FeCuNbSiB非晶纳米晶带材软磁性能和压磁性能研究
宋晖 朱正吼 罗军 贺珍 （南昌大学材料科学与工程学院，330047）
摘要：本文主要研究了Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶带材在不同的热处理工艺和压应力条件下的软磁性能变化情况。试验结果表明：带材在550℃×1h热处理工艺时将晶化成纳米晶材料，此时带材软磁性能*好，其Bm值达到1.6T；纳米晶带材的磁导率受压应力影响大，尤其是在小于0.2MPa压应力作用下，软磁性能变化非常敏感，磁导率随压力增加而迅速下降；带材Q值在小于0.2MPa压应力作用下变化非常敏感，Q值随压力增加而迅速下降。当压应力大于0.2MPa时，Q值
随压应力变化不明显。压应力不影响带材Q值随频率的变化规律。
关键词：纳米晶，软磁性能，压磁性能
The Study on soft magnetic properties and magnetoelasticproperties
of FeCuNbSiB Nano-crystal Ribbons
Song Hui Zhu Zhenghou Luo Jun He Zhen
(Material Sci. & Egi. College Nanchang University, 330047)
Abstract:The paper has chiefly researched the Influence on SoftMagnetic Properties and magnetoelastic properties ofFe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 Nano-crystal Ribbons of heat treatmentprocesses and pressure. The result shows that soft magneticproperties, such as, saturation magnetic-induction intensity 1.6T,are most excellent when Anneal processes are 550℃ for 1 hour, andRibbons has been Nano-crystalled. There is a sensitivity zone withpressure. The sensitivity zone of under heat-treatment AmorphousRibbons is during 0 to 0.2MPa. At first, the original Magnetic-conductance,μI, will urgently reduce with the growth of pressurein sensitivity zone. The sensitivity of Q value of Ribbons is alsovery high and Q will urgently reduce with the growth of pressure in0 to 0.2MPa sensitivity zone. Pressure doesn’t influence on thechange law of Q with frequency.
Key words : Nano-crystal, soft magnetic properties, magnetoelasticproperties
作者简介:宋晖(1971.11-)，女，山东人，工程师，学士，现工作于南昌大学材料科学与工程学院，主要从事于复合材料科学与工程、粉体工程方面的研究。联系电话：0791—8038206,Fax/Tel:(O)
基金项目：江西省科技攻关项目（2004-3）
前言
1992年，日本名古屋大学Murillo教授等人首先报道了铁基（FeCoSiB）非晶态合金材料在高频交变磁场作用下，可显示出巨磁电阻抗效应及显著的压磁效应[1-6]。从材料成分看，目前文献报道有压磁效应的非晶合金主要有FeSiB、FeCoSiB、FeNiSiB、FeCoZr、TbFeCo、GdFeCo、CoSiB、FePC、CoFesiB或者添加一些过渡族金属改性的FeSiB材料[1-10]。非晶薄膜的压磁特性不仅与材料的内应力有关，还与材料成分、表面状态、内部质量（尤其是气孔分布）关系密切。例如，薄膜的表面结晶和元素偏聚能够提高材料的磁致伸缩效应。
利用铁基非晶薄膜的压磁效应可制成测量张力及压力的传感器，这些传感器具有较宽的线性测力范围和比传统材料制作的器件具有更好的性能。这是因为非晶软磁材料除具有优异的电磁特性，如高饱和磁通密度、低矫顽力、高磁导率、低磁损耗、高电阻率外，还具有优异的弹性性能、很好的抗腐蚀性能及较好的温度稳定性。也可将一段非晶材料粘贴在其他能产生应变的材料上，可检测出其他材料上所受的应变及应力，这种新型的应变材料在某些方面可表现出比传统的电阻应变材料及半导体应变材料具有更好的性能，因此开展这方面的研究具有很好的应用前景[7-16]。
本文以典型的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金（Finemet合金）为研究对象，主要研究：(1)退火温度和退火时间对非晶纳米晶软磁带材磁性能的影响；（2）非晶带材在压力作用下的磁性能变化及Q值的变化。
2 工艺实验与分析测试
按照Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9配制合金母料（合金锭），合金锭（江西大有科技股份有限公司）加入到ZGSL-2.5真空感应熔炼炉中熔融后经单辊喷带机喷出后急冷得到非晶带材宽4.5mm厚约25um的非晶薄带。
非晶带材在真空碳管炉内热处理：100˚C~600˚C，保温0.5~2h，真空度6.67*10-2Pa。
将薄带卷成内径9.6mm，外径11.2mm的磁芯，在磁芯上缠绕固定匝数的漆包铜线，装入不锈钢压力容器中，铜线自压力容器盖上引出与软磁性能测试仪器连接。磁芯不锈钢压力容器中用橡胶与容器绝缘。充入高压气体，测试不同压力下磁芯的软磁性能变化和Q值变化。
采用TDS1002型B-H测试仪测试带材B—H曲线，测试励磁线圈：铜线7匝，测试频率：100KHz。
采用QBG-3D高频Q表（中国上海爱仪公司）测试带材损耗情况。
3结果分析与讨论
3.1带材常压下的软磁性能
图1 热处理工艺与带材软磁性能
作为软磁材料，要求获得高饱和磁感强度，低的矫顽力，低损耗，高导磁率。图1表明带材在550℃×1h热处理工艺时软磁性能*好（表1）。大量的研究已经表明，在550℃×1h热处理工艺下，Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶合金将晶化成纳米晶材料。
表1 带材*佳软磁性能（550℃×1h）
性能指标 软磁性能
饱和磁感应强度 Bm(mT)=1627
剩磁比 Br/Bm =89%
矫顽力 Hc(A/m)=51.13
质量比损耗 Pcm(w/kg)=6370.74
磁导率的模（饱和磁导率） |μ|=1206
3.2带材在压应力下的软磁性能
实验表明，对于未晶化成纳米晶的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9带材，其软磁性能随压力变化不明显，但是，当经过热处理晶化成纳米晶后，带材的软磁性能受压应力影响明显。压应力主要影响Bm、Br/Bm、Pcm和磁导率，而Bm、Pcm和磁导率三个性能是相互联系的，即变化规律间相互协调。
表2 带材软磁性能与压应力的关系（550℃×0.5h）
压应力(MPa) 软磁性能
Bm(mT) Br/Bm(%) Hc(A/m) Pcm(w/kg) ︱μ︳
0 2462 84% 28.55 12356.07 2144
0.1 2467 89% 28.55 15390.63 1910
0.2 2500 84% 28.55 11403.88 2137
0.3 2496 85% 28.55 12195.30 2174
0.4 2489 83% 28.55 11540.38 2168
0.5 2471 80% 28.55 10906.39 2221
0.6 2460 82% 28.55 11535.93 2143
图2表明纳米晶带材的磁导率受压应力影响大，尤其是在小于0.2MPa压应力作用下，软磁性能变化非常敏感，磁导率随压力增加而迅速下降。这一点在纳米晶磁芯生产实践中得到很好验证。在纳米晶磁芯生产时，表面封装胶固化产生的微小应力会导致磁芯软磁性能急剧下降。当压应力大于0.2MPa时，带材软磁性能随压应力出现微小波动。
3.3带材在压应力下的Q
图3 FeCuNbSiB纳米晶Q值变化
图3所示为带材Q值与微波频率的关系。带材的中心频率为25MHz，在此频率，带材Q值达到*大值（5.2）。与磁导率变化规律相同，Q值在小于0.2MPa压应力作用下变化非常敏感，Q值随压力增加而迅速下降。当压应力大于0.2MPa时，Q值随压应力变化不明显。压应力不影响带材Q值随频率的变化规律。
实验测试的Q值变化规律与磁导率μ的变化规律是一致的，说明实验结果与理论分析是完全吻合的。理论上，Q值与μ的关系是：，式中，Hm-----*大外加磁场， ν-------瑞利常量，μi------起始磁导率。
实验发现，采用Q值来表征带材的压磁性能更加准确和可靠。
至于非晶带材产生压磁效应的机理，很多国外文献认为是内应力的影响结果[1-10]。非晶材料虽然磁畴畴壁能低，没有各向异性，但存在形状和应力各向异性，相应也具有较高畴壁能。特别对非晶合金薄膜，合金熔流在铜辊圆周表面急冷凝固成非晶金属薄膜的过程中，由于冷却速度差异，使淬态非晶薄膜在宽度方向存在大的残余应力，薄膜的外层应力各向异性大于内部，使薄膜在宽度方向上具有内应力差值。当磁场方向与应力方向一致时，拉应力能够加大原子间距，提高材料的磁致伸缩系数；当磁场方向与应力方向相反时，压应力使原子间距缩短，相应提高负磁致伸缩系数的**值。
对于纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9带材具有显著的压磁性能的机理还有带进一步研究。
4结论
(1)Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9带材在550℃×1h热处理工艺时将晶化成纳米晶材料，此时带材软磁性能*好，其Bm值达到1.6T；
(2)纳米晶带材的磁导率受压应力影响大，尤其是在小于0.2MPa压应力作用下，软磁性能变化非常敏感，磁导率随压力增加而迅速下降；
(3)带材Q值在小于0.2MPa压应力作用下变化非常敏感，Q值随压力增加而迅速下降。当压应力大于0.2MPa时，Q值随压应力变化不明显。压应力不影响带材Q值随频率的变化规律。
参考文献
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