1纳米晶软磁合金材料问世的重要意义
软磁材料从纯铁、硅钢到坡莫合金等已有100多年的历史，近二十多年来发展起来的非晶态合金和纳米晶合金等新型软磁材料，使软磁材料从晶态跃向非晶态，又从非晶态走向纳米晶态，从而把软磁新材料的研发与应用推向一个新的阶段。
人们曾长期致力于研究同时具有高饱和磁感、高磁导率、低损耗的软磁材料，谓之“二高一低”的“理想”软磁材料，但始终未能实现。现代电子技术向高频、高效、高可靠、大功率、小型、节能方向发展，既对软磁材料提出新的挑战，又给软磁材料的发展提供了一个机遇。正是在这种情况下，Yoshizawa等于1988年首先研制成功Fe基纳米晶软磁合金新材料，并命名为Finemet牌号。
Finemet合金不仅微观结构新颖、不同于晶态和非晶态，而且具有优异的综合软磁性能，即高饱和磁感、高磁导率、高频低损耗及稳定性好等；与此同时，该合金还具有生产工艺简单、成本低、无污染等特点。因而可以讲，Finemet合金的出现是软磁材料的一个突破性进展，它解决了人们长期努力研究而未能解决的难题，其贡献就在于：找到了一条使Fe基合金晶粒细化到1-20nm、而饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性常数又同时趋于零的途径；改变了以往各类软磁材料的磁导率、高频损耗与饱和磁感相矛盾，磁性能与成本相矛盾的状况，首次实现了人们长期渴望追求的“二高一低”“理想”软磁材料的愿望。
纵观软磁材料的发展史，从来没有一种甚至一类软磁材料能全面地或基本上满足软磁材料的全部技术性能要求。而纳米晶软磁合金通过不同方式的热处理后，则可以基本上满足不同场合下对软磁材料的使用要求，并具有性能、工艺及成本等全方位的优势，因而它一问世，便获得了迅速发展与应用。日立金属公布Finemet专利的当年，纳米晶软磁合金材料及制品的销售额就达5000万日元，计划1995年Finemet材料的年产量达600吨。因而可以判断，日本目前纳米晶软磁合金材料的年产量应在600吨以上，主要用于电子工业大量需求的磁性元器件。德国VAC公司在引进了Finemet专利技术后，发展并建立了Vitroperm纳米晶软磁合金牌号，据悉其年产量也在300吨左右，广泛用作磁芯及其元器件。中国自上世纪九十年代初研发纳米晶软磁合金以来，发展很快，市场需求量逐年增加，已在电子工业、电力电子技术、计算机、通讯、仪器仪表及国防军工等领域得到了广泛应用。
一个新材料自问世以来，在如此短的时间内获得这样广泛的发展与应用是不多见的，这除了纳米晶软磁合金具有急冷工艺技术发展的深刻背景外，重要的是它具有强有力的应用工程背景，这正是它具有生命力的标志。因而研究、发展、生产、应用纳米晶软磁合金材料，对发展我国高新技术产业、促进和提升传统产业、带动和支持相关产业的发展具有重要的意义。
2纳米晶软磁合金材料优异的磁性能
继Finemet合金之后，Suzuki及M.A.Willard等人又分别推出Nanoperm和Hitperm新型纳米晶软磁合金牌号，表1给出了几种典型的纳米晶软磁合金牌号和性能。
由表1可以看出，Finemet合金的综合优势主要表现在：①饱和磁感BS（1.35T）可接近Fe基非晶合金的水平；②有效起始磁导率μe(1K)（≥105）达到了Co基非晶合金的水平；③高频损耗P0.2/100K（38.2W/kg或280KW/m3）达到了Co基非晶合金的水平，仅为MnZn铁氧体的1/2；④居里温度Tc（570℃）几乎是Co基非晶合金和MnZn铁氧体的3倍；这些正是Finemet合金倍受人们重视的原因所在。
由表1还可以看出，Nanoperm纳米晶软磁合金的有效磁导率μe(1k)和高频损耗P0.2/100K均已达到Finemet合金的水平，而饱和磁感Bs（1.53T）和居里温度Tc（770℃）却远高于Finemet合金，这说明Nanoperm较Finemet具有更为广泛的应用范围和更好的温度稳定性，是一种极有应用潜力的纳米晶软磁合金材料。Hitperm是在Nanoperm合金基础上发展起来的具有高饱和磁感和高居里温度的纳米晶软磁合金，由于该合金中含有相当高的Co元素，其饱和磁感Bs可达2.0T，居里温度高达965℃，因而可以认为，Hitperm合金把高磁导率、高饱和磁感与高温应用结合了起来，它无疑具有高温环境下应用的潜在优势。
图1和图2分别给出了Finemet软磁合金有效磁导率的频率特性（μe~f）和高频损耗特性（P~f），显然Finemet合金的优异磁性能是无庸置疑的。 
在软磁材料的研究过程中，人们总希望它既具有高磁导率，又具有高饱和磁感；但事实并非如此，以往的任何一种软磁材料，要么磁导率高、饱和磁感低，要么饱和磁感高、磁导率低，这种磁导率与饱和磁感相矛盾的状况已成为不争的事实。而纳米晶软磁合金材料确打破了这种僵局，它在具有高磁导率的同时，又具有高饱和磁感，图3给出了纳米晶软磁合金与其他软磁合金的有效磁导率μe与饱和磁感Bs的关系特性（μe~Bs）。可以看出，Finemet、Nanoperm、 Hitperm纳米晶软磁合金处于图的右上方，说明它们能够同时具有高磁导率和高饱和磁感特性，其性能应优于现有任何一种相应的软磁材料。但需要指出的是，Nanoperm和Hitperm合金中含有Zr、Hf等极易氧化元素，因而对制取合金带材的条件要求苛刻，通常只能在非氧化性气氛中或真空中成型制带，因而目前尚处在实验室研究阶段，离实际应用尚有一定的距离；而Finemet合金材料已能大批量生产和商业化应用，并正在某些领域中发挥重要作用。
3纳米晶软磁合金材料独特的组织结构
无论是Finemet合金还是Nanoperm、Hitperm合金，它们形成纳米晶结构的途径是相同的，都是在原始非晶态带材的基体上，通过晶化形成单一的纳米晶相组织结构；以下仅以Finemet纳米晶合金为例进行叙述。
Finemet合金是采用单辊急冷工艺设备首先制成非晶态合金带材，然后在略高于其晶化温度下进行退火热处理，使其发生晶化、形成晶粒尺寸约为10-20nm的α-Fe（Si）单一固溶体相，这与以往非晶态合金晶化产生的任何其他结构都不一样；例如FeSiB系非晶态合金晶化后，其晶粒尺寸要大得多，约为0.1-1μm，而且还要折出α-Fe(Si)晶体和Fe2B化合物晶体二个相，不能形成单一的组织结构。
Finemet合金的组织结构实际上是由单一α-Fe（Si）固溶体相和非晶界面相所组成，这种结构形成的核心问题是纳米晶相的成核与长大过程。研究结果表明，Finemet合金中的Cu、Nb是形成纳米晶相的关键元素；在Finemet非晶带材晶化（热处理）过程中，由于Cu在Fe中的固溶度很小，故在退火过程中的较低温度下，Cu与Fe具有强烈的分离倾向，造成浓度起伏而形成富Cu区、富Nb区和富Fe区；由于富Fe区的α-Fe（Si）固溶体相的晶化温度较低，因而优先成核；而环绕α-Fe（Si）固溶体晶核周围的富Cu区和富Nb区，由于它们的晶化温度高而难于晶化，从而便阻碍了α-Fe（Si）固溶体晶核的长大，这就使得均匀细小的纳米晶相结构具有较好的热稳定性。另外，Cu的加入不仅仅促进α-Fe（Si）固溶体相的成核，而且还促使α-Fe（Si）固溶体的晶化温度大为降低，这就避免了在退火过程中α-Fe（Si）相和Fe2-B相的同时析出，从而确保了单一的α-Fe（Si）固溶体组织结构的存在；这一晶化过程反复在Finemet非晶基体的各处进行，最终形成了晶粒尺寸小、无织构的纳米晶软磁合金的组织结构，如图4所示。正是这种组织结构，使得Finemet合金具有很低的有效磁晶各向异性常数（K）和饱和磁致伸缩系数(λs)，从而导致了纳米晶合金材料具有优异的软磁特性。
4纳米晶软磁合金材料良好的稳定性
非晶态合金的原子结构处亚稳态，在一定条件下会向稳定状态转变，即晶化为晶态合金，从而就会失去原有的磁性能而不能使用。由于纳米晶软磁合金的原始基体为非晶态，因而有人担心纳米晶软磁合金在使用过程中的稳定性问题，包括温度稳定性、时效稳定性和机械稳定性等，实际上人们的这种担心是不必要的。
4.1温度稳定性
众所周知，磁性材料的温度稳定性与它的居里温度密切相关。居里温度越高，其可能使用的温度就越高，温度稳定性就越好。只有当温度高于其居里温度时，磁性材料才会失去原有的磁性，变成顺磁性而不能使用。
纳米晶软磁合金的居里温度为570℃（Finemet），远高于晶态坡莫合金（400℃）和铁氧体（~200℃），因而它比坡莫合金、铁氧体具有更好的温度稳定性。试验结果表明，在-55——+150℃温度范围内，纳米晶软磁合金的磁性变化仅在5-10%之内，而且这种变化随温度是可逆的。因而可以说，纳米晶软磁合金具有良好的温度稳定性，完全可以满足或胜任使用温度在130℃以下的各种磁性器件的技术要求。
4.2时效稳定性
对非晶态合金而言，只有当温度达到或超过晶化温度时，才会发生从非晶态向晶态转变的晶化过程，导致磁性变坏或恶劣。而纳米晶软磁合金在使用前要经过约550℃×1小时（Finemet）的退火热处理，此时合金已经形成了结构相当稳定的α-Fe(Si)纳米晶体，不再存在晶化问题，因而也就不存在时效稳定性问题或时效导致磁性变化的问题。
4.3机械稳定性
纳米晶软磁合金铁心在热处理后虽然比较脆，但此时铁心被装盒灌封或表面喷塑固化后使用，以确保铁心在使用过程中不会发生损坏或磁性能恶化。例行冲击振动试验表明，铁心均未发生过性能恶化问题。例如某航空用开关电源变压器铁心，在经过①加速度55g、持续时间8ms、3次冲击、②频率20~500Hz、加速度5g、双向45分钟扫描振动、③恒加速度15g、5分钟离心试验后，铁心的高频损耗P0.3/100k的变化率小于5%。说明纳米晶软磁合金磁性器件的耐冲击振动性能是可靠的，机械稳定性是良好的。
5结束语
a.与硅钢、坡莫合金、非晶合金及软磁铁氧体等合金材料相比，纳米晶软磁合金具有高饱和磁感、高磁导率、高频低损耗、高稳定性等优异的综合磁性能，因而可谓之当今最为“理想”的软磁合金材料，对促进我国电子工业和国防军工的发展、带动和提高传统产业及相关产业的技术进步与发展正在发挥重要作用。
b.任何一种商品都脱离不了市场的制约，纳米晶软磁合金材料及其磁性元器件产品也不例外，当人们在选择它们的时候，价格是必须考虑的重要因素。与同类合金材料相比，纳米晶软磁合金在性价比方面具有相当大的优势，因而市场发展前景广阔；换句话说，追求性价比的市场规律正是推动纳米晶软磁合金材料发展的动力。
c.国内纳米晶软磁合金材料在推广应用中具有一定的特色，但这些应用大都以带材卷绕铁心产品供货，产品显得单调低档。因而生产厂商应该重视材料与器件一体化的发展，研发各种应用的磁性元件器产品，特别是高频小型元器件，以提高产品的市场竞争能力和产品附加值。
d.国内纳米晶软磁合金材料的市场需求量逐年增加，但就材料的表观质量而言，厚度均匀性较差，铁心填充系数相对较低，因而纳米晶软磁合金铁心只能为中低档水平的产品，难以与国外同类产品相抗衡。因而采用先进的工艺技术与装备，改造或淘汰相对落后的工艺装备、生产优质合金带材、提高产品质量和市场竞争能力，是生产厂商必须认真考虑和实施的问题。
e.急冷工艺技术的问世是材料科学史上的重大突破，亚稳态组织大大突破了平衡态的成份局限，这些突破往往会打破常规观念而有所创新发现，纳米晶软磁合金材料就是在本应具有低起始磁导率的Fe基合金中被发现的，也就是说纳米晶软磁合金材料是急冷工艺技术派生出来的新材料。国内研发纳米晶软磁合金材料已有十多年历史，但创新发明不够，因而走自己的创新之路应引起材料工作者的高度重视。

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