合金化元素對(duì)鐵基非晶合金磁性影響的理論模型

1960年，隨著金硅合金的金屬液體以冷卻速率106 K/s快速冷卻，金屬玻璃被*合成。隨后，大量不同合金體系以玻璃態(tài)形式被合成出來(lái)。但是，由于這些合金成分形成玻璃態(tài)的冷卻速率為105~106 K/s數(shù)量級(jí)，所以，這些玻璃態(tài)以薄帶（厚度為20~30 μm）、粉末和金屬絲形式制成。近年來(lái)，隨著技術(shù)發(fā)展，金屬玻璃向大尺寸方向合成，即塊體非晶合金。由于非晶態(tài)不存在磁各向異性和晶界，鐵基非晶合金具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率和低損耗等優(yōu)良的軟磁性能，它以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、良好的力學(xué)性能和磁性引起材料科學(xué)工程界的廣泛關(guān)注。這類(lèi)磁性材料在發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力推進(jìn)、電磁鐵、傳感器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域有著越來(lái)越重要的作用。為了提高非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS以及降低矯頑力HC，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法傾向于采用經(jīng)驗(yàn)方法，利用不同元素配比制成合金熔體，測(cè)定磁滯回線，以確定合金體系BS。然而，如何采用一種縮短研制周期，降低研制成本的有效方法探究非晶合金的磁性、微觀結(jié)構(gòu)、原子團(tuán)簇分布及其內(nèi)部聯(lián)系，成為制約塊體非晶合金研制的關(guān)鍵瓶頸之一。

*近，安泰科技股份有限公司與北京計(jì)算科學(xué)研究中心、安泰創(chuàng)明新能源材料（常州）研究院有限公司等單位合作，基于*性原理計(jì)算探索了Fe77X5Si4B10P4（X=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）磁性的電子結(jié)構(gòu)及局域原子結(jié)構(gòu)起源。研究發(fā)現(xiàn)，合金化元素將引起局域磁環(huán)境的兩方面變化：1）合金元素的價(jià)電子數(shù)決定了局域磁環(huán)境的鐵磁或反鐵磁特性，進(jìn)而誘發(fā)2）近鄰鐵元素*磁矩的漲落。兩者之間的競(jìng)爭(zhēng)是影響其宏觀磁性的關(guān)鍵因素，合理利用該競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系模型，可以有效地調(diào)控Fe基非晶合金的磁性能，有望實(shí)現(xiàn)以計(jì)算模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)為手段的軟磁非晶合金成分設(shè)計(jì)，助力材料基因組工程在非晶合金領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于*性原理計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)理論分析，發(fā)現(xiàn)從V到Ni，隨著價(jià)電子數(shù)增加，原子在非晶體系中失電子能力逐漸減弱，得電子能力逐漸增強(qiáng)。對(duì)于V、Cr和Mn非磁性原子而言，由于它們與Fe 3d態(tài)強(qiáng)烈的軌道雜化作用，它們都表現(xiàn)出反鐵磁特性，*近鄰Fe原子磁矩比Fe82Si4B10P4中相應(yīng)Fe原子磁矩降低。對(duì)于Co和Ni磁性原子而言，局域原子磁矩降低，而*近鄰Fe原子磁矩會(huì)比Fe82Si4B10P4中相應(yīng)Fe原子磁矩升高，這些導(dǎo)致了過(guò)渡金屬原子加入降低Fe82Si4B10P4的BS。基于這一競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，理論上可以通過(guò)加入少量Co元素，提高Fe82Si4B10P4非晶合金的總磁矩和BS，與相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。該模型可以有效地理解Fe基軟磁非晶合金磁性能的電子結(jié)構(gòu)起源，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型鐵基非晶合金軟磁材料提供理論指導(dǎo)，有望為材料基因組工程在非晶合金材料領(lǐng)域的展開(kāi)提供理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果近日發(fā)表于Journal of Alloys and Compounds（J. Alloy. Compd. 153062, 2019），*作者為陳卉博士，通訊作者為周少雄教授、劉天琦研究員和管鵬飛研究員。這項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2017YFB0903903和2016YFB0300500、國(guó)家自然科學(xué)基金委-中物院聯(lián)合基金U1930402以及北京計(jì)算科學(xué)研究中心（CSRC）的支持。