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宁波材料所在非晶软磁合金综合性能调控方法研究中获系列进展

2018-06-14 09:38:41 来源:电子变压器与电感网

铁基软磁非晶合金在变压器、电机、传感器等电力电子器件中具有广阔的应用前景,是重要的节能和绿色环保新材料。软磁性能和力学变形能力是影响非晶合金应用的两个重要因素。一般来说原始非晶合金样品力学变形能力很好,但是非平衡制备过程冻结的残余应力会使软磁性能变差。

铁基软磁非晶合金在变压器、电机、传感器等电力电子器件中具有广阔的应用前景,是重要的节能和绿色环保新材料。软磁性能和力学变形能力是影响非晶合金应用的两个重要因素。一般来说原始非晶合金样品力学变形能力很好,但是非平衡制备过程冻结的残余应力会使软磁性能变差。退火可以降低残余应力,大幅提高软磁性能,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,然而非晶合金的弛豫模式非常复杂,不同弛豫模式之间也存在耦合作用。研究非晶合金中的弛豫现象,明确不同弛豫模式对性能的影响规律及其微观物理机制,对解决不同性能之间顾此失彼的问题具有十分重要的意义。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性材料与器件重点实验室的宋丽建、何娜娜和欧阳酥等在研究员王军强和副研究员霍军涛等人的指导下,自2015年起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,相关成果和专题于2018年上半年相继发表并申请专利。首先,利用高精度、超快升降温速率的闪速扫描量热仪(Flash DSC),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α弛豫的转变过程(见图1)。即低温短时间退火时,非晶合金经历β弛豫,当退火温度足够高或者退火时间足够长则会触发α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,相关文章发表于Intermetallics 93, 101–105 (2018)。

他们进一步通过精准控制铁基非晶合金中的弛豫模式,发现β弛豫阶段能够有效改善软磁性能(矫顽力降低,磁导率升高),同时保持良好的力学性能;α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2)。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。相关工作正在整理投稿中,已经申请国家发明专利(201810310296.5)。

鉴于β弛豫与微观结构不均匀性的关系,以及宏观磁性能与微观磁畴结构的关系,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。通过原位研究纳米压痕周围磁畴壁在外加磁场下的运动,发现非晶合金磁化由磁畴壁的移动决定。距离纳米压痕越近,磁畴壁越难移动,意味着磁导率越低。利用振幅调制原子力显微镜(AM-AFM)研究了压痕周围的微观不均匀性,发现距离压痕越近,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。并原位研究了在拉伸状态下的微观不均匀性,发现外应力与黏滞损耗能量之间存在线性关系。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3)。该关系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。相关结果发表于Phys. Rev. Materials 2, 063601 (2018)。

以上研究结果证明非晶合金在等温退火过程中存在不同弛豫模式转变,明确了β和α弛豫对磁性能和力学性能的影响规律,以及β弛豫影响磁性能的微观机制。该结果在非晶合金中具有普适性,有望应用于实际生产过程,实现非晶合金综合性能的提升。

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、中科院百人计划项目和国家重点研发计划项目的支持。

图1 弛豫激活能随着退火温度和退火时间的演化规律证明存在从β弛豫向α弛豫的转变过程

 

铁基软磁

 

图2 等温退火过程中软磁性能和变形能力随着退火时间的演化规律

 

铁基软磁

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