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Fe基快淬态纳米晶薄带的制备与磁性

张中利  
【摘要】: 随着世界科技的发展,金属软磁材料在世界工业化和信息化进程中的基础作用越来越重要,对金属软磁材料的开发利用也逐步深入和广泛。 上世纪80年代末,日本日立金属实验室的吉泽克人(Yoshizawa)等人发明了铁基纳米晶软磁材料,他们发现将少量Cu和Nb加入FeSiB合金中,经过退火处理后会形成纳米晶软磁材料。(商品牌号FINEMET)。这种材料已经在工业生产中得到了广泛的应用。日本的Suzuki等人于1990年发现Fe-M-B (M=Zr,Hf, Nb)系合金具有优异的软磁性能。 随着世界科技的发展,功能材料在世界工业化和信息化进程中的应用越来越广泛。目前铁基纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B软磁材料已工业化生产,广泛应用于漏电保护装置的零序互感器,开关电源主功率变换器,高压隔离脉冲变压器,特殊电感器,滤波电感元件,弱磁传感器,BL传感器模块,霍尔电流传感器急速磁芯,中高频大功率CD型变压器铁芯,逆变式电焊机,逆变式等离子切割机,装甲车用逆变电源,舰艇用直流电源,超声波粉碎机电源,不停电电源,X光机电源等,应用范围极其广泛。2000年我国金属软磁材料的产量达到300t,2002年达到600t,目前,我国年产500t纳米晶的生产线已经建成,产能已跃居世界第三位。 铁基纳米晶Fe-Cu-Nb-Si-B是日本日立金属公司Yoshizawa发现的材料。Fe-(Zr,Nb)-B是日本东北大学发现的。虽然我国目前大量生产纳米Fe-Cu-Nb-Si-B材料,但受到日方知识产权专利的限制。对新型金属软磁纳米晶的研究是急需和紧迫的。目前,对Fe基纳米晶软磁材料的晶化主要是通过后期退火处理工艺达到晶化状态。我们通过研究发现,只需要改变Cu含量和适当调节快淬速率,就可以直接制备纳米晶软磁材料而无需后期退火处理工艺。这样既节省了能源,又简化了制备工艺。本论文内容具有很强的创新性和实用性。 本论文对以下几个方面的内容进行了研究: 1.用快淬甩带法,通过改变合金中Cu含量和适当控制快淬速率直接制备了Fe78-xSi9B13Cux(x=0,1,2,3,3.5,4)快淬态纳米晶薄带而无需后期退火处理工艺。由X射线衍射图发现薄带中析出了α-Fe(Si)纳米晶粒。薄带中平均晶粒大小D在20-40nm之间。测量了快淬纳米晶薄带的饱和磁化强度、磁致伸缩系数、起始磁导率和磁阻抗效应,研究了他们与快淬薄带中Cu含量变化的关系。并得到了相应的图谱和规律。 2.制备了Fe77.5-xSi13.5B9Cux(X=0,1,2.5)快淬薄带,研究了薄带的快淬态纳米晶化。分析了该快淬态薄带的晶化结构和微结构。由X光射线衍射仪发现该快淬态薄带析出α-Fe(Si)纳米晶粒。 3.快淬甩带法无需后期退火处理直接制备了Fe85-xNb6.8B7.7Cux(x=0,1,3)快淬态纳米晶薄带,由X射线衍射图发现薄带析出了α-Fe纳米晶粒,其晶粒大小在13-23nm左右。测量了快淬态纳米晶薄带在不同外加磁场、驱动电流频率下的电阻,电感值,通过计算阻抗变化率,得到了纳米晶薄带的阻抗变化率与磁场的图谱和规律。研究了快淬纳米晶薄带的磁电阻,电感等随交流驱动频率的变化关系。 4.通过对上述三种快淬态纳米晶薄带的晶化结构与微结构分析,得到了Cu元素有细化快淬纳米晶薄带颗粒的作用,Cu元素能促进α-Fe和α-Fe(Si)晶粒的成核和体积分数的增加。随着Cu含量的过量,Cu原子簇粗化,α-Fe(Si)有效成核位置减少了,并出现了FeB相。降低了两种快淬纳米晶薄带的软磁性能。


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