| 单词 | 纳米微晶磁性材料 |
| 释义 | 【纳米微晶磁性材料】 拼译：nanocrystalline magnetic materials 1960年美国发明了快淬金属工艺，为非晶态材料的诞生辅平了道路。70年代形成非晶态合金研究的热潮。80年代末期，日本首先研制成纳米量级微晶的金属软磁材料，同期，美国开拓出具有纳米微晶结构的稀土NdFeB快淬工艺，从而使磁性材料添增纳米微晶磁性材料新的一员。 1900年硅钢(Fe-Si合金)出现后，它始终是电力工业中的主要磁性材料。但以往追求的是均匀的大晶粒的微结构，90年代却朝着纳米微晶方向发展。例如晶粒取向的Fe－3%Si硅钢片通过室温下局部加压，随后进行高温退火处理，形成纳米级的微晶，或采用激光照射使其微晶化，从而使铁损降低。另一个方向是非晶材料微晶化，非晶态金属磁性材料经过70年代的开拓与发展，80年代以来，美国、日本相继建成年产万吨级的连续制带设备。非晶Fe-Si-B合金具有较低的铁损，但铁基非晶的高频及中频特性并不理想。如FeSiB非晶在20kHz下的损耗高达19w／kg。Co基非晶虽有较好的频率特性，但饱和磁化强度较低。1988年，日本首先在FeSiB中加入Cu、Nb成分，过淬成非晶态后，再在晶化温度以上进行退火处理，使非晶材料转变为微晶材料。控制退火温度与时间，可以控制微晶尺寸大小，其基本组成为Fe73．5Cu1Nb3Si13．5B9，取名为Finement。它具有铁基非晶材料的高饱和磁化强度以及Co基非晶材料优良的高频特性。Cu在Fe中具有低固溶度，为α－Fe成核提供了条件，同时抑制了Fe-B类金属化合物的产生。Nb可起抑制α－Fe晶粒长大的作用，从而使晶粒细化。研究表明，Finement材料由晶粒尺寸约为10nm的体心立方结构α－Fe微晶体所构成，Si富集于α-Fe晶粒中，在低于200kHz频段中，它具有较锰锌铁氧体与铁基非晶合金更高的磁导率。目前，美国、日本等国的Finement材料，月产量已达吨的量级，预计在开关电源、磁放大器、扼流圈、高频变压器、饱和电抗器等方面可以得到应用。除Fe-Si系列外，人们还进行了Fe-M-B系列纳米微晶材料的研究(其中M为Zr、Hf等)。其Bs可达1．7T，μe为1．5×104，其工艺过程与Finement相似。除纳米微晶合金薄带外，采用非晶转变为微晶的方法和溅射工艺，亦可制成具有纳米微晶结构的Fe-M-C系列的薄膜(其中M为Zr、Hf、Nb、Ti、V、Ta等元素)。例如Fe81．0Zr7．5C11．5Fe79．0Ta8．1C12．9等，这类薄膜具有高Bs(1．4－1．7T)，高μi与高居里温度(700℃)的特点，可作为高密度磁记录用的磁头材料，其商品名为Nanomax，这些膜是由尺寸约为10nm的α－Fe微晶与1～3nm微晶的MC化合物所组成的多晶体。Nanomax磁头的输出比Co-Ta-Hf系非晶膜磁头高5dB。从传统的磁畴概念出发，很难理解小晶粒的显微结构具有良好的软磁性，以及在小晶粒的条件下的磁化机制。从混乱各向异性模型出发，当晶粒尺寸远小于铁磁交换作用长度时，晶粒内的磁化矢量方向将取决于磁晶各向异性能与交换能相平衡的方向，有效各向异性能则为在交换作用长度内各晶粒的平均值，并随着交换作用长度内各晶粒数目的增加而降低。理论计算表明，矫顽力将与晶粒尺寸的六次方成正比。而初始磁导率将与晶粒尺寸的六次方成反比。因此，随着晶粒尺寸的变小，矫顽力将显著减小，初始磁导率将迅速增长。理论能较好地与实验结果相符。当晶粒尺寸与铁磁交换作用长度相当时，矫顽力呈现极大值；当晶粒尺寸大于交换作用长度时，矫顽力近似与晶粒尺寸的一次方成反比，此时可用通常畴壁位移的理论进行解释；当晶粒尺寸比交换作用长度小时，则服从上述的混乱各向异性模型，畴壁位移理论并不适用于纳米级微晶的磁化过程。20世纪30年代，人们对铁磁材料的磁化过程已有深入的了解，实验上观察到磁畴，理论上也给予了正确的解释。从磁畴理论出发，大块铁磁材料通常处于多畴状态，矫顽力较低。当铁磁体的尺寸减小到单畴临界尺寸时，反磁化过程以磁畴转动为主，此时呈现矫顽力的极大值。40年代起，人们就利用单畴的高矫顽力特性研制金属微粉永磁材料。50年代时，钡锶永磁铁氧体亦是利用此特性将粉料研磨成单畴颗粒尺寸，从而获得高矫顽力和高磁能积。近年来，对快淬NdFeB材料进行研究，发现在快淬的NdFeB合金薄带中，铁磁相Nd2Fe14B呈等轴纳米微晶，平均晶粒尺寸约为30nm，晶粒外覆盖一层厚约为1～2nm的富Nd缺B的非晶相薄膜。该非晶相可以起畴壁钉扎的作用，从而得到高矫顽力值。这种快淬NdFeB粉料可作为粘结磁体的原材料。此外也可采用纳米晶软磁的工艺，即先将NdFeB材料过淬，使形成非晶材料，再在晶化温度下进行保温，以获得一定的晶粒尺寸，这种工艺有利于晶粒尺寸的控制。美国通用汽车公司首先获得快淬NdFeB材料的专利，并进行了大量的生产。除采用快淬工艺外，近年来亦发展出氢化－歧化－脱氢工艺、机械合金化、热轧工艺、气雾法等新工艺，使工艺过程简化，以获得廉价的具有纳米晶结构的NdFeB材料。除NdFeB外，SmCo系统的稀土永磁材料亦采用相似的工艺使其晶粒细化。纳米晶粉料目前主要作为稀土粘结永磁体的原材料，它比通常粉末冶金的粉料的矫顽力约高6～8倍，具有较好的热稳定性、耐腐蚀性以及工艺稳定性。在国际上，它的产量迅速增长，在日本已占NdFeB永磁材料产值的30%，可应用于微电机、扬声器等领域，具有多种用途，尤其适用于制造小型、异型和尺寸精度要求高的永磁器件。纳米微晶磁性材料是90年代发展起来的新型磁性材料。由于它的优良性能，研究与应用几乎是交叉进行的，未来的热点将会是：(1)研制新的微晶磁性材料，探索新工艺。(2)对微晶磁性材料的磁化机制与磁性进行深入研究。(3)开拓微晶磁性材料的新应用。【参考文献】：1 Mishra R K J．MMM，1986，54～157∶4502 Yoshigauia Y，et al．J．Appl．Phys，1988，64∶60443 Syguki K，et al．Materialo Trans．JIM1990，31∶7434 Herger G．IEEE．Trans．On Magn．MAG－261990；13975 都有为．物理，1993，22∶33(南京大学博士生导师都有为教授撰) |
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