FE-B-Si系非晶/纳米晶合金的成分设计及性能研究

摘要

Fe-B-Si系非晶和纳米晶合金是一类重要的软磁材料，广泛应用于电力、电子等工业领域。但Fe-B-Si系非晶合金存在成分区窄且非晶形成能力弱等不足;相关非晶、纳米晶合金的成分特征也不明晰，这都不利于该类材料的制备与应用。针对以上问题，本文基于“团簇加连接原子”模型，构建了金属-类金属型Fe-B和Fe-B-Si非晶团簇式，在此基础上引入不同种类的合金化组元，设计出高非晶形成能力的块体软磁非晶合金;同时提出“双团簇”模型，解析了Fe-B非晶和Finemet纳米晶合金的成分特征，并设计、优化出性能更优的Fe-B-Si系纳米晶磁性合金。论文主要内容与研究成果如下:
　　1、Fe-B-Si三元非晶团簇式的构建:基于与非晶形成相关的Fe2B相的局域结构，筛选出[B-B2Fe8]主团簇，运用“团簇加连接原子”模型，结合理想非晶合金的电子浓度与密堆性判据，建立了[B-B2Fe8]Fe二元非晶团簇式;引入Si替代中心原子B可增强团簇结构稳定性，由此获得[Si-B2Fe8]Fe三元非晶团簇式。实验证实Fe-B和Fe-B-Si中团簇式成分(即Fe75B25和Fe75B16.67Si8.33)处的非晶合金具有最优的热稳定性和非晶形成能力。
　　2、[Si-B2Fe8]Fe非晶团簇式的合金化效应:引入与Si有大的负混合焓的第四组元，构建了[Si-B2Fe8-xETMx]Fe和[Si-B2Fe7.6REM0.4]Fe团簇式（ETM=Zr、Hf、 Nb和Ta;REM=Y、Dy、Ce、Nd、Pr、Sm和Gd）。实验表明:含ETM合金可形成块体非晶，其最高临界尺寸为2.5mm，这些非晶具有优良的力学与软磁性能;为进一步提高非晶合金的饱和磁化强度，基于含Zr、Hf合金的最佳非晶成分的团簇式，通过增加连接原子Fe的个数，设计得到[Si-B2Fe7.6Zr0.4]Fex(x=1.0-3.5)和[Si-B2Fe7.7Hf0.3]Fex(x=1.0-3.0)系列合金成分，实验结果表明，设计得到的合金均可形成块体非晶，且具有较高的饱和磁化强度(＞1.5T)和较低的矫顽力(＜3.0A/m)。以[Si-B2Fe7.6Nb0.4]Fe合金成分为基础，考虑到团簇结构的密堆性，设计并制备出[(Si1-yBy)-B2Fe8-xNbx]Fe系列高非晶形成能力的块体非晶合金，且力学性能优异。含REM的合金无法形成块体非晶。合金化效应机理研究显示:团簇间原子的相互作用对非晶的玻璃转变温度和形成能力起决定作用，而团簇内部的原子的相互作用则决定了非晶合金的热稳定性。
　　3、实验结果表明，本论文所涉及合金在涵盖团簇式成分的一定区间内均可形成非晶合金。结合该事实，基于相关非晶的晶化行为，构建出Fe-B基非晶的“双团簇”模型，合理解释了Fe-B基非晶合金的成分区间。类似的，提出了Finemet合金的“双团簇”结构模型”。基于[(Si1-yBy)-B2Fe8-xNbx]Fe和[Si-Fe14](Cu1/13Si12/13)3两团簇式，将它们等比例混合，设计并制备出多个成分合金。其中，成分为Fe74B7.33 Si15.23Nb2.67Cu0.77非晶经适当等温退火后可呈现理想的纳米晶-非晶复相结构，其软磁性能优于已知典型成分的Finemet纳米晶合金。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 非晶合金的形成

1．1．1 玻璃态转变温度

1．1．2 非晶形成能力

1．2 非晶合金形成的影响因素

1．3 非晶合金的结构特征

1．3．1 非晶合金的结构描述

1．3．2 非晶合金结构的研究方法

1．3．3 非晶合金结构的不均匀性

1．4 非晶合金的成分设计方法

1．5 Fe基非晶和纳米晶合金的研究

1．5．1 Fe基非晶带材

1．5．2 Fe基非晶丝材

1．5．3 Fe基块体非晶合金

1．5．4 Fe基纳米晶合金

1．5．5 Fe-B系非晶和纳米晶合金的晶化行为

1．6 论文立题依据与主要内容

2 实验内容及方法

2．1 原料

2．2 样品制备

2．2．1 母合金锭

2．2．2 块体及条带样品

2．2．3 退火处理

2．3 材料表征与性能测试

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．4 光学显微镜(OM)

2．3．5 热学参数测试

2．3．6 力学性能测试

2．3．7 磁性能测试

3 Fe-B二元与Fe-B-Si三元非晶团簇式

3．1 Fe-B二元非晶团簇式的建立

3．2 Fe-B二元非晶的实验结果分析

3．3 Fe-B二元非晶的微观结构模型

3．4 Fe-B-Si三元非晶团簇式的建立

3．5 Fe-B-Si三元非晶的实验结果分析

3．6 本章小结

4 Fe-B-Si-ETM／REM四元系非晶的成分设计及性能研究

4．1 Fe-B-Si-ETM／REM四元非晶团簇式的建立

4．2 Fe-B-Si-ETM／REM非晶的形成

4．2．1 Fe-B-Si-Zr四元块体非晶的形成

4．2．2 Fe-B-Si-Hf四元块体非晶的形成

4．2．3 Fe-B-Si-Nb四元块体非晶的形成

4．2．4 Fe-B-Si-Ta四元块体非晶的形成

4．2．5 [Si-B2Fe7．6REM0．4]Fe四元非晶的形成

4．3 Fe-B-Si-ETM／REM四元非晶形成的实验结果分析

4．3．1 [Si-B2Fe8-xETMx]Fe非晶形成的实验结果分析

4．3．2 [Si-B2Fe7．6ETM0．4REM0．4]Fe非晶形成的实验结果分析

4．4 Fe-B-Si-ETM／REM非晶合金的性能研究

4．4．1 Fe-B-Si-ETM块体非晶合金的力学性能

4．4．2 Fe-B-Si-ETM／REM四元非晶合金的软磁性能

4．5 本章小结

5 高Bs和GFA Fe-B-Si系块体非晶合金的研究

5．1 Fe-B-Si-Zr／Hf块体非晶合金Bs的提升

5．1．1 高Bs块体非晶合金的成分设计

5．1．2 高Fe含量Fe-B-Si-Zr块体非晶的实验结果

5．1．3 高Fe含量Fe-B-Si-Hf块体非晶的实验结果

5．1．4 实验结果分析

5．2 Fe-B-Si-Nb块体非晶合金GFA的提高

5．2．1 Fe-B-Si-Nb块体非晶合金的成分优化

5．2．2 Fe-B-Si-Nb非晶形成的实验结果与分析

5．2．3 Fe-B-Si-Nb块体非晶的力学性能

5．3 结论

6 Finemet纳米晶合金的成分特征与新合金的设计

6．1 Finemet纳米晶合金的成分特征与优化

6．1．1 α-Fe(Si)固溶体团簇式成分设计

6．1．2 Fe-B-Si-Nb团簇式成分设计

6．1．3 双团簇非晶合金的成分设计

6．2 Finemet非晶合金的制备和热参数分析

6．3 Finemet非晶合金结晶动力学研究

6．3．1 变温结晶动力学

6．3．2 等温结晶动力学

6．4 Fe74B7．33Si15．23Nb2．67Cu0．77纳米晶合金的软磁性能研究

6．4．1 Fe74B7．33Si15．23Nb2．67Cu0．77非晶的晶化处理

6．4．2 Fe74B7．33Si15．23Nb2．67Cu0．77纳米晶的磁性测量结果与分析

6．5 总结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介