纳米晶软磁合金材料
—— 一种实用纳米新材料

摘 要：非晶晶化法制备的纳米晶软磁合金材料具有优异软磁性能，现已研制成各种各样的磁性元器件应用在电子行业中，获得良好的经济效益。本文还介绍了纳米晶软磁合金材料的化学组成、组织结构、性能特点及应用等。
关键词：纳米材料 软磁合金 性能及应用

前言
纳米科学技术是在纳米尺寸内通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用他们的特殊性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。纳米技术和纳米材料是纳米科学技术的重要组成部分，它集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用及高比表面积等现代科学技术发展的特点。它是一门多学科交叉的基础研究和应用开发紧密联系的高新技术，如纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米化学和纳米机械学等新学科。
纳米材料是一种新型特殊材料，其组织相或晶粒结构控制在100nm以内的长度尺寸，这种特殊组织结构决定纳米材料呈现出许多特殊化学、物理性能、特殊效应和功能，如磁学、光学特性、催化和光活性、敏感特性等。纳米材料分为二个层次，即纳米超微粒子与纳米固体（块体）材料，前者指的是粒子尺寸为1～100nm的超微粒子，后者指的是由纳米超微粒子组成的固体（块体）材料。目前成功应用于电力工业、电子工业和电力电子技术领域中的纳米晶软磁合金材料就是这样一种实用纳米新材料，它是在非晶化基础上晶化获得的，其组织特征为晶粒尺寸为十几nm的主相为α-Fe(Si)固溶体+剩余非晶相的双相软磁合金组织。该纳米晶软磁合金具有优异的软磁特性、耐磨性、耐蚀性、高强硬度，良好的温度及环境稳定性，作为高新技术产品，纳米晶软磁合金及其制品已有十余年应用历史，促进电子技术向高频、高效、节能、小型化方向发展。由于中英文翻译、命名及词语的丰富性，过去都将其称为超微晶合金或微晶合金，未能给予恰当的命名，直到近几年，国内外研究、开发、应用的科技工作者才为其正名，称为纳米晶合金。

迄今为止，已发现的纳米晶软磁合金大都是Fe基合金，主要有以下二大类：一是FeCuMSiB型(M:Nb、Mo、V、W等)，一是FeMB 型(M:Zr、Nb、Hf、Ta等)，由于后者需要在真空或氩气中制成非晶带，防氧化要求高，成本较高，故对它的研究开发应用工作相对较少；前者因其制备工艺简单独特，成为纳米晶软磁合金的研究开发应用重点。在FeCuMSiB型合金中，Fe、Si、B是形成非晶合金的基本元素；Cu是获得纳米晶粒结构的关键元素，在晶化过程中有利于α相形核；M的作用是阻止晶粒长大，同时加入Cu和M才能在Fe-Si-B合金中通过晶化来获得单一α相的纳米晶组织结构。
纳米晶软磁合金材料是采用国际先进的超急冷技术将液态金属以/秒冷却速度直接急冷形成厚度为0.02～0.04mm的固体薄带，得到原子排列组合上具有短程有序、长程无序特点的非晶合金组织；然后在低于居里温度条件下进行纳米晶晶化热处理，获得纳米晶合金组织。晶化过程中，非晶带首先由于Cu和Fe有强烈的分离倾向，造成浓度起伏而形成富Fe区、富Cu区和富M区，富Fe区成为择优晶化的bccFe(Si)固溶体晶核，而环绕晶核的富Cu和富M区，由于他们的晶化温度较高，难晶化，bccFe(Si)晶核在此区域也无法长大；其次其它的富Fe区也发生择优晶化，因而晶粒尺寸细小，合金无织构出现。这一微组织结构已由多位学者利用高分辨率分析测试设备得以证实，随着纳米材料结构分析手段和技术发展，今后可以进一步观察分析其晶化过程（参见图1）。

纳米晶软磁合金因其独特纳米晶组织结构而具有优异软磁合金特性，如高饱和磁感、高磁导率、低矫顽力和低的高频损耗等，这是磁性材料工作者一直追求的目标，有关软磁合金性能比较参见图2、图3和表1。


纳米晶软磁合金具有优异软磁性能的机理尚未完全清楚，一般认为晶粒尺寸细小至纳米级，使局部域各向异性<K>变小和磁致伸缩系数λs趋于零是关键二个因素，后者是与它的主相为含B、Si的bcc(Si)固溶体有关；而前者影响机理正是纳米材料魅力所在，尽管学者们建立的理论研究模型都不够理想，与实验测试结果有一定差异，但是所有模型均说明了当晶粒大小达到纳米量级而小于交换长度Lex时，则这些无规则取向的小晶粒的磁晶各向异性将被平均而表现出很低的有效各向异性<K>，这揭示了纳米晶软磁合金能具有优良软磁特性的重要原因，学者们研究后得到如下结果：<K>正比于;<K>和Hc正比于，由此可见，晶粒尺寸D细小，<K>变小；μi值变大；Hc则变小，最终都是大大改善磁性能。

纳米晶软磁合金材料研究开发应用已有十余年历史，获得成功工业应用合金主要是FeCuMSiB型纳米晶合金。目前上海钢铁研究所在FeCuMSiB型（M=N、Mo、V、W等）合金的基础上研制成功的三种实用纳米晶软磁合金材料（见表1），这些材料都具有优异的软磁性能，可满足电子工业的不同需求。
铁基纳米晶软磁合金材料在电子行业成功应用领域主要有以下几个方面：
●精密电流互感器铁芯
●大功率开关电源和逆变电源用变压器铁芯
●各种开关电源和UPS电源用变压器、滤波器及互感器等磁性器件
●各种电抗器和滤波器用铁芯
●抗EMI和抗噪音干扰器件
●在高灵敏度场合下适用的各种磁性器件

4 结束语
纳米晶软磁合金材料是由非晶晶化法获得，具有优异的软磁特性，它是一种实用纳米新材料，现已研制成各种各样磁性器件，成功应用在电子行业。但作者认为目前它的研究开发应用工作主要是在磁性材料行业，未能很好地与纳米技术和纳米材料研究开发结合起来，一些纳米新技术在纳米晶软磁合金研究开发中应用还不够，今后要大力推广应用纳米新技术，研制出更多更好的新型纳米晶软磁合金材料及器件，在纳米科学技术大家庭中更好地发展。■