非晶合金饱和磁感应强度的提高，但很多研究结果发现超高Fe浓度成分范围内，Fe元素含量的进一步提高并不能带来室温饱和磁感应强度值的提高，达到最大值后，室温饱和磁感会明显降低，这背后的物理机制缺少系统讨论。非晶态结构本身不具备周期性晶格结构，结构的解析和描述十分困难。磁特性的研究可作为研究材料内部结构的重要方法之一，揭示磁性材料内部不易探测的结构转变规律，本文系统探究Fe浓度变化带来的本征磁学参量变化及其结构堆垛规律演变。
【成果掠影】
中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队和同济大学材料科学与工程学院合作培养博士研究生蔡远飞，在同济大学曲寿江副教授，宁波材料所张岩研究员、王军强研究员和福建理工大学沈军教授的共同指导下，从铁磁性非晶合金本征磁学参量变化、自旋波扰动机制、晶化转变规律、平均原子体积变化等，深入研究了Fe-metalloid体系中Fe浓度变化带来的结构与磁性能转变规律。研究成果以“Relationship among intrinsic magnetic parameters and structure and crucial effect of metastable Fe3B phase in Fe-metalloid amorphous alloys”为题，发表在Journal of Materials Science & Technology 180 (2024) 141–149上.
【核心创新点】
高Fe浓度非晶合金饱和磁感应强度对温度因素的敏感程度显著增加，导致高Fe含量非晶合金室温饱和磁感（Ms）的降低。基于磁学和热力学分析确定了Fe-metalloid体系中，随Fe浓度增加存在非晶态堆垛结构转变非连续变化，提出“非晶固溶体”概念，本文定义为两种非晶基体，即Bernal-type Amor. Fe matrix和CSRO Amor. Fe3B matrix，临界成分对应共晶晶化样品（Fe82B18-Fe83B17）。非晶基体一致时，磁性能随溶质原子含量的增加单调变化，Bernal-type Amor. Fe matrix非晶磁矩受温度扰动的敏感性显著增加。揭示亚稳Fe3B相特殊的Fe-B键长分布结构是其易于非晶化的结构起源，非晶态和纳米晶化态近邻结构保持高度一致性，非晶态居里温度略低于其晶化态。
【成果启示】
铁磁性非晶合金成分设计过程是本征磁矩升高和磁矩扰动热敏感性增加的竞争机制，根据磁性材料服役温度区间，选择具有最佳饱和磁感的软磁材料。
致谢：本工作得到了国家自然科学基金项目，浙江省“尖兵计划”和日本东北大学合作基金的支持。
【数据概览】
Fig. 1 铸态FexB100−x (74 at.% ≤ x ≤ 87 at.%)非晶样品饱和磁感随测试温度的变化曲线图
Fig. 2 基于自旋波理论获得的磁特性参数随Fe浓度变化关系图
Fig. 3 铸态FexB100−x非晶样品不同升温速率条件下DSC曲线，（a）0.0833 K/s，（b）0.667 K/s，（c）二次DSC加热曲线，确认不同成分点亚稳Fe3B相、Fe2B相和α-Fe相相对含量变化，（d）Fe77B23非晶样品低升温速率区别多晶型和共晶型两步晶化转变序列，（d）初始晶化激活能随Fe浓度的变化关系。
Fig. 4 Fe76B24样品非晶态和完全晶化态显微结构表征
Fig. 5 居里温度和平均原子体积随Fe原子浓度呈非连续变化
（蔡远飞）