寧波材料所在非晶軟磁合金綜合性能調(diào)控方法研究中獲系列進(jìn)展

   鐵基軟磁非晶合金在變壓器、電機(jī)、傳感器等電力電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景，是重要的節(jié)能和綠色環(huán)保新材料。軟磁性能和力學(xué)變形能力是影響非晶合金應(yīng)用的兩個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)原始非晶合金樣品力學(xué)變形能力很好，但是非平衡制備過(guò)程凍結(jié)的殘余應(yīng)力會(huì)使軟磁性能變差。退火可以降低殘余應(yīng)力，大幅提高軟磁性能，但往往會(huì)使非晶合金變脆。退火過(guò)程主要是利用弛豫現(xiàn)象調(diào)控非晶合金性能，然而非晶合金的弛豫模式非常復(fù)雜，不同弛豫模式之間也存在耦合作用。研究非晶合金中的弛豫現(xiàn)象，明確不同弛豫模式對(duì)性能的影響規(guī)律及其微觀物理機(jī)制，對(duì)解決不同性能之間顧此失彼的問(wèn)題具有十分重要的意義。

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋麗建、何娜娜和歐陽(yáng)酥等在研究員王軍強(qiáng)和副研究員霍軍濤等人的指導(dǎo)下，自2015年起圍繞非晶合金的等溫弛豫行為及其對(duì)磁性能的影響規(guī)律和微觀機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)成果和專(zhuān)題于2018年上半年相繼發(fā)表并申請(qǐng)專(zhuān)利。首先，利用高精度、超快升降溫速率的閃速掃描量熱儀（Flash DSC），系統(tǒng)研究了不同合金體系在等溫退火處理?xiàng)l件下的弛豫動(dòng)力學(xué)行為。發(fā)現(xiàn)等溫退火過(guò)程不是單一的弛豫模式，而是存在從β弛豫向α弛豫的轉(zhuǎn)變過(guò)程（見(jiàn)圖1）。即低溫短時(shí)間退火時(shí)，非晶合金經(jīng)歷β弛豫，當(dāng)退火溫度足夠高或者退火時(shí)間足夠長(zhǎng)則會(huì)觸發(fā)α弛豫行為。這種等溫轉(zhuǎn)變過(guò)程是排列疏松區(qū)域自由體積的湮滅使得原子協(xié)同運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)引起的。這些結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)非晶合金中不同弛豫模式的精準(zhǔn)調(diào)控，相關(guān)文章發(fā)表于Intermetallics 93, 101–105 (2018)。

他們進(jìn)一步通過(guò)精準(zhǔn)控制鐵基非晶合金中的弛豫模式，發(fā)現(xiàn)β弛豫階段能夠有效改善軟磁性能（矯頑力降低，磁導(dǎo)率升高），同時(shí)保持良好的力學(xué)性能；α弛豫階段對(duì)軟磁性能沒(méi)有明顯影響，矯頑力和磁導(dǎo)率基本保持不變，但力學(xué)變形能力變差，非晶合金變脆（見(jiàn)圖2）。以上工作表明，不同弛豫模式對(duì)非晶合金不同性能的影響規(guī)律不同，通過(guò)精準(zhǔn)控制非晶合金中的弛豫模式，可以解決不同性能之間顧此失彼的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綜合性能的提高。相關(guān)工作正在整理投稿中，已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利(201810310296.5)。

鑒于β弛豫與微觀結(jié)構(gòu)不均勻性的關(guān)系，以及宏觀磁性能與微觀磁疇結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為了進(jìn)一步研究β弛豫影響軟磁性能的微觀機(jī)制，該團(tuán)隊(duì)研究了磁疇運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)不均勻性之間的耦合作用。通過(guò)原位研究納米壓痕周?chē)�磁疇壁在外加磁�?chǎng)下的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)非晶合金磁化由磁疇壁的移動(dòng)決定。距離納米壓痕越近，磁疇壁越難移動(dòng)，意味著磁導(dǎo)率越低。利用振幅調(diào)制原子力顯微鏡（AM-AFM）研究了壓痕周?chē)�的微觀不均勻性，發(fā)現(xiàn)距離壓痕越近，其黏滯損耗能量越大，這與非晶合金中的剪脹變形機(jī)制相關(guān)。并原位研究了在拉伸狀態(tài)下的微觀不均勻性，發(fā)現(xiàn)外應(yīng)力與黏滯損耗能量之間存在線性關(guān)系�；�于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)磁疇壁移動(dòng)能力與黏滯損耗能量之間存在明顯關(guān)聯(lián)性（見(jiàn)圖3）。該關(guān)系可以用磁彈耦合理論進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明該軟磁非晶合金中的磁疇壁厚度約為36nm，與粘彈性比均勻性特征尺度相近。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于Phys. Rev. Materials 2, 063601 (2018)。

以上研究結(jié)果證明非晶合金在等溫退火過(guò)程中存在不同弛豫模式轉(zhuǎn)變，明確了β和α弛豫對(duì)磁性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及β弛豫影響磁性能的微觀機(jī)制。該結(jié)果在非晶合金中具有普適性，有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)非晶合金綜合性能的提升。

   以上工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金杰出青年基金、中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。