Giới thiệu

Hợp kim từ mềm vô định hình và tinh thể nano, là một thế hệ vật liệu tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường mới, có ưu điểm là Hc cưỡng chế thấp, μ thấm cao, đặc tính tần số tốt và từ hóa bão hòa cao Ms, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử công suất như cuộn cảm, bộ khuếch đại từ tính và máy biến áp. Một thành phần điển hình Fe-Si-B-Cu-Nb (được đặt tên là Finemet) đã được đề xuất bởi Yoshizawa, người đã chỉ ra rằng các hạt nano có kích thước khoảng 10 nm được nhúng đồng đều trong ma trận vô định hình để tạo thành cấu trúc hỗn hợp hai pha. Theo lý thuyết sắt từ, cơ chế từ hóa của vật liệu tinh thể nano chủ yếu phụ thuộc vào dị hướng từ tinh thể cục bộ và tương tác trao đổi sắt từ, có liên quan chặt chẽ với cấu trúc vi mô. Suzuki cho rằng các tinh thể nano được kết tủa ngẫu nhiên từ ma trận vô định hình sau khi xử lý nhiệt, dẫn đến dị hướng từ định hướng ngẫu nhiên. Trong khi đó, sự trao đổi khớp nối giữa các hạt tinh thể khác nhau làm cho mômen từ được sắp xếp song song, ngăn chặn sự từ hóa tiến hành dọc theo hướng từ hóa dễ dàng của mỗi hạt tinh thể. Dị hướng từ tinh thể K1 được tính trung bình bởi nhiều hạt tinh thể, dẫn đến dị hướng hiệu dụng thấp <K>. Theo mô hình này, nếu quá trình từ hóa được coi là quá trình quay đồng đều của spin thì tính thấm và cưỡng chế của vật liệu chỉ liên quan đến <K>. Do đó, khi kích thước hạt D nhỏ hơn chiều dài trao đổi sắt từ Lex, việc tinh chế hạt có lợi cho việc đạt được các tính chất từ mềm tuyệt vời.

Sáng tạo, tinh chế hạt có liên quan chặt chẽ đến quá trình kết tinh cho các hợp kim vô định hình dựa trên sắt, chủ yếu phụ thuộc vào thành phần và xử lý nhiệt . Như chúng ta đã biết, nguyên tố Cu liên quan đến sự tạo mầm của hạt và nguyên tố Nb tương ứng với sự phát triển của hạt đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các hợp kim tinh thể nano Finemet. Trước đây, Hono et al. đã báo cáo rằng phép cộng Cu gây ra sự dao động nồng độ của các nguyên tử Fe trong ma trận vô định hình thúc đẩy sự hình thành mật độ số cao của hạt nhân α-Fe, trong khi các nguyên tử Nb làm tăng nhiệt độ kết tinh của khu vực xung quanh hạt nhân tinh thể α-Fe và cản trở sự thô của các hạt tinh thể, dẫn đến sự hình thành cấu trúc tinh thể nano mịn. Ngoài ra, do sự hình thành các cụm Cu xảy ra trước khi kết tinh và cung cấp một giao diện mới trong ma trận vô định hình, một sự phù hợp thích hợp giữa mặt phẳng (111) của cụm Cu và mặt phẳng (110) của mạng Fe làm giảm năng lượng giao thoa và làm giảm năng lượng kích hoạt tạo mầm cần thiết cho sự kết tủa của pha α-Fe . Theo đó, chúng ta thường xem xét rằng các cụm giàu Cu mật độ số cao là một trong những chỉ số quan trọng để đạt được sự phân bố dày đặc hơn, mịn hơn và đồng đều hơn của các hạt α-Fe. Tuy nhiên, hàm lượng Cu không từ tính cao chắc chắn dẫn đến giảm tổng thể Ms. Xem xét rằng các nguyên tử Cu và Fe bị đóng băng trong cấu trúc vô định hình bằng cách dập tắt nhanh, kích thước, mật độ và sự phân bố của các cụm Cu bị ảnh hưởng trực tiếp bởi quá trình ủ. Để tránh giới hạn hàm lượng Cu cao, quá trình ủ cần được tối ưu hóa và khám phá hơn nữa để đạt được cấu trúc vi mô đồng đều mịn.

Trên thực tế, sự tiến hóa cấu trúc vi mô của hợp kim tinh thể nano Finemet không chỉ liên quan đến hàm lượng Cu sử dụng sự phân tách quy mô vi mô để thúc đẩy sự kết tủa của hạt nhân α-Fe , mà còn phụ thuộc vào quá trình ủ để loại bỏ ứng suất bên trong còn sót lại do quá trình hóa rắn nhanh chóng tạo ra. Do độ hòa tan thấp của Cu trong ma trận Fe, các nguyên tử Cu kết tụ để tạo thành các cụm có kích thước khoảng 5 nm trước khi kết tinh, tạo điều kiện cho sự hình thành các tinh thể nano. Sharma et. AL báo cáo rằng quá trình ủ hai bước điều chỉnh cấu trúc vi mô liên quan đến tốc độ tạo mầm và tốc độ tăng trưởng, đạt được sự kiểm soát các tính chất từ tính. Xem xét rằng sự kết tụ của các nguyên tử giàu Cu và kết tủa pha α-Fe (Si) rất nhạy cảm với nhiệt độ ủ, kiểm soát chính xác các thông số trong quá trình ủ bước là một phương pháp hiệu quả để đạt được cấu trúc nano tốt. Tuy nhiên, bằng cách điều chỉnh kích thước, phần thể tích và sự phân bố của các hạt nano trong toàn bộ quá trình ủ, cơ chế ảnh hưởng của xử lý nhiệt kết tinh bước trên sự tiến hóa của cụm Cu và tính chất từ mềm của nó vẫn chưa rõ ràng. Trong bài báo này, nhằm làm rõ mối quan hệ giữa sự tiến hóa cấu trúc vi mô và tính chất từ tính, chúng tôi đã nghiên cứu một cách có hệ thống cơ chế kết tinh, tính chất từ mềm và đặc tính tần số của hợp kim vô định hình Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 giàu Si gây ra bởi nhiệt độ ủ.

1. Chi tiết thí nghiệm

Thỏi hợp kim có thành phần hóa học danh nghĩa Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 (Finemet điển hình) được điều chế bằng cách nấu chảy cảm ứng hỗn hợp nguyên liệu công nghiệp 99,9% trọng lượng% Fe, 99,98 wt.% Si, 99,8% trọng lượng% Cu, hợp kim trước 65,9% Nb-Fe và Fe-17,6 wt.% B hợp kim trước trong khí quyển Ar. Ruy băng quay tan chảy với chiều rộng khoảng 10 mm và độ dày khoảng 23 μm được chế tạo bằng phương pháp kéo sợi nóng chảy một con lăn trong không khí. Sau đó, các mẫu ruy băng được quấn vào lõi từ hình xuyến (kích thước Փ20mm × 12mm × 8mm) bằng máy cuộn dây điện đơn giản. Các lõi từ được ủ được thực hiện theo quy trình hai bước trong lò ống chân không. Thứ nhất, các lõi từ được làm nóng đến 480 ° C trong 15 phút với tốc độ gia nhiệt 10 ° C / phút trong môi trường nitơ chảy để đảm bảo rằng nhiệt độ lõi phù hợp với nhiệt độ lò do truyền nhiệt bức xạ. Sau đó, các mẫu tiếp tục được nung nóng đến nhiệt độ ủ cụ thể (Ta ~ 520 °C -570 °C) trong 60 phút với tốc độ gia nhiệt 1 °C / phút. Tốc độ gia nhiệt thấp thúc đẩy tính nhất quán của nhiệt độ bên trong và bên ngoài của lõi từ, đạt được cấu trúc vi mô đồng đều hơn. Cuối cùng, lõi được làm lạnh tự nhiên đến nhiệt độ phòng.

Sự phát triển cấu trúc vi mô của ruy băng được dập tắt và ủ được đặc trưng bởi nhiễu xạ tia X (XRD, Bruker D8 Advance) với bức xạ Co Kα1, kính hiển vi điện tử truyền độ phân giải cao (HRTEM), quang phổ phân tán năng lượng (EDS) và hình ảnh HAADF-STEM (TEM, FEI Talos F200X). Các mẫu được sử dụng cho các quan sát TEM và HAADF-STEM được chuẩn bị bằng phương pháp xay xát ion (Gatan 695). Độ ổn định nhiệt của ruy băng được đánh giá bằng nhiệt lượng quét vi sai (DSC, NETZSCH 449 F3) ở tốc độ gia nhiệt 10 ° C / phút. Các cấu trúc miền từ được quan sát bằng kính hiển vi hiệu ứng Kerr quang từ (MOKE, Evico), sử dụng chế độ trans &; pol với hướng nhạy có thể điều chỉnh dọc theo bề mặt trần không khí của trục ruy băng. Từ hóa bão hòa Ms và độ cưỡng chế Hc được đo bằng từ kế mẫu rung (VSM, PPMS-9) dưới trường ứng dụng tối đa 3000 Oe (≈240 kA / m) và bộ đánh dấu vòng lặp DC B-H (Linkjoin MATS-2010SA) trong trường ứng dụng tương ứng là 80 A / m. Độ tự cảm (L) và trở kháng của lõi từ được đo bằng máy phân tích trở kháng (Agilent 4294A) với từ trường AC là 0,6 A / m dưới cuộn dây một vòng.

2. Kết quả và thảo luận

Sung. 1 (a) cho thấy mô hình XRD của dải băng quay tan chảy Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 giàu Si được lấy từ bề mặt tự do. Mô hình XRD của dải băng quay tan chảy chỉ thể hiện một đỉnh nhiễu xạ khuếch tán rộng ở 2θ≈45 ° mà không có bất kỳ đỉnh kết tinh rõ ràng nào, cho thấy sự hình thành cấu trúc hoàn toàn vô định hình. Để phân tích cấu trúc sâu hơn, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã được thực hiện. Có thể quan sát rõ ràng rằng không có độ tương phản pha rõ ràng trong Hình. 1 (b) và mẫu nhiễu xạ electron vùng chọn (SAED) tương ứng cho thấy các vòng khuếch tán không có bất kỳ điểm nào (Hình 1 (c)), chỉ ra các đặc tính nhiễu xạ cổ điển của trạng thái vô định hình với cấu trúc rối loạn tầm xa, phù hợp với kết quả XRD. Như thể hiện trong Hình. 1 (d), đường cong DSC của dải băng vô định hình Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 nóng chảy ở tốc độ gia nhiệt 10 ° C / phút được tiến hành. Hai đỉnh tỏa nhiệt riêng biệt được tìm thấy trong đường cong, chỉ ra rằng hành vi kết tinh của hợp kim vô định hình là một quá trình chuyển tiếp từ pha vô định hình siêu bền năng lượng cao sang pha kết tinh trạng thái ổn định năng lượng thấp. Theo các báo cáo trước đây, nhiệt độ khởi phát của hai đỉnh đại diện cho sự kết tủa của pha α-Fe (Si) và sự kết tinh của pha vô định hình còn lại liên quan đến các hợp chất thứ cấp Fe-(B, P), tương ứng. Điều đáng chú ý là mẫu giàu Si cho thấy chênh lệch nhiệt độ lớn ∆T (= Tx2-Tx1) trên 170 ° C, cho thấy khả năng nhiệt tốt, có nghĩa là có một không gian kết tinh lớn hơn để tối ưu hóa cấu trúc vi mô kết tinh và ổn định pha vô định hình còn lại để đạt được pha α-Fe đơn, đồng đều và mịn mà không có bất kỳ hợp chất nào.

Sung. 1. (a) mẫu nhiễu xạ tia X, (b) hình ảnh trường sáng TEM điển hình, (c) mẫu nhiễu xạ điện tử khu vực được chọn tương ứng (SAED) và (d) đường cong DSC cho ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 nóng chảy.

Sau đó, sự tiến hóa cấu trúc vi mô của mẫu sau một loạt ủ ở 520 đến 570 ° C được nghiên cứu một cách có hệ thống. Các mẫu XRD của ruy băng ủ theo quy trình hai bước được hiển thị trong Hình. 2(a). Khi ủ ở nhiệt độ thấp hơn (~ 520 ° C gần Tx1), một số đỉnh sắc nét cường độ thấp được phát hiện, cho thấy mẫu bắt đầu kết tinh và một lượng nhỏ pha α-Fe (Si) kết tủa từ ma trận vô định hình. Rõ ràng, cường độ của các đỉnh, đặc biệt là ở 2θ≈45 °, 65 ° và 82 °, tăng dần khi nhiệt độ ủ Ta tăng, dẫn đến phần thể tích cao của pha tinh thể. Cần lưu ý rằng chỉ có một pha α-Fe (Si) duy nhất tồn tại trong ma trận vô định hình trong quá trình ủ, tạo thành cấu trúc pha kép với sự cùng tồn tại của pha ma trận vô định hình và pha tinh thể nano. Kết quả là, cấu trúc vi mô của ruy băng ủ chỉ bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt và phần thể tích của pha α-Fe (Si), phụ thuộc trực tiếp vào quá trình tạo mầm, kết tủa và tăng trưởng. Theo đó, các hình ảnh TEM trường sáng, các mẫu SAED tương ứng và sự phân bố kích thước hạt trung bình cho dải ruy băng ủ điển hình đã được quan sát thêm. Rõ ràng, vùng vô định hình sau khi ủ ở nhiệt độ điển hình này gần như vô hình, có nghĩa là sự kết tủa hoàn toàn của các hạt α-Fe (Si). Như thể hiện trong Hình. 2 (b) - (c), khi mẫu được ủ ở 560 ° C, một phần thể tích cao hơn và các hạt nano mịn hơn được phân bố đồng đều trong ma trận vô định hình, có thể được xác định là pha α-Fe (Si) tương ứng với các mặt phẳng (110), (200), (211) và (220) trong các mẫu (Hình 2 (b1)), tương tự như ruy băng được ủ ở 570 ° C (Hình 2 (d) - (e)). Sự khác biệt là Ta cao hơn gây ra sự phát triển quá mức của các hạt α-Fe (Si) và gây ra kích thước hạt trung bình lớn hơn khoảng 14,2 nm (Hình 2 (d2)), dẫn đến sự thô của các cấu trúc nano. Đặc biệt, so với ruy băng ủ ở Ta cao hơn, mẫu được ủ ở 560 ° C thể hiện cấu trúc vi mô đồng đều hơn với sự phân bố hạt hẹp hơn nhiều từ 7 đến 17 nm (Hình 2 (b2)), do đó đạt được sự tinh chỉnh và đồng nhất của cấu trúc nano.

Sung. 2. Sự phát triển cấu trúc vi mô của ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 được ủ ở các nhiệt độ khác nhau bằng quy trình ủ hai bước. (a) Mẫu XRD, (b)-(c) Hình ảnh TEM trường sáng: (b1) các mẫu SAED tương ứng và (b2) phân bố kích thước hạt ủ ở 560 °C, (d)-(e) Hình ảnh TEM trường sáng: (d1) các mẫu SAED tương ứng và (d2) phân bố kích thước hạt được ủ ở 570 °C.

Sung. 3 cho thấy hình ảnh TEM quét trường tối hình khuyên góc cao (HADDF-STEM) và hình ảnh ánh xạ phần tử của dải hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 giàu Si được ủ ở 560 ° C và 570 ° C. Hàm lượng thấp của nguyên tố nhẹ B khó được phát hiện bởi HADDF-STEM. Sự phân bố của các yếu tố liên quan trong mẫu ủ ở 560 ° C dường như tương tự như của mẫu được ủ ở 570 ° C. Do độ hòa tan thấp của Cu trong tế bào đơn vị Fe, các cụm giàu Cu được hình thành bởi một số lượng lớn các nguyên tử Cu kết tủa từ ma trận vô định hình và tách biệt trong các khu vực giàu Fe. Các mẫu ủ cho thấy sự phân bố đồng đều tương ứng với phần tử Si và phần tử Nb (Hình 3d1-e1 và d2-e2) và tính không đồng nhất cục bộ liên quan đến vùng làm giàu Fe và vùng thiếu. Như có thể thấy từ Hình. 3 (c), có sự khác biệt nồng độ đáng kể trong các vòng tròn cho thấy các khu vực giàu Fe, tương ứng với vị trí của các hạt tinh thể nano được xác định từ hình ảnh HADDF-STEM (Hình 3a1 và a2). Thật thú vị, các vùng thiếu Fe dường như bị chiếm giữ bởi các cụm Cu, trong khi phần tử Fe bao quanh các cụm Cu để tạo thành các vùng làm giàu của Fe, điều này cho thấy các cụm Cu vẫn ở giao diện α-Fe (Si) / vô định hình và tiếp xúc trực tiếp với các hạt α-Fe (Si). Hiện tượng này phù hợp với lý thuyết điển hình về kết tinh nano cho hợp kim Finemet được báo cáo bởi Hono et. al [18], người đã chỉ ra rằng sự làm giàu Cu gây ra sự dao động về nồng độ của các nguyên tử Fe giữa các cụm giàu Cu, dẫn đến sự không đồng nhất cục bộ của các nguyên tố Fe có tỷ lệ phần trăm cao. Trên thực tế, sự dao động này tạo ra nhiều vị trí tạo mầm hơn cho sự kết tủa của pha α-Fe (Si), góp phần tạo ra cấu trúc nano pha kép đồng đều hơn với sự cùng tồn tại của pha tinh thể nano và ma trận vô định hình.

Ngoài ra, chúng ta biết rằng sự hình thành cấu trúc tinh thể nano có thể được gán cho các cụm Cu trong ma trận vô định hình. Để hiểu toàn diện về hình thái của các cụm Cu trong ma trận vô định hình, các hình ảnh TEM trường sáng, mẫu SAED, hình ảnh TEM độ phân giải cao và các cấu hình tia X phân tán năng lượng tương ứng của hợp kim ủ ở 560 ° C đã được phát hiện và hiển thị trong Hình. 4. Cấu trúc vi mô của mẫu ủ chỉ bao gồm pha α-Fe(Si), pha ma trận vô định hình còn lại và cụm Cu. Như chúng ta có thể thấy, các cụm Cu dường như được bao quanh bởi các hạt α-Fe (Si) trong Hình. 4(a) và (b). Ngoài ra, các cụm có kích thước hạt khoảng 10nm (Hình 4c) và cấu trúc FCC (Hình 4d) được nhúng trên ma trận vô định hình, tương tự như sự tạo mầm của hạt α-Fe (Si) xảy ra trên các cụm Cu. Dữ liệu phân tích EDX được hiển thị trong Hình 4 (e) - (g) thu được từ cụm FCC Cu, ma trận vô định hình còn lại và pha BCC α-Fe (Si), tương ứng, chứng minh rằng các cụm Cu cung cấp các vị trí tạo mầm trong ma trận vô định hình để kết tủa và phát triển của các hạt α-Fe (Si). Theo lý thuyết tạo mầm không đồng nhất [30], một sự phù hợp thích hợp giữa mặt phẳng (111) của cụm FCC-Cu và mặt phẳng (110) của mạng BCC-Fe làm giảm năng lượng giao thoa và tổng năng lượng tự do cho sự kết tủa của các hạt α-Fe (Si). Đồng thời, do entanpy trộn dương lớn giữa các nguyên tố Cu và Fe, các nguyên tử Fe bị loại bỏ khỏi các vùng giàu Cu và tích tụ ở giao diện Cu / vô định hình, thúc đẩy quá trình tạo mầm của các hạt α-Fe (Si) trên các vùng giàu Cu hoặc tại giao diện của cụm Cu / vô định hình, do đó gây ra quá trình tạo mầm không đồng nhất. Kết hợp với Hình. 3, chúng ta có thể suy luận rằng các cụm Cu đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành các hạt tinh thể nano, không chỉ gây ra sự dao động nồng độ nguyên tố Fe giữa các cụm Cu, mà còn đóng vai trò là vị trí tạo mầm cho các hạt α-Fe (Si) để tạo điều kiện cho quá trình tạo mầm không đồng nhất. Do đó, kết quả chỉ ra rằng cơ chế kết tinh nano của các hợp kim vô định hình Finemet có thể được gán cho tác động lẫn nhau của dao động nồng độ nguyên tố và tạo mầm không đồng nhất.

Sung. 3. Hình ảnh ánh xạ phần tử HAADF-STEM (a1, a2) và Cu, Fe, Si, Nb (b1-e1, b2-e2) của ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 giàu Si được ủ ở nhiệt độ điển hình: (a1-e1) Ta ~ 560 °C, (a2-e2) Ta ~ 570 °C.

Sung. 4. Cấu trúc vi mô của hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 sau khi ủ ở 560 °C. (a) Hình ảnh TEM trường sáng; (b) Hình ảnh HRTEM của chế độ xem phóng to trong hộp; (c) Chế độ xem mở rộng của khu vực A như được chỉ ra trong (b) với (d) mô hình FFT; (e)-(g) Cấu hình quang phổ EDX được lấy từ (b) vùng A, vùng B và vùng C, tương ứng.

Ngoài ra, quá trình ủ không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô mà còn gây ra sự tiến hóa của cấu trúc miền từ liên quan chặt chẽ đến các tính chất từ tính. Sung. 5 cho thấy sự thay đổi của cấu trúc miền từ cho ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 sau khi ủ ở 520 đến 570 ° C dưới trường không. Khi ủ dưới 540 °C, các mẫu miền của các mẫu thể hiện các hình dạng miền từ sọc thông thường với định hướng ưa thích. Như thể hiện trong Hình. 5 (a) và (b), các bức tường miền có hình dạng đường thẳng với các bức tường 180 ° và khoảng cách giữa thành miền liền kề tương đối đồng đều và nhỏ, điều này cho thấy mẫu có cấu trúc miền từ phân bố đồng đều. Ngoài ra, nó có thể được nhìn thấy từ Hình. 5(c) rằng chuyển động của thành miền từ do nhiệt độ gây ra làm tăng chiều rộng của miền từ và tạo thành các miền giống như ngoằn ngoèo song song với mật độ nhánh cao, cho thấy hiệu ứng ghim cao hơn. Sau khi ủ ở 560 °C, cấu trúc từ tính của mẫu thay đổi từ miền đa sọc mật độ cao khoảng 3 μm sang miền sọc mở rộng trên 50 μm với một số vị trí ghim (trong Hình 5 (d)), được coi là sự thay đổi cấu trúc miền sau khi ủ có liên quan trực tiếp đến ứng suất liên kết. Thật thú vị, các vị trí ghim biến mất với nhiệt độ ủ tăng hơn nữa, và chỉ có hai miền sọc đều rộng và thẳng với sáng và tối xen kẽ được quan sát thấy trong Hình. 5(e), cho thấy hiệu ứng ghim giảm và năng lượng tường miền thấp. Điều đáng chú ý là sự hình thành các miền từ là kết quả không thể tránh khỏi của các năng lượng khác nhau trong nam châm, bao gồm năng lượng trao đổi, khử từ, dị hướng từ tinh thể và năng lượng thành miền, theo nguyên tắc năng lượng thấp nhất. Trong số đó, năng lượng trường khử từ cực thấp là lý do gốc rễ cho sự hình thành các miền từ tính, thúc đẩy nam châm được chia thành một số lượng lớn các miền nhỏ. Trên thực tế, do sự định hướng không nhất quán của các mômen từ trong thành miền từ, việc tăng cường năng lượng thành miền gây ra bởi nhiều miền từ làm tăng năng lượng trao đổi và dị hướng từ tinh thể, có tác động đến các tính chất từ tính. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng nhiệt độ ủ gây ra sự phát triển của cấu trúc từ tính cân bằng năng lượng trường khử từ và năng lượng thành miền và làm giảm hiệu ứng ghim, dẫn đến dị hướng từ thấp và kiểm soát hiệu quả các miền từ, do đó đạt được các tính chất từ mềm toàn diện tuyệt vời hơn.

Sung. 5. Cấu trúc miền từ của ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 ủ ở (a) 520 °C, (b) 540 °C, (c) 550 °C, (d) 560 °C và (e) 570 °C.

Để xem xét thêm về mối quan hệ giữa các tính chất, cấu trúc vi mô và sự tiến hóa cấu trúc từ tính, các tính chất từ tĩnh và động của mẫu ủ được phát hiện. Sung. 6 (a) cho thấy các vòng trễ điển hình của hợp kim tinh thể nano Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 được ủ ở 520 đến 570 °C. Khi được phóng to trong phần (b), không có thay đổi rõ ràng trong các vòng của mẫu ở các nhiệt độ ủ khác nhau và Ms của nó thay đổi trong khoảng từ 124,8 đến 135,9 emu / g. Ngoài ra, Ms của ruy băng tăng khi nhiệt độ ủ tăng, và sau đó không đổi ở 560 ° C. Đối với hợp kim tinh thể nano, Ms của hợp kim tỷ lệ thuận với hàm lượng Fe, có liên quan chặt chẽ với phần thể tích của pha vô định hình (Vam) và pha tinh thể nano (Vcr). Ms có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

                                                      (1)

trong đó Mscr và Msam lần lượt là từ hóa bão hòa của các pha tinh thể và vô định hình. Ngoài ra, pha vô định hình liên tinh thể thể hiện Ms thấp hơn khoảng 1,5 T do lượng lớn các nguyên tố phi kim loại, thấp hơn nhiều so với pha α-Fe (Si) [31]. Theo Hình. 2 (a), một lượng lớn tinh thể nano α-Fe kết tủa từ ma trận vô định hình gây ra bằng cách ủ ở nhiệt độ cao, làm tăng đáng kể phần thể tích của pha α-Fe (Si). Mật độ số cao của pha nano thúc đẩy sự kết hợp trao đổi mạnh mẽ giữa các hạt α-Fe (Si), do đó dẫn đến sự gia tăng Ms. Tuy nhiên, khi nhiệt độ ủ tăng lên 570 ° C, ủ nhiệt độ cao gây ra sự phát triển quá mức của pha α-Fe (Si), dẫn đến cấu trúc vi mô không đồng nhất, phù hợp với Hình. 2(d)-(e). Sự thô của các hạt tinh thể làm giảm khớp nối trao đổi giữa các tinh thể, làm suy giảm tính chất từ tính.

Sung. 7 (a) cho thấy sự thay đổi của độ cưỡng chế (Hc) như một hàm của nhiệt độ ủ đối với hợp kim tinh thể nano Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 giàu Si, trong khi phần trong (b) trình bày các vòng trễ điển hình ở nhiệt độ ủ nhất định. Hợp kim sau khi ủ ở nhiệt độ thấp hơn thể hiện Hc cực thấp dao động từ 520 đến 560 ° C và giảm Hc từ 0,88 xuống 0,56 A / m đã được quan sát thấy. Tuy nhiên, quá trình ủ nhiệt độ cao hơn gây ra sự suy giảm các tính chất từ tính cho ruy băng và Hc tăng lên 2,73 A / m với nhiệt độ ủ tăng thêm. Ngoài ra, ủ nhiệt độ cao làm thay đổi hình dạng của các vòng trễ, đạt được dư lượng thấp. Nói chung, Hc không chỉ liên quan đến thành phần hóa học của vật liệu, mà còn phụ thuộc vào kích thước hạt, phần thể tích và tính đồng nhất của pha tinh thể nano chủ yếu bị ảnh hưởng bởi quá trình ủ. Rõ ràng, nhiệt độ ủ tối ưu thúc đẩy sự hình thành cấu trúc vi mô đồng đều và mịn, có lợi cho việc đạt được các đặc tính từ mềm tuyệt vời.

Sung. 6. (a) Vòng trễ và (b) bộ từ hóa bão hòa Ms như một hàm của nhiệt độ ủ Ta cho ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3.

Sung. 7. (a) Vòng lặp độ trễ cưỡng chế Hc và (b) Độ trễ M-H như một chức năng ủ nhiệt độ Ta cho ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3.

Hệ số điện cảm được coi là một trong những chỉ số quan trọng để đo tính chất từ tính của vật liệu, đặc biệt là ở tần số cao, có vai trò lọc và giảm tiếng ồn. Sung. 8 (a) hiển thị sự thay đổi độ tự cảm (L) với tần số từ 1 kHz đến 1 MHz ở các nhiệt độ ủ khác nhau. Tất cả các mẫu ủ thể hiện một xu hướng tương tự, đó là, L tỷ lệ nghịch với tần số. Như thể hiện trong Hình. 8 (b), có ba vùng đặc biệt riêng biệt trong sự thay đổi của L gây ra bởi nhiệt độ ủ, được chia thành tần số thấp, trung bình và cao. Trong dải tần số thấp dưới 20 kHz, L đầu tiên tăng dần khi tăng nhiệt độ ủ lên đến 560 ° C, và sau đó giảm nhanh khi ủ lên đến 570 ° C. Điều thú vị là L của mẫu ủ ở 550 ° C giảm chậm trong dải tần số khoảng 20-60 kHz, trong khi mẫu ủ ở 570 ° C thể hiện giá trị L cao hơn trên 60 kHz. Người ta chấp nhận rằng các tính chất từ tính bên ngoài của vật liệu từ mềm tinh thể nano, chẳng hạn như L và Hc, là một chức năng của dị hướng từ tinh thể, chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc vi mô. Theo mô hình dị hướng ngẫu nhiên [10], khác với cơ chế từ hóa của vật liệu từ mềm truyền thống, khớp nối sắt từ mạnh giữa các hạt quy mô nano cùng với sự định hướng ngẫu nhiên của nhiều trung bình từ tính dị hướng từ tinh thể của một hạt tinh thể đơn để tạo thành một hằng số dị hướng từ hiệu dụng nhỏ, đó là lý do cơ bản để đạt được các tính chất từ mềm tuyệt vời. Trong quá trình ủ ở nhiệt độ thấp gây ra sự kết tinh, phần thể tích thấp của pha tinh thể nano gây ra khoảng cách giữa các hạt lớn hơn để giảm khớp nối trao đổi giữa các hạt tinh thể, nghĩa là ma trận vô định hình gây ra hiệu ứng suy yếu. Trong khi đó, ứng suất bên trong tồn tại ở giao diện giữa các hạt tinh thể nano kết tủa và ma trận vô định hình dẫn đến năng lượng dị hướng từ tính lớn, gây ra Hc cao và L thấp. Tăng nhiệt độ ủ thúc đẩy sự hình thành cấu trúc tinh thể nano với mật độ cao, phân bố hạt α-Fe mịn và đồng đều, góp phần tạo ra các tính chất từ mềm tuyệt vời. Xem xét mối tương quan giữa tính chất từ mềm và kích thước hạt, ủ hạt cảm ứng ở nhiệt độ cao dẫn đến tăng Hc và giảm L. Điều đáng chú ý là dị hướng được giới thiệu bởi hạt thô hạn chế sự di chuyển và xoay của thành miền, ảnh hưởng đến các đặc tính tần số cao. Do đó, việc điều chỉnh quá trình ủ giới thiệu dị hướng thích hợp để kiểm soát các vòng tự cảm và độ trễ, giúp cải thiện hiệu quả các đặc tính tần số cao, từ đó cung cấp hướng dẫn cho các ứng dụng của hợp kim từ mềm tinh thể nano ở các tần số khác nhau.

Sung. 8. (a) Sự thay đổi của độ tự cảm (L) với nhiệt độ ủ trong dải tần số từ 1 kHz đến 1 MHz đối với ruy băng hợp kim Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3. (b) Inset của L khuếch đại một phần trong các dải tần số nhất định.

Sung. 9 (a) cho thấy trở kháng (Z) của các mẫu được ủ ở các nhiệt độ khác nhau như một hàm của tần số. Rõ ràng là xu hướng biến đổi của Z phù hợp với sự thay đổi của L cho các dải ruy băng ủ. Như thể hiện trong Hình. 9 (b), dưới tần số dưới 35 kHz, Z của các mẫu ủ tăng khi tăng nhiệt độ ủ, và sau đó giảm nhanh ở 570 ° C. Điều thú vị là Z của các dải ruy băng được ủ ở 550 ° C thể hiện giá trị cao hơn trong dải tần số từ 35 kHz đến 120 kHz, trong khi Z của các mẫu được ủ ở 570 ° C có lợi thế trên 120 kHz. Theo phương trình Maxwell và Laudau-Lifshitz, Z của dải băng tinh thể nano có thể được biểu diễn như sau:

δm là độ sâu da liên quan đến từ tính, J0 và J1 là hàm Bessel, Le là độ tự cảm của ruy băng, μΦ là tính thấm của lõi từ, l là chiều dài của ruy băng, a là bán kính của ruy băng và RDC là điện trở DC. Kết quả chỉ ra rằng Z của vật liệu từ mềm tinh thể nano chủ yếu phụ thuộc vào tính thấm liên quan đến L, bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vi mô và dị hướng từ [32-34]. Do đó, ở tần số thấp, cấu trúc vi mô chủ yếu ảnh hưởng đến cơ chế từ hóa của vật liệu từ mềm tinh thể nano, và ủ nhiệt độ tối ưu cảm ứng các hạt nano mịn và phân bố đồng đều đạt được Z cao. Khi tần số tăng lên, dị hướng từ được giới thiệu bởi ủ nhiệt độ cao dần dần chi phối quá trình từ hóa, dẫn đến Z cao hơn.

Sung. 9. (a) Trở kháng (Z) là một hàm của nhiệt độ ủ cho hợp kim ruy băng Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 từ 1 kHz đến 1 MHz. (b) Inset của Z khuếch đại một phần trong các dải tần số nhất định.

3. Kết luận

Trong công trình này, cấu trúc vi mô, sự tiến hóa cấu trúc từ tính và đặc tính từ tính của hợp kim Finemet giàu Si đã được nghiên cứu một cách có hệ thống. Hợp kim vô định hình Fe73.5Si15.5B7Cu1Nb3 thể hiện khả năng tạo hình vô định hình cao và ổn định nhiệt tốt. Cơ chế kết tinh nano của hợp kim vô định hình Finemet sau khi ủ ở nhiệt độ tối ưu được quy cho tác động lẫn nhau của dao động nồng độ hóa học và tạo mầm không đồng nhất, thúc đẩy sự hình thành phần thể tích cao, cấu trúc tinh thể nano mịn và phân bố đồng đều, do đó dẫn đến các tính chất từ tính tốt bao gồm Ms cao 135,4 emu / g và Hc thấp 0,56 A / m, cùng với các đặc tính tần số thấp tuyệt vời. Ngoài ra, sự thư giãn cảm ứng tối ưu tạo thành các miền từ tính đều đặn rộng và thẳng, dẫn đến hiệu ứng ghim thấp. Hơn nữa, ủ nhiệt độ cao giới thiệu dị hướng thích hợp ảnh hưởng đến quá trình từ hóa và thay đổi hình dạng của các vòng trễ, giúp cải thiện hiệu quả các đặc tính tần số cao. Phát hiện của chúng tôi cung cấp hướng dẫn cho các vật liệu từ tính mềm tinh thể nano hiệu suất cao được điều chế bởi các quy trình ủ cụ thể ở các tần số khác nhau.

Xin lưu ý rằng bài viết này đã được xuất bản trên Science Direct. Bạn không được sử dụng nội dung mà không được phép.