納米晶帶材簡介.doc

鐵基納米晶合金一、簡介：鐵基納米晶合金是由鐵元素為主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為的，彌散分布在非晶態(tài)的基體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。微晶直徑 10-20 nm, 適用頻率范圍 50Hz-100kHz.二、背景介紹：1988年日本的Yoshizawa等人首先發(fā)現(xiàn),在Fe-S-iB非晶合金的基體中加入少量Cu和M(M=Nb,Ta,Mo,W等),經(jīng)適當?shù)臏囟染Щ嘶鹨院?可獲得一種性能優(yōu)異的具有bcc結(jié)構(gòu)的超細晶粒(D約10nm)軟磁合金。這時材料磁性能不僅不惡化,反而非常優(yōu)良,這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱為納米晶合金。其典型成份為Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌號為Finemet。其后,Suzuki等人又開發(fā)出了Fe-M-B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前為止,已經(jīng)開發(fā)了許多納米晶軟磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基2。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同時為零的非晶態(tài)或晶態(tài)合金,如果沒有特殊情況,實用價值不大。三、鐵基納米晶軟磁合金的制備方法納米晶軟磁合金的制備一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、霧化法、濺射法等制得非晶合金的基礎(chǔ)上,對非晶合金在一定的條件下(等溫、真空、橫向或縱向磁場等)進行退火,得到含有一定顆粒大小和體積分數(shù)的納米晶相。近年來,也有一些研究者采用高能球磨法制備納米晶軟磁合金。四、納米晶軟磁合金的結(jié)構(gòu)與性能納米晶軟磁合金的典型成份為Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。隨著研究的不斷進行,合金化元素幾乎遍及整個元素周期表。從合金的化學(xué)成份在合金中的作用看,可以分為4類:(1). 鐵磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的優(yōu)勢,且納米晶合金可以實現(xiàn)K和Ks同時為零,因而使L值很高、損耗很低,價格便宜,成為當今研究開發(fā)的中心課題。(2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。對于納米晶軟磁合金帶材,一般都是先形成非晶帶,然后通過退火使材料出現(xiàn)納米晶,因而非晶化元素是基本元素。特別是B對形成非晶有利,成為幾乎所有納米晶軟磁合金的構(gòu)成元素,含量在5at%15at%之間。Si也是重要的非晶化元素,通常含量在6at%以上。含Si量過高將使Bs降低,含Si量過低則不易形成非晶因而形成納米晶較難;Si還往往是納米晶主相Fe-Si(A-Fe)的基本構(gòu)成元素。(3). 納米晶形成元素,主要包括兩類:一類是Cu、Ag、Au及其替代元素,如Ib族元素和Pt系貴金屬元素。這些金屬在Fe中的固溶度小或基本不固溶于Fe,晶化時首先與Fe分離,造成該金屬元素的富相區(qū),起A-Fe的形核作用。第二類是Nb、Mo、W及其替代元素,如IVb、Vb、VIb族元素等。這類元素的主要作用是擴散緩慢,阻止A-Fe晶粒長大,從而保證晶粒的納米尺寸,同時對降低Ks、擴大熱處理溫區(qū)、改善脆性和工藝性能有益,Cr對耐腐蝕性也有明顯作用。圖1顯示了在823K下退火112ks的Fe7315Cu1M3Si1315B9納米晶合金的不同納米晶形成元素與晶粒尺寸的關(guān)系,從中可以看出橫坐標從Cu到Mn元素主要促進納米晶的長大,而Zr到W元素起到抑制晶粒長大的作用。(4)調(diào)整元素,是根據(jù)特種需要而添加的少量元素,如Ru等,常用于磁頭材料。五、性能特征：（1）納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感(1.2T)、高初始磁導(dǎo)率(8104)、低Hc(0.32A/M), 高磁感下的高頻損耗低(P0.5T/20kHz=30W/kg)，電阻率為80/cm，比坡莫合金(50-60/cm)高, 經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高Br(0.9)或低Br 值(1000Gs)。是目前市場上綜合性能最好的材料;：，最佳頻率范圍：20kHz-50kHz。廣泛應(yīng)用于大功率開關(guān)電源、逆變電源、磁放大器、高頻變壓器、高頻變換器、高頻扼流圈鐵芯、電流互感器鐵芯、漏電保護開關(guān)、共模電感鐵芯。（2）納米晶合金的磁導(dǎo)率、Hc值接近晶態(tài)高坡莫合金及鈷基非晶，且飽和磁感Bs與中鎳坡莫合金相當，熱處理工藝簡單，是一種理想的廉價高性能軟磁材料;雖然納米晶合金的Bs值低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下的高頻損耗遠低于它們，并具有更好的耐蝕性和磁穩(wěn)定性。納米晶合金與鐵氧體相比，在低于50kHz時，在具有更低損耗的基礎(chǔ)上具有高2至3倍的工作磁感，磁芯體積可小一倍以上。六、應(yīng)用：鐵基納米晶合金由鐵、硅、硼和少量的銅、鉬、鈮等組成，其中銅和鈮是獲得納米晶結(jié)構(gòu)必不可少的元素。它們首先被制成非晶帶材，然后經(jīng)過適當退火，形成微晶和非晶的混合組織。這種材料雖然便宜，但磁性能極好，幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相媲美，但是卻不含有昂貴的鈷，是工業(yè)和民用中高頻變壓器、互感器、電感的理想材料，也是坡莫合金和鐵氧體的換代產(chǎn)品。七、鐵基納米晶軟磁材料的應(yīng)用：由于/Finemet0、/Nanoperm0和/Hitperm0顯示出優(yōu)異的軟磁性能,鐵基納米晶軟磁材料廣泛應(yīng)用于功頻變壓器鐵芯、飽和扼流圈、高頻變壓器以及磁頭等。最近,利用鐵基納米晶軟磁材料的巨磁電阻效應(yīng)制成的下一代信息存儲設(shè)備,大大提高了存儲密度,降低了存儲設(shè)備的體積和重量;利用其磁致冷效應(yīng)制得的/綠色冰箱0,避免了有害氟利昂的使用,保護了環(huán)境。此外在ISDN鐵芯、傳感器、共模扼流圈、防磁罩等方面也有巨大的應(yīng)用前景。八、鐵基納米晶軟磁材料研究的趨勢 ：隨著納米晶軟磁材料應(yīng)用的不斷發(fā)展,越來越要求軟磁材料具有高的飽和磁感應(yīng)強度、高磁導(dǎo)率、低鐵損以及高耐腐蝕性、高的強度等等。為此,在高性能軟磁合金、大塊非晶以及由此產(chǎn)生的理論研究已成為現(xiàn)在和將來一段時間內(nèi)軟磁材料研究的熱點和趨勢。九、優(yōu)勢：為了得到對共模干擾最佳的抑制效果，共模電感鐵芯必須具有高導(dǎo)磁率、優(yōu)良的頻率特性等。從前絕大多數(shù)采用鐵氧體作為共模電感的鐵芯材料，它具有極佳的頻率特性和低成本的優(yōu)勢。但是，鐵氧體也具有一些無法克服的弱點，例如溫度特性差、飽和磁感低等，在應(yīng)用時受到了一定限制。近年來，鐵基納米晶合金的出現(xiàn)為共模電感增加了一種優(yōu)良的鐵芯材料。鐵基納米晶合金的制造工藝是：首先用快速凝固技術(shù)制成厚度大約2030微米的非晶合金薄帶，卷繞成鐵芯后經(jīng)過進一步加工形成納米晶。與鐵氧體相比，納米晶合金具有一些獨特的優(yōu)勢：（1）高飽和磁感應(yīng)強度：鐵基納米晶合金的Bs達1.2T，是鐵氧體的兩倍以上。作為共模電感鐵芯，一個重要的原則是鐵芯不能磁化到飽和，否則電感量急劇降低。而在實際應(yīng)用中，有不少場合的干擾強度較大（例如大功率變頻電機），如果用普通的鐵氧體作為共模電感，鐵芯存在飽和的可能性，不能保證大強度干擾下的噪聲抑制效果。由于納米晶合金的高飽和磁感應(yīng)強度，其抗飽和特性無疑明顯優(yōu)于鐵氧體，使得納米晶合金非常適用于抗大電流強干擾的場合。（2）高初始導(dǎo)磁率：納米晶合金的初始導(dǎo)磁率可達10萬，遠遠高于鐵氧體，因此用納米晶合金制造的共模電感在低磁場下具有大的阻抗和插入損耗，對弱干擾具有極好的抑制作用。這對于要求極小泄漏電流的抗弱干擾共模濾波器尤其適用。在某些特定場合（如醫(yī)療設(shè)備），設(shè)備通過對地電容（如人體）造成泄漏電流，容易形成共模干擾，而設(shè)備本身又對此要求極嚴。此時使用高導(dǎo)磁率的納米晶合金制造共模電感可能是最佳選擇。此外，納米晶合金的高導(dǎo)磁率可以減少線圈匝數(shù)，降低寄生電容等分布參數(shù)，因而將由于分布參數(shù)引起的在插入損耗譜上的共振峰頻率提高。同時，納米晶鐵芯的高導(dǎo)磁率使得共模電感具有更高的電感量和阻抗值，或者在同等電感量的前提下縮小鐵芯的體積。（3）卓越的溫度穩(wěn)定性：鐵基納米晶合金的居里溫度高達570oC以上。在有較大溫度波動的情況下，納米晶合金的性能變化率明顯低于鐵氧體，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，而且性能的變化接近于線性。一般地，納米晶合金在50oC130oC的溫度區(qū)間內(nèi)，主要磁性能的變化率在10%以內(nèi)。相比之下，鐵氧體的居里溫度一般在250oC以下，磁性能變化率有時達到100%以上，而且呈非線性，不易補償。納米晶合金的這種溫度穩(wěn)定性結(jié)合其特有的低損耗特性，為器件設(shè)計者提供了寬松的溫度條件。而圖3為不同材料的飽和磁感應(yīng)強度的溫度特性。（4）靈活的頻率特性：通過不同的制造工藝，納米晶鐵芯可以獲得不同的頻率特性，配合適當?shù)木€圈匝數(shù)可以得到不同的阻抗特性，滿足不同波段的濾波要求，而其阻抗值大大高于鐵氧體。應(yīng)該指出，任何濾波器都不能指望用一種鐵芯材料就可以實現(xiàn)整個頻率范圍的噪聲抑制，而是應(yīng)根據(jù)濾波器要求的濾波頻段來選擇不同的鐵芯材料、尺寸和匝數(shù)等。與鐵氧體相比，納米晶合金可以更加靈活地通過調(diào)整工藝來得到所需要的頻率特性。鐵基納米晶合金自二十世紀八十年代末開發(fā)以來，已經(jīng)在開關(guān)電源變壓器、互感器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于納米晶合金的高導(dǎo)磁率、高飽和磁感、靈活可調(diào)的頻率特性等優(yōu)勢，在抗共模干擾濾波器等領(lǐng)域也越來越受到重視。國外已經(jīng)存在可以大批量供應(yīng)的鐵基納米晶合金共模電感鐵芯。隨著人們對納米晶合金認識的逐漸加深，可以預(yù)計它們制造的共模電感在國內(nèi)的應(yīng)用前景將越來越廣闊。母合金（masteralloy）1.定義母合金是以鋁、銅、鎳等為基體的合金，該合金中含有相對含量較高的其他一種或兩種元素。如AlTi10即為鈦含量為10%的鋁基二元母合金。母合金為半成品，在金屬工業(yè)中用作原材料。母合金具有不同的形狀，如錠塊、華夫板狀、棒狀。2.材料用途采用“母合金”作為摻雜劑是為了使摻雜量容易控制、更準確。雜的目的主要是用來改變硅熔體中施主雜質(zhì)（如磷）或受主雜質(zhì)（如硼）的雜質(zhì)濃度，使其生長出的單晶電阻率達到規(guī)定的要求。硅單晶N型摻雜劑：五族元素，主要有磷、砷、銻。硅單晶P型摻雜劑：三族元素，主要有硼、鋁、鎵。拉制電阻率低的硅單晶，一般用純元素作摻雜劑。拉制電阻率高的硅單晶則采用母合金作為摻雜劑。3.使用范圍母合金在全球范圍內(nèi)被廣泛使用。工廠里通常將金屬熔化，與不同的元素進行合金化，澆鑄成不同的形狀。通常熔化的金屬有鋁、鐵、鋼，甚至還有諸如金等的貴金屬。4.使用原因1將母合金添加到熔體中的原因有很多，主要原因之一便是用來進行成分調(diào)節(jié)，即改變金屬熔體的成分以達到特定的成分要求。另一重要應(yīng)用便是組織調(diào)節(jié)通過在澆鑄和凝固過程中改變金屬的顯微組織以達到調(diào)節(jié)合金性能的目的。這些性能包括力學(xué)強度、延伸率、導(dǎo)電性，鑄造性能及表面粗糙度