鐵基軟磁非晶/納米晶合金研究進展及應用前景

       《鐵基軟磁非晶/納米晶合金研究進展及應用前景 》一文回顧了軟磁非晶合金的發現和發展歷程，介紹了相關基礎研究成果和工藝技術進步對鐵基軟磁非晶/納米晶合金研發和工業化應用的重要貢獻，指出了目前鐵基軟磁非晶合金研發與應用中面臨的挑戰和發展方向。上述工作的通信作者為清華大學材料學院的姚可夫教授。

一、Fe基軟磁非晶合金的問世

       1960年，Gubanov通過理論研究認為電子的能帶結構主要由原子短程序決定，即鐵磁性是由相鄰原子的交換耦合作用產生，由此預測Fe基非晶合金具有鐵磁性。這為鐵基非晶合金可能具有鐵磁性提供了理論基礎。

       1967年，Duwez等又用急冷方法制備出了Fe80P12.5C7.5非晶合金。通過磁學性能測試，證實了鐵基非晶合金具有宏觀磁性，盡管矯頑力稍大，但該鐵基非晶合金仍為典型的軟磁非晶合金材料。這個結果不僅從實驗上證實了Gubanov的理論分析結果，也吸引了很多研究人員投入到Fe基軟磁非晶合金材料的基礎研究與應用研究中。

二、鐵基軟磁非晶合金發展歷程

       合金熔體旋淬技術的出現為鐵基非晶合金的發展帶來了機遇，引發了Fe基非晶合金材料基礎研究與應用研究的第一個熱潮，并使Fe基軟磁非晶合金研究得到了快速發展。

       20世紀70年代，基于合金熔體旋淬技術，研究人員研發出了很多新型Fe基軟磁非晶合金材料，發現它們多具有較好的軟磁性能。另一重要發現是軟磁非晶合金制備過程中引入的內應力會顯著增大其矯頑力，通過消除制備過程中產生的成分結構不均勻性和內應力, 可以顯著降低軟磁非晶合金的矯頑力， 降低矯頑力可降低軟磁非晶合金的磁滯損耗。研究表明，鐵基軟磁非晶合金具有優異的軟磁性能源于其原子呈長程無序排列的結構特征，而成分、結構的均勻性及內應力等因素均對非晶合金軟磁性能有重要影響，這些研究成果為Fe基軟磁非晶合金的應用提供了理論依據。

       1979年聯信(Allied Signal)公司開發出可以生產較寬帶材的平面流鑄造技術， 并于1982年建成帶材連續生產企業，軟磁非晶合金進入了產業化和商品化時代。1984年，美國四個變壓器廠家在IEEE會議上展示了用非晶制造鐵芯的實用非晶配電變壓器，從而將鐵基軟磁非晶合金的應用研發推向高潮。

       1988年, Yoshizawa等在FeSiB合金中添加少量Cu和Nb，開發出了Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1非晶合金， 該合金被注冊為FINEMET, 而后又開發出了FINEMET系列非晶納米晶合金。FINEMET合金兼備了鐵基非晶合金的高磁感強度和鈷基非晶合金的高磁導率、低損耗，并且成本低廉。鐵基軟磁納米晶合金的發明是軟磁非晶合金材料的一個突破性進展，將鐵基非晶態合金研發又推向了一個新高潮—即開啟了軟磁非晶/納米晶合金研究與應用的第二個熱潮。

       在FINEMET軟磁納米晶合金問世后，日立金屬公司很快便實現了產業化。1992年，德國VAC公司開始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金，尤其在網絡接口設備上，大量采用納米晶磁芯制作接口變壓器和數字濾波器件。1998年, Suzuki等開發了高鐵含量的FeZrB非晶納米晶雙相合金體系，并注冊為NANOPERM合金。2006年，Ogawa等發明了一種商品名為HB1的鐵基非晶合金；2009年，Makino等開發出了Fe-Si-B-P-Cu體系，該鐵基軟磁非晶/納米晶合金體系被注冊為NANOMET；HB1和NANOMET的出現極大地鼓勵了研究人員，引起了鐵基軟磁非晶合金的第三次研究熱潮，即導致了高Bs鐵基軟磁非晶/納米晶合金的研究熱潮。

       目前，已在工程中大量應用的非晶合金仍然是用于制造變電變壓器鐵芯的FeSiB鐵基軟磁非晶合金，在我國的牌號是1K101, 對應的國外牌號是METGLAS 2605SA1合金。

       我國鐵基軟磁非晶合金研發與應用研究始于1976年，走了一條獨立自主的道路。2016年，中國非晶帶材產能約14萬噸，實際產量約11.3萬噸，首次超過10萬噸，安泰、云路等企業實際產量均達到或接近3萬噸。我國已成為國際鐵基軟磁非晶/納米晶合金帶材生產和相關產品制造大國。

       目前， 我國正在針對市場需求，開發專用軟磁非晶/納米晶合金材料，進一步拓展應用領域。同時，還瞄準高頻高效節能電機等高端產品，開發高性能軟磁非晶/納米晶合金材料和相關產品加工制造核心技術，滿足市場和高技術領域發展的需求。

三、鐵磁非晶/納米晶合金面臨的挑戰和研發方向

       雖然鐵基軟磁非晶/納米晶合金具有矯頑力低、有效磁導率高、鐵損低等優點，與傳統軟磁材料相比，在眾多應用中具有明顯的優勢，但仍存在很多挑戰。

       目前鐵基軟磁非晶/納米晶合金研發和應用面臨的主要挑戰及研發方向有以下幾個方面：

（1）非晶合金的脆性問題

       鐵基軟磁非晶合金、特別是納米晶合金存在延性低、脆性大的問題，需要深入研究影響其延性的因素，探索提升延性的方法，保證使用安全。

（2）飽和磁感強度Bs仍偏低，綜合磁學性能仍有待進一步提升

       需要進一步研究新工藝或工藝性更好的合金，使合金具有高飽和磁感強度、低的矯頑力和高的磁導率，即獲得具有優異綜合軟磁性能的鐵基軟磁非晶合金或非晶/納米晶合金。

（3）缺乏高效的非晶合金加工技術

       非晶合金/納米晶合金因硬度高、較脆, 加工較困難，加工效率不高。需要深入研究影響軟磁非晶/納米晶合金加工性能的因素, 探索提高加工效率和保證加工質量的技術方法。

（4）開發滿足不同需求的軟磁非晶/納米晶合金體系

       不同工業產品對軟磁非晶合金磁學性能的要求存在很大差異，需要針對不同應用領域、不同產品，開發滿足不同產品需要的多種軟磁非晶/納米晶合金體系。

來源：物理學報 第67卷 第1期  2018年1月 姚可夫、施凌翔、陳雙琴、邵洋、陳娜、賈薊麗《鐵基軟磁非晶/納米晶合金研究進展及應用前景》