铁基非晶纳米复合材料制备方法研究

摘要

非晶合金具有独特的原子结构及普通材料所不具备的优异性能，自上世纪60年代问世以来，受到了广大学者的青睐。铁基非晶合金作为非晶合金系中一个重要分支，由于其优异的软磁性能，现已发展成为应用最为广泛的一类非晶合金，经过研究者们的不断努力，推动着铁基非晶不断向前发展。
　　本文将Fe-(Al，Ga)-BPSiC非晶合金系中的Fe67.5Ni1Al5Ga2P9.65C6.75B4.6Si3Sn0.5非晶合金作为研究对象，采用不同的晶化温度对非晶合金进行部分晶化处理获得的非晶纳米晶。结果表明:随着晶化温度的升高提高了非晶合金的结晶驱动力，在非晶合金基体上分别析出了 a-Fe，BFe→a-Fe，BFe，Fe5SiB2→a-Fe，BFe，B2Fe5P, Fe2C和Fe5B2P晶化相，析出相的结构由简单变的更加复杂;晶化温度的升高不仅能增加非晶合金的形核率还会促进晶粒的长大。因此:析出相晶粒尺寸表现为先减小后增大，非晶合金纳米晶的晶化面积与晶化温度呈正相关。XRD衍射分析显示，在2θ角40°～45°的位置时出现一个较为宽化的衍射峰，经分析峰形的宽化除了晶粒尺寸较小之外，还与晶化相相互夹杂有关。
　　获得具有优异软磁性能的非晶合金纳米晶是研究铁基非晶合金的重要动力，非晶部分晶化后，在非晶基体上析出的磁性相（如a-Fe，BFe）对非晶合金纳米晶的软磁性能有明显的影响。通过不同晶化温度处理获得的非晶纳米合金的Ms、Hc、Mr和Mr/Ms四项磁性能参数比较表明，随着晶粒尺寸和晶化面积增加，非晶合金的软磁性能呈恶化的趋势，晶粒尺寸和晶化面积达到一定时，非晶纳米晶合金甚至表现出硬磁性特征，部分晶化的非晶纳米晶合金的结构比非晶态或晶态合金更为复杂，合金内部的缺陷和晶界对磁性能是有害的，但是经一定程度的晶化处理，可以获得优异的软磁性能（如b试样）。对经过不同预退火处理的非晶纳米晶合金的磁性能分析结果表明:经过不同温度下预退火的非晶合金的磁性能服从晶粒尺寸和晶化面积对该非晶合金纳米晶材料磁性能的影响。
　　原子团簇的不稳定性是非晶合金形成的结构起源，原子团簇作为非晶合金结构的最小单元。采用不同的温度对非晶合金进行低温退火处理，分析试样的XRD衍射图谱，与淬态试样相比，其峰形发生较明显的变化。说明经过低温退火处理的非晶试样发生了结构弛豫，即原子通过扩散，不仅改善了非晶合金的缺陷，且能够促进形成更多的原子团簇。将经过预退火处理的非晶合金晶化处理后发现，其晶化相的种类比淬态多，晶粒尺寸得到明显的细化，这从一个侧面证实了低温退火处理改变了非晶合金的原子结构，形成了更多的原子团簇，为晶化处理提供了更多的形核核心。
　　本文研究了液氮深冷处理方法对非晶合金结构的影响，试样经24h、72h和120h深冷处理后，其XRD衍射图谱与淬态试样有明显的差异，表明经过深冷处理的非晶合金内部的原子结构发生了改变，非晶合金在极低的温度下，为了达到新的平衡，原子之间的运动能力被削弱，非晶合金内部的缺陷得不到缓解，原子团簇中的溶质原子可能将发生脱溶，其非晶合金中的原子团簇数量将减少。将经过预处理的非晶合金进行晶化处理，其晶粒的平均晶粒尺寸和晶化面积随着深冷时间的延长均减小。表明深冷时间的延长不利于晶化过程的形核，从而证明深冷处理对非晶合金中的原子团簇具有不利的影响。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 非晶的发展历史

1．2 非晶合金的形成机理

1．2．1 热力学分析

1．2．2 动力学分析

1．2．3 非晶形成能力判据

1．3 合金元素对铁基非晶合金的影响

1．3．1 C、Si和B小原子对Fe基非晶合金的GFA及磁性能的影响

1．3．2 Ni、Co及其他原子对Fe基非晶合金的GFA及磁性能的影响

1．4 铁基非晶合金预处理及晶化

1．4．1 铁基非晶合金的预处理

1．4．2 铁基非晶合金的晶化

1．5 软磁材料的发展历史

1．5．1 非晶软磁性材料

1．5．2 纳米晶软磁材料

1．6 本文研究意义与主要内容

1．6．1 国内目前的发展现状

1．6．2 本文研究的主要内容

第2章 Fe基非晶合金制备及检测

2．1 非晶合金的制备

2．1．1 实验方案

2．1．2 实验设备

2．1．3 母合金的制取

2．1．4 合金条带样品的制备

2．2 非晶合金的检测

2．2．1 XRD分析

2．2．2 DSC分析

2．2．3 磁性能检测

2．3 非晶合金的处理

2．3．1 退火处理

2．3．2 液氮深冷处理

第3章 晶化温度对铁基非晶结构及磁性能的影响

3．1 不同的晶化温度对铁基非晶合金相组成及晶粒尺寸的影响

3．2 晶化温度对铁基非晶合金热稳定性及晶化面积的影响

3．3 不同的晶化温度对磁性能的影响

3．4 本章小结

第4章 预处理对非晶合金结构和磁性能的影响

4．1 预处理对非晶内部原子结构的影响

4．2 预退火处理对晶化析出相组成、尺寸及晶化面积的影响

4．3 预退火处理温度对磁性能的影响

4．4 本章小结

第5章 深冷对非晶态合金晶化的影响

5．1 液氮深冷对铁基非晶合金组成相及晶粒尺寸的影响

5．2 部分晶化后样品的DSC分析

5．3 本章小结及讨论

第6章 总结

6．1 本文总结

6．2 实验中的不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间发表或收录的论文