空氣中溫度退火FeCo 基薄帶的巨磁阻抗效應(yīng)＊

何 佳，方允樟，范曉珍，李文忠，嚴(yán)維燕，何興偉，蔡 晶

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

0 引言

2004 年，Inoue 研究小組報道了(Fe，Co)-B-Si-Nb 軟磁大塊非晶合金系具有十分良好的磁學(xué)性能和力學(xué)性能［1－3］.該組分可以通過銅模吸鑄法制備出直徑最大達5 mm 的非晶棒，軟磁性能優(yōu)異，飽和磁感應(yīng)強度為0.84～1.13 T，矯頑力為1.5～2.7 A/m.與以往單純鐵基的非晶合金相比，其機械性能也相當(dāng)優(yōu)異，抗拉強度可達4 210 MPa，楊氏模量超過200 GPa，這些特性保證了其在實際應(yīng)用中的可行性.非晶合金的軟磁性能一直是研究的熱點，基于巨磁阻抗的研究也相繼展開，得到了大量的理論與實驗成果.在實驗中，一般通過對非晶軟磁合金進行不同退火處理來改善材料的技術(shù)磁性.本文通過溫度退火來改善材料的磁性能，并在退火過后的樣品中采用縱向驅(qū)動模式［4］測得具有雙峰結(jié)構(gòu)的GMI 曲線.GMI 曲線體現(xiàn)了驅(qū)動場、外磁場與樣品自身磁結(jié)構(gòu)三者之間的關(guān)系.在現(xiàn)有相關(guān)文獻中，具有橫向結(jié)構(gòu)的軟磁材料采取橫向驅(qū)動的方式會得到雙峰的GMI 曲線［5-8］，但在縱向驅(qū)動模式下出現(xiàn)雙峰GMI 曲線的報道還未見到.

本工作在空氣中對FeCo 基薄帶進行溫度退火，研究了退火溫度對于樣品GMI 效應(yīng)的影響.以往的溫度退火都在真空或者惰性氣體保護的環(huán)境下進行［9-10］，這樣對儀器本身的要求較高，并且對于氣體的消耗量也巨大，在成本與資源上造成浪費.本文在空氣中退火能夠改善薄帶的性能，操作簡單，對儀器要求不高，不通氣體保護也節(jié)約了成本，在實際應(yīng)用中具有優(yōu)勢，具有環(huán)境友好與資源節(jié)約的競爭力.

1 實 驗

采用單輥快淬技術(shù)制備寬0.65 mm，厚21 μm，寬度與厚度均勻一致的Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2非晶薄帶，采用Y-2000型全自動X 射線衍射儀(CuKα，λ=0.154 nm)對樣品進行物相分析，經(jīng)分析為非晶態(tài).截取長為15 cm 的鑄態(tài)樣品放入退火爐中，并保證每次實驗樣品處于爐中同一位置.退火爐升溫速率為5 ℃/min，升溫到指定溫度保溫1 h，然后隨爐冷卻至室溫.退火溫度范圍為280～630 ℃.在不同溫度退火樣品相同位置處截取長為2 cm 的小段，置入自制的驅(qū)動線圈(直徑d=0.8 mm，采用直徑為0.08 的漆包線繞制120 匝)內(nèi)組成1 個等效阻抗元件，再接入HP4294A型阻抗分析儀測量樣品的磁阻抗，交變電流振幅為10 mA，交變電流通過驅(qū)動線圈使其產(chǎn)生相對樣品為縱向的驅(qū)動磁場.外加磁場由亥姆霍茲線圈提供，磁場方向平行于樣品軸向.為減小地磁影響，直流外磁場與地磁場方向垂直.圖1 為縱向驅(qū)動巨磁阻抗測量示意圖.定義巨磁阻抗比為

圖1 縱向驅(qū)動巨磁阻抗測量示意圖

式(1)中:Z(Hex)，Z(Hmax)分別是任意外磁場和最大磁場時所對應(yīng)的阻抗值.

2 結(jié)果與討論

圖2 是選在750 kHz 頻率下的鑄態(tài)及不同溫度退火的巨磁阻抗曲線.圖2(a)是鑄態(tài)及100～280 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄帶的GMI 曲線.從圖2(a)可以看出，280 ℃以下退火得到與鑄態(tài)形狀相似的GMI 曲線，即零場附近尖銳兩邊向中間收縮的曲線，并且阻抗比變化不大.圖2(b)是鑄態(tài)及290～530 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄帶的GMI 曲線.由圖2(b)可見，鑄態(tài)曲線呈現(xiàn)單峰形式，退火之后，從290 ℃起曲線開始呈現(xiàn)雙峰;290～350 ℃時，GMI 曲線的最大巨磁阻抗比要小于鑄態(tài)樣品的最大巨磁阻抗比;400～530 ℃時，GMI 曲線的最大巨磁阻抗比要高于鑄態(tài)，最大巨磁阻抗比隨退火溫度單調(diào)上升，并在530 ℃時達到最大值692.72%，且在400 ℃退火時出現(xiàn)了良好的線性，區(qū)間為69.76～697.65 A/m，關(guān)于零點對稱.圖2(c)是530～550 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄帶的GMI 曲線.由圖2(c)可以看出，在此溫度區(qū)間，GMI 曲線由雙峰向單峰過渡，530 ℃和535 ℃時都呈現(xiàn)雙峰的形狀，540 ℃時兩峰之間下凹處已經(jīng)不明顯，545 ℃時雙峰已經(jīng)消失，并且在零場附近不敏銳，有一個小“平臺”，550 ℃時已經(jīng)形成了一種雙峰與單峰疊加的組合峰形狀，即中間的峰很尖銳，而肩膀處向兩邊突出.圖2(d)是550～630 ℃退火1 h 的FeCo 基合金薄帶的GMI 曲線.由圖2(d)可以看出，550～600 ℃時，GMI 曲線均呈現(xiàn)出一種單峰與雙峰疊加的組合峰的形狀.最大巨磁阻抗比也隨退火溫度的升高而增加，隨后在600～630 ℃時隨之下降，并且GMI 曲線呈現(xiàn)單峰形式，在600 ℃時達到最大值711.31%，并且在610 ℃時又出現(xiàn)了良好的線性，線性區(qū)間為0～697.65 A/m.

圖2 在750 kHz 時不同溫度退火下的巨磁阻抗曲線

圖3 是750 kHz 時最大巨磁阻抗比隨溫度的變化曲線.由圖3 可以看出，最大巨磁阻抗比隨溫度的變化是先增大再減小的趨勢，在530 ℃達到一個最大值692.72%.圖4 是雙峰巨磁阻抗曲線的雙峰間距隨溫度的變化關(guān)系，雙峰間距是指兩峰最大值之間的距離.從290 ℃開始，雙峰的間距開始增加，直到460 ℃達到最大值498.1 A/m;之后，兩峰之間的距離開始減小，直到530 ℃時，雙峰間距減小到278.06 A/m.

一般具有正磁致伸縮系數(shù)的非晶帶，易磁化方向為軸向［11］.290 ℃以下退火，發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗曲線的形狀相對于非晶狀態(tài)沒有太大變化，說明此時溫度還沒有對內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的作用.290～350 ℃時，GMI 曲線的最大巨磁阻抗比要小于鑄態(tài)樣品的最大巨磁阻抗比，并且相對于非晶的GMI 曲線變成了雙峰形狀，這是因為FeCo 基合金當(dāng)中Fe 的含量與Co 的含量相同，隨著退火溫度的慢慢升高，Co 基的非晶相與Fe 基的非晶相開始分離、偏析，Co 基非晶相的雙峰與比較弱的Fe 基非晶相的單峰疊加，表現(xiàn)為雙峰.400～530 ℃時，GMI 曲線的最大巨磁阻抗比高于鑄態(tài)，此時雙峰展寬，這是由于在這個溫度范圍內(nèi)，具有橫向易磁化結(jié)構(gòu)的Co［12］基非晶相的偏析更加突出，而400 ℃出現(xiàn)良好的線性是因為Fe 基非晶相與Co 基非晶相達到了最好的比例.由圖4 可看出，雙峰間距在450 ℃處達到一個最大值，結(jié)合FeCoNbSiB的DSC 曲線(見圖5)可以看出，在450 ℃處有一下凹，說明此處有相變，也就是前面提到的Co 基非晶相的偏析.由圖3 看出，巨磁阻抗比在530 ℃時達到了最大值，此時，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，并有納米晶相的析出，使得軟磁性能達到最佳.

圖3 750 kHz 時最大巨磁阻抗比隨溫度變化曲線

圖4 雙峰間距隨溫度的變化曲線

圖6 為不同溫度退火的X 射線衍射譜.由圖6 可以看出:在540 ℃退火1 h 后開始在α-FeCo 最強峰(110)對應(yīng)位置上出現(xiàn)晶化峰，但是晶化峰強度很小;從580 ℃開始，晶化峰開始變強，峰寬變窄，在550～600 ℃時，GMI 曲線呈現(xiàn)出一種單峰與雙峰疊加的組合峰形狀，這是α-FeCo 納米晶相的單峰與Co基非晶相的雙峰相疊加呈現(xiàn)出來的組合峰.由圖2(d)可以看出，高于600 ℃時，GMI 曲線的形狀完全過渡成單峰，并且有比較好的線性，這可能是由于表面氧化與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互耦合作用而出現(xiàn)良好的線性.

圖5 FeCoNbSiB 的DSC 曲線

圖6 不同溫度退火的FeCo 基X 射線衍射譜線

3 結(jié)論

1)鑄態(tài)的FeCoNbSiB 合金薄帶的GMI 曲線呈現(xiàn)單峰形態(tài)，在溫度退火后，290 ℃以下呈現(xiàn)單峰，從290～530 ℃時開始變成雙峰，在550～600 ℃時GMI 曲線呈現(xiàn)出雙峰與單峰疊加的組合峰，在610～630 ℃又回歸為單峰.

2)這種雙峰的GMI 曲線可能是由于隨著溫度的升高，F(xiàn)eCo 基合金開始偏析出Co 基的非晶相，Co基的非晶相對雙峰曲線作出了貢獻，之后又回歸單峰，是由于溫度升高長出了α-FeCo 晶粒.

3)610 ℃出現(xiàn)具有實際應(yīng)用價值的良好線性，這可能是由于薄帶表面氧化與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互耦合的作用.

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