JHS3-plus：软磁亚稳态金属带材的原位多物理场表征

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：JHS3-plus: In situ Multiphysics characterization of soft magnetic metastable metallic ribbons

　　

J.A. Moya|J.M. Silveyra

阿根廷萨尔塔省萨尔塔市，UBA-CONICET、INTECIN、IESIING及萨尔塔天主教大学材料学跨学科研究小组

摘要

为对熔融纺制金属带进行热处理及原位/处理后表征，研究人员开发了一种多功能焦耳加热装置JHS3-Plus。该系统能够在同一试样上、遵循相同的热处理流程，自动测量电阻率、相对长度变化、磁滞现象、相对磁导率、磁致伸缩以及初步的低场磁热响应，同时持续监测样品的实际温度。这样一来，就能以较高的实验效率将材料的热历史、结构演变与物理性质直接关联起来。

该装置的性能通过一种经逐步退火的铁基亚稳态合金得到了验证。研究人员特意选用了成熟的FINEMET型合金作为基准体系，借此通过其已知的结构与磁性能变化来评估JHS3-Plus的性能。通过结合原位高温测量数据与每次退火后的室温数据进行分析，研究人员确定了材料演变的各个主要阶段：初始低温阶段、结构松弛阶段、Fe-Si纳米晶化阶段，以及最终伴随硼化物析出的二次结晶阶段。从同一实验中得到的进一步关联分析与差异化表征结果，为这些转变提供了更多见解，尤其表明在纳米晶化的起始与进展过程中，电学响应比尺寸变化更为敏感。在选定的退火状态下进行的补充测量，包括随频率变化的磁导率、不同磁场强度下的磁致伸缩以及归一化磁化强度，进一步丰富了材料的表征内容。

这些结果表明，JHS3-Plus是一种高效且功能多样的平台，可用于多性质表征，以及研究亚稳态软磁合金中的结构-性能关系。

引言

软磁金属玻璃和纳米晶合金因其兼具优异的软磁性能与良好的机械性能，因而非常适合用于先进的传感及能量转换领域。诸如FINEMET型合金（Fe-Si-B-Nb-Cu [1]，1988年研制）和NANOMET型合金（Fe-Si-B-P-Cu [2]，2009年研制）这类代表性合金，由于其独特的微观结构——即由分散在残余非晶基质中的α-Fe(Si)纳米晶粒构成，从而提升了饱和极化强度J_s和矫顽力H_c的水平。自那时起，由于高频电力电子设备、电机以及先进能量转换技术对高效软磁材料的需求不断增加，人们对这类材料的科研与技术研究兴趣也持续上升[3]、[4]、[5]。

这类合金从淬火后的非晶态向纳米晶态的结构演变是一个动力学上极为复杂的过程，这一过程在很大程度上取决于材料的热历史[6]。然而，目前对其结构的表征通常采用离体方法，即需要将多个试样在不同温度下进行退火处理，之后再分别在室温条件下测定其各项性能。这种方法不仅耗费大量时间与资源，还难以追踪相变过程中的瞬态动态，也无法实时观察材料的磁、电、热及机械性能之间的相互作用。

为克服这些局限，此前人们提出了JHS3（焦耳加热结构扫描系统）[7]、[8]、[9]、[10]。该系统利用对非晶金属带的直接焦耳加热效应，借助这类材料相对较高的电阻率与较低的熱惯性，通过电流脉冲实现快速退火处理，同时能够在高温原位状态及冷却至室温后，对同一试样的磁、电及膨胀响应进行系统且同步的表征。

在本研究中，我们推出了JHS3-Plus，这是对原始系统的升级版本，它通过实时温度监测以及额外的热力学与磁弹性测量功能，进一步提升了JHS3的多物理场表征能力。这样一来，不仅可以将材料的结构演变与其实际热历史直接关联起来，还能测定线性热膨胀系数α(T)和电阻温度系数TCR等参数。此外，该系统还能检测磁热熵变ΔS_m与工程磁致伸缩λ_e，从而实现对材料结构、磁性能及磁弹性变化的全面表征。

本文通过研究经典的FINEMET型合金Fe_73.5Si_15.5B₇Nb₃Cu₁，展示了JHS3-Plus的各项功能。实验结果验证了该系统的性能，同时也凸显出该方法在研究先进亚稳态合金的结构-性能关系方面的巨大潜力。

章节节选

2.1 试样材料与实验装置

为验证JHS3-Plus系统的性能，研究人员选用了一种市售的FINEMET型非晶合金，其名义成分分别为Fe_73.5Si_15.5B₇Nb₃Cu₁（原子百分比）（产品名称为Vitroperm? VP 800，生产商为Vacuumschmelze）[11]。这些试样的厚度约为21微米，被切割成宽度为2毫米、长度为120毫米的带状。所有测量均使用JHS3-Plus完成，这是一款对原始JHS3焦耳加热结构扫描系统进行升级后的产品，它整合了脉冲电流退火功能以及多种其他测量功能

逐步退火过程中材料性能的变化

图3汇总了使用JHS3-Plus获得的最具代表性的实验结果，展示了淬火后的金属带的主要电学、膨胀、磁学及磁弹性性能随退火温度T_ann的变化情况。图3中的所有曲线均对应同一个试样，且都是在该相同的熱处理流程下测得的。这些性能不仅在退火过程中的高温状态下被测量，也在每次脉冲处理后的室温状态下被测定，从而便于进行直接比较

结论

在本研究中，研究人员选用FINEMET型合金作为基准材料，而非那些具有未知磁性能特性的材料，这样就可以通过已知的相变序列来测试JHS3-Plus方法的性能。实验结果表明，JHS3-Plus确实是一种出色的原位表征工具，它能够利用单个试样和统一的熱处理流程，系统地跟踪熔融纺制金属带的电学、膨胀、磁学及磁弹性响应变化。这一

CRediT作者贡献说明

J.A. Moya：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿编写，项目管理，方法设计，实验研究，资金筹集，数据分析，概念构思。J.M. Silveyra：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿编写，结果可视化，性能验证，实验研究，数据分析，概念构思。

关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者们使用了ChatGPT来提升手稿的可读性及语言表达水平。在使用该工具之后，作者们对内容进行了必要的审阅与修改，并对论文的最终内容承担全部责任。

未引用参考文献

[13]、[31]、[32]

利益冲突声明

作者们声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究部分得到了UCASAL机构在项目编号073/2025项下的资助。J.M.S.还获得了CONICET以及布宜诺斯艾利斯大学（编号UBACyT20020190200001BA）的财政支持，同时也要感谢Vacuumschmelze GmbH & Co. KG公司提供的VITROPERM? 800型金属带。作者们还要感谢Andrea Ure?a教授在利用差示扫描量热法确认JHS3-Plus系统校准精度方面所提供的帮助。