横向磁退火对FeSiBNbCuP纳米晶合金表面纹理和磁化过程的影响

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Effect of transverse magnetic annealing on the surface texture and magnetization process of FeSiBNbCuP nanocrystalline alloys

通过对比零磁场退火（ZA）和横向磁场退火（TA），研究发现TA能减少晶界曲率并增强各向异性，促使磁畴从位移主导转向协同旋转主导，从而降低高频损耗、提升磁导率（μ=14,000@100kHz），为表面纹理合金的高频应用提供新策略。

　　这项研究聚焦于一种新型的软磁材料——Fe-Si-B-Cu-Nb纳米晶合金，旨在通过改进其微观结构和磁性能，提高其在高频设备中的应用潜力。研究人员发现，尽管Fe基合金具有成本低的优势，但在实际应用中，普遍存在的表面结晶现象严重制约了其软磁性能的优化，特别是在高频环境下，这种现象对材料的性能产生了不利影响。因此，如何有效控制表面结晶并提升磁性能成为当前研究的重要方向。

在软磁材料中，磁导率、矫顽力和磁芯损耗是衡量其性能的关键指标。高磁导率意味着材料在外部磁场作用下能够更有效地传导磁力，这对于变压器、电感器等高频设备尤为重要。而低矫顽力则表明材料在磁化过程中所需的能量较少，从而降低了设备的能耗。磁芯损耗则与材料在交变磁场下的能量损失有关，较低的磁芯损耗可以提高设备的效率和稳定性。然而，这些性能往往受到材料微观结构的影响，特别是在表面结晶层的存在下，磁性能可能会受到影响。

在本研究中，研究人员选择了Fe76Si12B8Nb2.2Cu0.8P1这一特定组成的纳米晶合金作为研究对象。这种合金具有表面纹理，这在工业生产中是常见的现象。通过使用工业级原料进行熔炼，并采用单辊快速冷却法制造出厚度约为19微米的合金带，研究人员进一步通过退火处理来研究其磁性能的变化。退火过程中，研究人员采用了两种不同的方法：零磁场退火（ZA）和横向磁场退火（TA），分别用于分析材料在不同磁场条件下的磁性能表现。

零磁场退火和横向磁场退火的实验结果显示，两种退火方法对材料的微观结构和磁性能产生了不同的影响。在零磁场退火过程中，材料的磁导率随着退火温度的升高而先增加后减少，达到最大值后下降。而矫顽力和磁芯损耗则呈现出相反的趋势，即随着退火温度的升高，矫顽力和磁芯损耗逐渐降低。相比之下，横向磁场退火则表现出不同的行为。在退火过程中，横向磁场的引入显著改变了材料的磁畴结构，使得磁畴壁更加笔直，减少了曲率，从而降低了磁芯损耗。同时，横向磁场退火还促进了磁畴运动机制的转变，从磁畴壁移动逐渐向磁畴旋转主导转变。这种转变被认为是由于外部磁场增强了材料的单轴磁各向异性，从而影响了磁化过程。

磁各向异性是软磁材料中一个重要的参数，它决定了材料在不同方向上的磁化能力。在零磁场退火中，磁各向异性较低，导致磁畴壁移动成为主要的磁化机制。而在横向磁场退火中，磁各向异性的增强使得磁畴旋转成为主导机制，从而提高了材料的磁导率，并降低了磁芯损耗。这种转变在高频环境下尤为重要，因为高频设备通常需要材料在高速磁化过程中保持较低的损耗，同时具备较高的磁导率。因此，横向磁场退火方法在提升软磁性能方面展现出更大的潜力。

此外，研究人员还分析了表面纹理对磁性能的影响。表面纹理的形成通常与快速冷却过程中表面冷却速率较慢、表面元素的耗尽以及表面氧化等因素有关。这些因素导致了表面结晶层的形成，从而影响了材料的磁性能。然而，通过适当的元素调整，如添加磷和铜，可以有效抑制表面结晶的形成，从而提高材料的磁导率和降低磁芯损耗。在本研究中，研究人员通过优化合金成分，成功制备出具有表面纹理的Fe76Si12B8Nb2.2Cu0.8P1纳米晶合金，并进一步通过退火处理来研究其磁性能的变化。

实验过程中，研究人员对零磁场退火和横向磁场退火的样品进行了多尺度表征，包括微观结构、表面纹理和磁畴结构的分析。通过这些分析，研究人员发现了退火温度对磁性能的影响规律，并进一步探讨了横向磁场退火对磁畴结构和磁性能的优化作用。研究结果表明，横向磁场退火能够有效减少磁芯损耗，提高磁导率，并在高频环境下表现出更好的性能。这些发现为未来开发高性能软磁材料提供了重要的理论依据和技术支持。

研究还指出，虽然目前大多数关于磁场退火的研究主要集中在没有表面纹理的纳米晶合金上，但对具有表面纹理的纳米晶合金的研究仍较为有限。因此，系统研究磁场退火对具有表面纹理的纳米晶合金的影响，不仅有助于进一步理解磁性能与微观结构之间的关系，还可能为工业生产中优化软磁材料性能提供新的思路和方法。通过这种研究，可以更好地控制材料的磁性能，提高其在高频设备中的应用价值。

在实际应用中，软磁材料的性能优化不仅依赖于材料的组成和退火工艺，还受到外部磁场的影响。研究人员发现，横向磁场退火能够有效调控磁畴结构，使得磁畴壁更加笔直，从而降低磁芯损耗。同时，横向磁场退火还能够增强磁各向异性，使得磁畴旋转成为主要的磁化机制，从而提高磁导率。这种机制的转变在高频环境下尤为重要，因为高频设备通常需要材料在高速磁化过程中保持较低的损耗，同时具备较高的磁导率。因此，横向磁场退火方法在提升软磁性能方面展现出更大的潜力。

通过比较零磁场退火和横向磁场退火的样品，研究人员发现，横向磁场退火不仅能够改善磁性能，还能够显著提升材料在高频环境下的应用性能。这表明，通过合理设计退火条件，可以有效调控纳米晶合金的磁性能，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究还指出，表面纹理的形成和退火处理对磁性能的影响是相互关联的，因此在优化材料性能时，需要综合考虑这些因素。

研究的结论表明，零磁场退火和横向磁场退火对Fe76Si12B8Nb2.2Cu0.8P1纳米晶合金的磁性能、微观结构和表面纹理产生了不同的影响。其中，横向磁场退火样品表现出更优异的磁性能，包括更低的矫顽力、更高的磁导率以及更低的磁芯损耗。这些结果为未来开发高性能软磁材料提供了重要的参考价值，并可能推动相关技术在工业生产中的应用。

此外，研究还强调了表面纹理在软磁材料中的重要性。表面纹理的形成不仅影响了材料的磁性能，还可能对材料的加工和应用产生一定的影响。因此，在实际应用中，如何有效控制表面纹理的形成，是提升材料性能的关键问题之一。通过研究，研究人员发现，适当的退火条件可以有效减少表面结晶层的形成，从而改善材料的磁性能。这表明，退火工艺的优化对于提升软磁材料的性能具有重要意义。

综上所述，这项研究通过系统分析零磁场退火和横向磁场退火对Fe76Si12B8Nb2.2Cu0.8P1纳米晶合金的影响，揭示了磁场退火在调控磁性能方面的潜力。研究结果表明，横向磁场退火能够有效减少磁芯损耗，提高磁导率，并在高频环境下表现出更好的性能。这些发现不仅为软磁材料的开发提供了新的思路，也为工业生产中优化材料性能提供了重要的技术支持。通过进一步研究，有望在更多领域中应用这种材料，推动相关技术的发展和进步。