Al,P微合金化对FeSiBNbCu系纳米晶材料结构及磁学性能影响的研究

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FeSiBNbCu系纳米晶软磁合金具有高磁导率(μ),低矫顽力(Hc),低损耗等优异的软磁性能,已广泛应用于新能源汽车、变压器、高精密互感器和无线充电等领域。近年来,无线充电市场爆发,促使无线充电设备朝着小型化、高效化、高功率发展。这对无线充电导磁片用的纳米晶软磁材料提出更高要求。目前商用的无线充电导磁片主要是Finemet合金,但其饱和磁感应强度(Bs)只有1.24 T,不能满足小型化和高功率的发展要求。因此,在保证FeSiBNbCu系纳米晶软磁合金软磁性能的基础上,尽量提高其Bs成为研究的热点和难点。本文通过在FeSiBNbCu体系的基础上添加少量Al和P元素,结合热处理工艺,得到综合磁性能和工艺性良好的FeSiBNbCu Al和FeSiBNbCu P系纳米晶软磁合金。利用振动样品磁强计(VSM)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、磁光克尔显微镜以及穆斯堡尔谱等测试手段,研究了合金成分、热处理工艺、微观结构、磁畴形貌、电磁参数与磁学性能的关联性,揭示了磁学性能的变化机制,为开发适用于无线充电系统的纳米晶软磁材料提供参考。取得的主要成果如下:1.在本课题组开发的Fe76Si13B8Cu1Nb2纳米晶合金的基础上,通过微量Al替代部分Nb,开发了Fe76Si13B8Cu1Nb1.5Al0.5合金。微量Al添加对合金的热稳定性影响不大,但软磁性能略有下降。通过提高Fe含量并用1 at%Al替换B,开发的Fe77Si12B7Nb2Cu1Al1合金在1 k Hz的μ为23900,Hc为1.24 A/m,Bs提高至1.4 T,且热处理区间提高至193K。2.研究了Fe77Si10B9Cu1Nb3-xAlx(x=0和1)合金在一步法热处理和两步法热处理过程中的软磁性能,并用XRD、TEM和穆斯堡尔谱对其结构和电磁参数进行了定量研究。1 at%Al代替Nb在一步法热处理时,Bs和μ均提高,分别从Bs=1.41 T提高到1.47T,从μ=18000提高到23000。而两步法热处理对纳米晶合金的Bs、Hc和晶粒尺寸影响不大,但大大提高了Al掺杂合金的μ,且在1 k Hz时达到28000。磁导率的提高可归因于磁矩和交换刚度常数的增加、化学结构的均匀性和磁致伸缩系数的降低。该Al掺杂纳米晶合金具有高Bs、高μ、低Hc和良好的高频稳定性,使其在无线充电领域具有潜在的应用前景。3.通过进一步提高Fe含量并降低Cu含量获得Fe77.8Si10B9Cu0.6Nb2.6纳米晶合金。其μ在1 k Hz和100 k Hz分别达28000和15000,Bs为1.46 T,Hc为2.5 A/m。1 at%P代替B后,1 k Hz和100 k Hz的μ分别为27200和14400,Bs=1.44 T。Hc有所降低,且在一定温度区间保持在2 A/m左右。Hc降低的主要原因是析出更加细小的纳米晶颗粒。从晶化动力学角度表现为P元素的添加导致晶化激活能增加。此外,从磁畴结构中可以看出加P合金的钉扎点数量更少,磁各向异性减小,因而Hc降低。同时,添加P的纳米晶合金的非晶形成能力更高,高温稳定性更好,更适用于工业化生产。
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