软磁性块体非晶合金的热弛豫

《Solid State Communications》：Thermorelaxation of bulk amorphous alloys with soft magnetic properties

　　

连续热磁循环探测了Fe₇₀Nb₄Mo₁Y₅B₂₀非晶合金的弛豫行为。在居里温度（T_C）以上、晶化起始温度（T_x）以下退火可保持非晶态。趋近饱和分析追踪了磁不均匀性的变化。重复弛豫逐步稳定了软磁响应。每次热磁弛豫循环后矫顽力均下降。

铁基非晶及纳米晶合金（amorphous and nanocrystalline alloys）以其高饱和磁化强度、低矫顽场和低再磁化损耗等优异软磁性能而备受关注。在Fe基合金中添加Nb、Mo、Y等元素可改善非晶形成能力与热稳定性，但也会引入复杂的亚稳磁结构，使材料对热磁弛豫（thermomagnetic relaxation）高度敏感。凝固过程产生的内应力、成分起伏、局部磁各向异性及短程序变化会阻碍畴壁运动，限制软磁性能的发挥。因此，如何在保持非晶态的前提下通过可控热磁循环调控磁性能，成为该领域的关键问题。然而，单一退火处理仅能评估最终状态，无法分辨弛豫过程中磁响应的渐进变化；同时，处理温度与晶化、居里转变的竞争关系也需精确界定。

针对上述问题，研究人员以Fe₇₀Nb₄Mo₁Y₅B₂₀块体非晶合金（bulk amorphous alloy）为对象，设计了三次连续热磁循环（thermomagnetic cycle）实验，系统追踪磁化机制和磁结构稳定性的演化。研究发现，在高于居里温度（T_C）且低于晶化起始温度（T_x）的650 K处理后，材料始终保持非晶态（XRD检测限内），矫顽力由68 A/m逐步降至50 A/m，磁响应逐渐稳定。该工作的意义在于提供了一种通过多循环热磁弛豫识别磁状态收敛阶段的实验协议，为软磁非晶合金的稳定化处理提供了新思路。论文发表在《Solid State Communications》。

主要关键技术方法包括：电弧熔炼制备母合金，铜模挤压成型获得板状样品并机械破碎为粉末（同一粉末样品用于全部循环）；X射线衍射（XRD）确认非晶态；差示扫描量热法（DSC）结合磁天平确定T_C与T_x；振动样品磁强计（VSM）测量室温磁滞回线；基于Kronmüller理论的趋近饱和分析（approach-to-saturation analysis），拟合(μ₀H)^-1/2、(μ₀H)^-1项，评估磁活性不均匀性；Holstein-Primakoff paraprocess拟合提取自旋波刚度参数D_sp。

X射线衍射分析：所有样品状态（初始态及三次循环后）的XRD图谱均仅呈现非晶漫散射峰，无晶相反射峰，证明处理未引起可检测的晶化。研究人员指出，XRD无法排除短程有序或亚临界晶核，但处理确实保持了非晶基体。

DSC与热磁曲线分析：DSC和磁天平测得非晶基体T_C=420 K，并在915 K和958 K观察到晶化相关的铁磁相析出。650 K处理温度恰好落在T_C与T_x之间，确保弛豫发生在顺磁态而不触发晶化。三次连续循环的热磁曲线显示，加热与冷却曲线间的不可逆面积逐次减小，表明弛豫过程逐步收敛。

静态磁滞回线：VSM结果显示，初始态矫顽力为68 A/m，第一次循环后显著下降，第二次和第三次循环后继续小幅降低至50 A/m；饱和磁化强度在0.84~0.90 T之间波动（第一次循环后修正为0.90 T）。矫顽力下降与磁弹性应力弛豫、畴壁钉扎中心减少一致；循环间变化逐渐减小表明磁结构趋近准静态稳定。

连续热磁循环：三次热磁曲线均呈铁基非晶典型特征。第一次循环后加热与冷却曲线差异最大，第二次差异缩小，第三次加热与冷却曲线几乎重合，进一步说明第三次循环后结构弛豫已趋于完成。

趋近饱和分析：Kronmüller模型拟合显示，初始态同时存在(μ₀H)^-1/2和(μ₀H)^-1贡献；第一次循环后(μ₀H)^-1项相对增强；第二次循环后两种贡献重新出现；第三次循环后拟合参数与场区间与第二次相近。该序列被解释为弛豫过程中磁活性不均匀性相对贡献的演化，而非缺陷的实际聚集/分解，其趋势与矫顽力降低一致。

自旋波刚度参数：通过(μ₀H)^1/2项拟合得到D_sp，最低值出现在第一次循环后，随后两次循环D_sp稳定在约42×10^-2 meV·nm²，表明有效铁磁交换相关性在第二次循环后达到较稳定水平。

讨论：研究人员强调，所有观察到的磁性能变化均发生在XRD不可检测晶化的非晶态中，因此可归因于热激活结构弛豫与磁弹性应力释放。但实验未设置无磁场热循环对照，无法分离外磁场与纯热弛豫的贡献；同时，自由体积、局域原子重排等微观机制未直接测量，相关解释均基于磁响应的间接证据。研究结论可翻译为：对于通过铜模挤压制备的Fe₇₀Nb₄Mo₁Y₅B₂₀块体非晶合金，研究人员进行了三次热磁处理，即从室温加热至650 K并保温10分钟，该温度高于居里温度且低于晶化起始温度。热磁处理未产生XRD可检测的晶化反射峰。随循环次数增加，磁响应向更稳定状态演化，最一致的变化是矫顽力逐渐下降，并实现了矫顽力降低、a₁