退火温度对机械合金化Cu-Fe-Ti体系结构与磁性能的调控机制及技术应用前景

为解决Cu-Fe合金在室温下互溶性低、磁性能受限的问题，研究人员通过机械球磨与退火工艺调控50Cu-40Fe-10Ti（wt.%）三元合金的微观结构与磁性能。研究发现，450°C退火后合金的矫顽力（Hc）达401 Oe，饱和磁化强度（Ms）为49 emu/g，并通过模拟确定居里温度（Tc）为175 K。该研究为设计高性能磁性材料提供了新策略。

　　

在材料科学领域，铜-铁（Cu-Fe）合金因其独特的磁性和导电性能，在数据存储、磁阻传感器和磁性随机存取存储器（MRAM）等高科技应用中备受关注。然而，Cu和Fe在室温下的互溶性极低，铁在铜中的最大溶解度仅为11%左右，这严重限制了其性能优化和应用拓展。此外，Cu-Fe系统中存在的亚稳态混溶隙和正混合焓（ΔH = 13 kJ/mol）进一步增加了合金设计的难度。传统的合成方法难以实现元素的原子级混合，导致合金的磁性能（如矫顽力、剩磁和饱和磁化强度）无法满足高端技术需求。

为了突破这些限制，研究人员采用机械球磨（Mechanical Milling）这一非平衡加工技术，通过高能球磨促进固态扩散和原子级混合，显著扩展了Cu-Fe体系的溶解度极限。近年来，三元合金系统的引入（如Cu-Fe-Mn和Cu-Co-Mn）进一步提升了材料的磁性能和机械强度。其中，钛（Ti）的加入被认为可通过引入额外价电子和空位，增强结构无序性，从而调控材料的电学和磁学行为。然而，Ti在Cu-Fe系统中的作用机制及其对磁性能的具体影响尚不明确。

在此背景下，Gurudas Mandal、Guojun Ma等研究人员在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了一项研究，系统探讨了退火温度对机械合金化Cu-Fe-Ti体系结构演变和磁性能的影响。他们通过优化球磨和退火参数，成功合成了50Cu-40Fe-10Ti（wt.%）纳米晶合金，并揭示了Ti在促进Fe溶解、抑制晶粒生长和增强磁性能方面的关键作用。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先，利用高能球磨机（Fritsch Pulverisette 6）在甲苯介质中对Cu、Fe、Ti元素粉末进行50小时球磨，实现原子级混合和固溶体形成；其次，通过差热分析（DTA）测定合金的热稳定性和存储焓（ΔH）；第三，结合X射线衍射（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）分析相演变、晶粒尺寸和微观结构；第四，使用超导量子干涉设备（SQUID）测量磁性能参数（H_c、M_r、M_s）；最后，借助VAMPIRE 5.0软件进行原子尺度模拟，计算居里温度（T_c）和自旋相互作用。

研究结果部分分为四个小节：

3.1. X射线衍射（XRD）和差热分析（DTA）

XRD分析显示，随着球磨时间延长，Cu晶粒尺寸从87 nm（1小时）减小至10.7 nm（50小时），晶格应变从2.57×10^-3增至7.3×10^-3。50小时后，Fe衍射峰消失，表明形成完全固溶体。DTA曲线在429°C出现放热峰，对应Fe在Cu基体中的沉淀，存储焓（ΔH）为0.76 kJ/g。450°C退火后，合金分离出TiO、Fe和Cu相，晶粒尺寸分别为29 nm（Cu）和36 nm（Fe）。

3.2. 结构和元素分析

HRTEM图像显示，球磨50小时后合金存在剪切带和未变形区域，表明局部塑性变形。EDX分析证实Fe和Ti在Cu基体中分布不均匀。选区电子衍射（SAED）显示纳米晶和非晶结构。450°C退火后，SAED图谱出现明锐衍射环，对应Cu、TiO和bcc-Fe相，表明非晶相消失并形成纳米晶结构。

3.3. 磁性能分析

磁滞回线测量表明，球磨50小时后合金的矫顽力（H_c）为43.7 Oe，剩磁（M_r）为2.66 emu/g，饱和磁化强度（M_s）为35 emu/g。450°C退火1小时后，H_c显著提升至401 Oe，M_r增至13.9 emu/g，M_s达49 emu/g。Ti的加入降低了M_s但增强了矫顽力， due to Fe在Cu中的溶解和纳米晶Fe沉淀。

3.4. 原子模拟和磁相互作用建模

VAMPIRE模拟显示，合金的居里温度（T_c）为175 K，低于此温度时材料呈铁磁性，高于时转为顺磁性。模拟磁滞回线表明，在150 K和300 K下，合金保持较高饱和磁化（0.99单位），而0 K时因自旋冻结降至0.04单位。

研究结论部分强调，通过机械球磨和退火处理，Cu-Fe-Ti合金可实现完全的固溶体形成和可控的相分离。Ti的加入延缓了Fe的溶解，但通过优化退火工艺（450°C）可促进纳米晶Fe沉淀，显著提升矫顽力和热稳定性。该合金的矫顽力提升近9倍，饱和磁化强度适度降低，表明其在磁性硬度与饱和磁化间实现了可调平衡。模拟结果进一步验证了合金的磁相变行为，为设计高温稳定磁性材料提供了理论依据。

这项研究的意义在于，它不仅揭示了Ti在Cu-Fe体系中的独特作用机制，还为开发高性能磁性材料（如GMR器件、MRAM和磁传感器）提供了新思路。通过调控机械合金化和退火参数，三元合金的微观结构和磁性能可被精确裁剪，以满足航空航天、电子和先进制造等领域的需求。此外，结合实验与模拟的方法为多组分合金系统的研究树立了范例，推动了材料设计从经验探索向理性设计的转变。