Fe85Zr10B5三元非晶合金的非晶形成能力及磁熱性能

潘樂玲 王 強(qiáng) 唐本鎮(zhèn) 丁 鼎 夏 雷

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444; 2.重慶師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,重慶 401331;3.重慶師范大學(xué) 光電功能材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331)

1 試驗(yàn)材料及方法

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 Fe85Zr10B5合金的非晶形成能力

表1 Fe85Zr10B5非晶合金的特征溫度及非晶形成能力判據(jù)Table 1 Characteristic temperature values and the criterion of glass forming ability for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

圖1 Fe85Zr10B5合金條帶的XRD圖譜(a)、DSC曲線(b)和熔化曲線(c)Fig.1 XRD pattern(a), DSC curve(b) and melting curve(c) of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

2.2 Fe85Zr10B5非晶合金的磁性能

圖2為Fe85Zr10B5非晶合金在200和380 K時(shí)5 T外加磁場中的磁滯回線。由圖2可知:Fe85Zr10B5非晶合金在200 K時(shí)飽和磁化強(qiáng)度(Ms)為114.1 A·m2/kg,矯頑力幾乎為零,沒有明顯磁滯,表現(xiàn)出良好的軟磁性;而在380 K時(shí),合金則表現(xiàn)為順磁性,表明在200～380 K之間合金發(fā)生了鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變。在零磁場中從300 K降溫至100 K后,測量了Fe85Zr10B5非晶合金在0.03 T磁場中的M-T曲線,如圖2中插圖所示。對(duì)M-T曲線進(jìn)行求導(dǎo),在其導(dǎo)數(shù)的最小值處獲得Fe85Zr10B5非晶合金的鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變溫度(即Tc)為325 K。

圖2 Fe85Zr10B5非晶合金在200和380 K時(shí)的磁滯回線(插圖為M-T曲線)Fig.2 Hysteresis loops of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy at 200 and 380 K (the inset is M-T curve)

2.3 Fe85Zr10B5非晶合金的磁熱性能

圖3(a)為Fe85Zr10B5非晶合金在不同溫度下的M-H曲線,外加磁場為0～5 T。其中200～280 K和360～380 K之間的溫度間隔為20 K,290～300 K之間的溫度間隔為10 K,310～350 K之間的溫度間隔為5 K。由圖3(a)可知:在遠(yuǎn)低于Tc的溫度下,磁化強(qiáng)度隨著磁場的增強(qiáng)迅速上升并且在很小的磁場中就達(dá)到飽和,曲線的初始斜率較大,隨后逐漸趨于某一定值,也就是Ms;隨著溫度的升高,Ms逐漸減小,磁化曲線也趨于平緩,尤其在遠(yuǎn)高于Tc的溫度下,磁化強(qiáng)度與磁場幾乎呈線性關(guān)系。這說明Fe85Zr10B5非晶合金從鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴榱舜_定該合金的磁相變類型,根據(jù)其M-H曲線以H/M作為x軸、M2為y軸繪制Fe85Zr10B5非晶合金的Arrott曲線,如圖3(b)所示。根據(jù)Banerjee原理[15],如果Arrott曲線的斜率為負(fù)值,合金發(fā)生的是一級(jí)磁相變,否則是二級(jí)磁相變。從圖3(b)可以看出,Fe85Zr10B5非晶合金在不同溫度下的Arrott曲線斜率均表現(xiàn)為正值,并且?guī)缀跸嗷テ叫?說明該合金為典型的二級(jí)磁相變材料。

圖3 Fe85Zr10B5非晶合金的等溫磁化曲線(a)和Arrott曲線(b)Fig.3 Isothermal magnetization curves(a) and the Arrott curves(b) for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy

一般說來,鐵磁到順磁的轉(zhuǎn)變過程會(huì)伴隨著磁矩有序化而導(dǎo)致的磁熵降低,其中磁熵降低的大小通常用磁熵變(-ΔSm)來表示,用于表征材料的磁熱效應(yīng)。二級(jí)磁相變材料的-ΔSm可根據(jù)Maxwell公式求得,即:

ΔSm(T,H)=Sm(T,H)-Sm(T,0)

(1)

表2 Fe85Zr10B5非晶合金在不同磁場中的Table of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy in different magnetic fields J/(kg·K)

圖4 Fe85Zr10B5非晶合金的-ΔSm-T曲線(a)和n-T曲線(b)(插圖為325 K的ln(-ΔSm)-lnH擬合曲線)Fig.4 -ΔSm-T curves (a) and n-T curve (b) for the Fe85Zr10B5 amorphous alloy (the inset is the ln(-ΔSm)-lnH fitting curve at 325 K)

2.4 Fe85Zr10B5非晶合金的磁制冷能力

磁性材料的制冷能力不僅與材料的磁熵變峰值有關(guān),還取決于其有效溫區(qū)范圍,因此通常會(huì)引入相對(duì)制冷量(relative cooling power, RCP)來綜合評(píng)判材料磁制冷性能的好壞,其計(jì)算公式為:

(2)

表3 Fe85Zr10B5非晶合金在不同磁場中的ΔTFWHM和RCP值Table 3 ΔTFWHM and RCP of the Fe85Zr10B5 amorphous alloy in different magnetic fields

3 結(jié)論

(1)Fe85Zr10B5非晶合金的XRD圖譜上表現(xiàn)出典型的非晶漫散射駝峰,證明其為非晶態(tài)結(jié)構(gòu);通過熱性能分析發(fā)現(xiàn)Fe85Zr10B5非晶合金具有不高的Trg但相當(dāng)寬的ΔTx、比較大的γ參數(shù)和Zc,表明該合金具有較好的非晶形成能力。

(2)Fe85Zr10B5非晶合金在200 K時(shí)表現(xiàn)為良好的軟磁性,矯頑力幾乎為零,飽和磁化強(qiáng)度為114.1 A·m2/kg,在380 K時(shí)為順磁性;在200～380 K之間發(fā)生了鐵磁-順磁轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度即居里溫度為325 K。