稀土鑭改性Fe78Si9B13非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)

蔣達(dá)國，葉媛秀，楊操兵

（1.井岡山大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，吉安 343009；2.南昌大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330031）

0 引 言

Mohri等［1］和Panina等［2］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直徑為15～120μm的鈷鐵硅硼合金非晶絲通以高頻電流時(shí)，絲兩端感生的電壓幅值隨外磁場變化而發(fā)生非常靈敏的變化，他們把這一現(xiàn)象稱為“巨磁感應(yīng)效應(yīng)”。Machado等［3］采用頻率較高的交流信號(hào)通過同樣成分鈷基合金非晶絲時(shí)，發(fā)現(xiàn)絲兩端的電阻隨外磁場也發(fā)生顯著的變化，他們稱之為“交流巨磁阻效應(yīng)”。1994年，Panina［4］、Velazquez［5］和 Beach［6］等在研究“巨磁感應(yīng)效應(yīng)”和“交流巨磁阻效應(yīng)”機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者實(shí)質(zhì)上是交流阻抗Z的損耗部分（即實(shí)部R）和電感部分（即虛部X）在不同交變頻率下隨外加磁場變化的結(jié)果，它們具有共同的經(jīng)典電磁學(xué)起源。電流流過軟磁合金時(shí)的磁感應(yīng)效應(yīng)由電阻變化和電感變化共同引起，在高頻時(shí)磁感應(yīng)效應(yīng)較大；而電流不流過軟磁合金時(shí)的磁感應(yīng)效應(yīng)僅由電感部分的變化所引起，在低頻時(shí)就可獲得較大的磁感應(yīng)效應(yīng)［7］。作為磁敏傳感器的傳感電路，在低頻時(shí)電路的實(shí)現(xiàn)比高頻要容易。

Fe78Si9B13非晶態(tài)合金具有高的起始磁導(dǎo)率、低的矯頑力、高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和低損耗等特性，已在各類電力器件、電子變壓器、磁傳感器等軟磁器件中獲得成功應(yīng)用。軟磁非晶態(tài)合金的化學(xué)成分主要有產(chǎn)生磁性的鐵磁性金屬元素鐵、鈷、鎳和形成非晶態(tài)的類金屬元素硅、硼、磷、碳等。為了提高非晶態(tài)合金的非晶形成能力和穩(wěn)定性，通常在其中添加少量的過渡族元素或稀土元素。目前，已有些關(guān)于稀土鑭改性鐵基非晶帶材組織結(jié)構(gòu)、軟磁性能和壓磁性能研究的報(bào)道［8－10］，但未見稀土鑭改性鐵基非晶帶材磁感應(yīng)效應(yīng)研究的報(bào)道。為此，作者以典型的Fe78Si9B13非晶合金為研究對(duì)象，利用稀土鑭元素?fù)诫s非晶合金制備非晶薄帶，研究了稀土元素含量和退火溫度對(duì)非晶薄帶磁感應(yīng)效應(yīng)和磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

將100g的 Fe78Si9B13合金分別和0.2，0.6，1.0，1.4g 純稀土鑭 （純度為 99.95%）加入到ZGSL-2.5型真空感應(yīng)熔煉爐中熔融，然后經(jīng)單輥噴帶機(jī)噴出，急冷得到寬4.5mm、厚約25μm的非晶薄帶，并分別以試樣A1，A2，A3，A4表示。退火采用管式氣氛電阻爐，氬氣保護(hù)，退火溫度為200～550℃，退火時(shí)間為1h。

試驗(yàn)線圈有兩種：一種是勵(lì)磁線圈，一種是感應(yīng)線圈，均用直徑為0.31mm的銅漆包線繞制。先將200匝勵(lì)磁線圈分層均勻繞在塑料空心管上，再將200匝感應(yīng)線圈分層均勻繞在勵(lì)磁線圈上。塑料空心管的截面為矩形。截面內(nèi)壁長7.76mm、寬2.15mm，截面外壁長8.23mm、寬3.05mm，塑料空心管長4cm。

磁感應(yīng)效應(yīng)由感應(yīng)線圈兩端輸出電壓的峰－峰值Vp－p（等于感應(yīng)線圈兩端自感電動(dòng)勢幅值Em的兩倍）表征，磁感應(yīng)效應(yīng)的變化幅度ΔVp－p為

式中：Vp－p（0）為未加磁場時(shí)感應(yīng)線圈輸出電壓的峰－峰值；Vp－p（H）為施加軸向磁場后感應(yīng)線圈輸出電壓的峰－峰值。

磁感應(yīng)效應(yīng)的測試方法如圖1所示，首先將4cm長的非晶薄帶平放在線圈骨架中間，再將線圈平放在磁場描繪試驗(yàn)儀中央，并使線圈的軸向平行于磁場方向。

圖1 磁感應(yīng)效應(yīng)測試原理示意Fig.1 Schematic of testing principle of magnetic induction effect

勵(lì)磁電壓為三角交流電壓，接入勵(lì)磁線圈兩端，峰-峰值為5V，頻率為10～50kHz，由TFG2030V DDS型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)生；磁場由YJ-CM-III型磁場描繪試驗(yàn)儀產(chǎn)生，磁場強(qiáng)度H為0～2 712A·m－1；感應(yīng)線圈輸出電壓用TDS3052B型數(shù)字式熒光示波器顯示；采用德國的Bruker D-8型X射線衍射分析儀進(jìn)行物相分析（40kV，40mA，銅靶Kα輻射，石墨單色器，步長為0.02°，2θ范圍為10°～90°）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 非晶薄帶的XRD譜

從圖2（a）可見，熱處理前4種成分非晶薄帶試樣中均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的晶化峰，只是在2θ為45°附近存在一個(gè)寬化的漫散峰；隨著稀土鑭含量的增加，漫散峰的強(qiáng)度增強(qiáng)、寬度變窄。這說明稀土鑭改性后Fe78Si9B13合金薄帶仍然為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，適量地?fù)诫s稀土鑭，可以提高薄帶的非晶形成能力，但過多摻雜稀土鑭，會(huì)導(dǎo)致薄帶的非晶形成能力下降。

從圖2（b）可看出，隨著退火溫度的升高，A2試樣的衍射峰逐漸增強(qiáng)，峰寬逐漸變窄；當(dāng)退火溫度達(dá)到550℃時(shí)，開始出現(xiàn)明顯尖銳的衍射峰，這說明非晶薄帶已經(jīng)發(fā)生了晶化，經(jīng)PDF卡片對(duì)照證實(shí)，此時(shí)物相為Fe0.9Si0.1（BCC）以及少量的Fe3Si（BCC）。

2.2 非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)

由圖3可知，當(dāng)磁場強(qiáng)度不變時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)隨著交流電頻率的升高而增強(qiáng)，當(dāng)交流電頻率不變時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而減弱；當(dāng)磁場強(qiáng)度不變，交流電頻率低于40kHz時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著頻率的升高而增大，當(dāng)交流電頻率高于40kHz時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著頻率的升高而減小，當(dāng)交流電頻率不變時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大［11－12］。

2.3 稀土鑭含量對(duì)磁感應(yīng)效應(yīng)的影響

圖2 不同狀態(tài)非晶薄帶試樣的XRD譜Fig.2 XRD patterns of amorphous ribbon specimens at different states：（a）before annealing and（b）A2specimen after annealing

圖3 不同頻率下A3試樣的磁感應(yīng)效應(yīng)曲線Fig.3 Magnetic induction effect curves of A3 specimen at different frequencies

圖4 頻率為40kHz時(shí)稀土鑭含量對(duì)試樣磁感應(yīng)效應(yīng)的影響Fig.4 The influence of rare earth content on the magnetic induction effect in the frequency of 40kHz

由圖4可知，當(dāng)磁場強(qiáng)度小于1 356A·m－1時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)隨著稀土鑭含量的增大呈先增大后減小的趨勢，試樣A3（稀土鑭質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.6%）的最大；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于1 356A·m－1時(shí)，稀土鑭含量對(duì)磁感應(yīng)效應(yīng)的影響不大。磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著稀土元素含量的增大呈先增大后減小的趨勢，試樣A3的最大。

因?yàn)椋⊥凌|改性非晶薄帶使兩個(gè)晶化峰溫度間隔ΔTp增大，有利于納米晶Fe3Si單相的析出，從而提高了軟磁性能。雖然稀土鑭具有產(chǎn)生磁性的4f空軌道電子結(jié)構(gòu)，但是其居里溫度非常低，在室溫下其磁性并不是很強(qiáng)。因此，過量的稀土鑭將會(huì)導(dǎo)致薄帶的居里溫度降低，從而降低了在室溫下的軟磁性能。

2.4 退火溫度對(duì)磁感應(yīng)效應(yīng)的影響

從圖5可以看出，非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，退火溫度為300℃時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度最大。試驗(yàn)條件下，退火前A2試樣的磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度為2.61V，經(jīng)300℃×1h退火后的磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度可達(dá)2.91V。

圖5 40kHz頻率時(shí)退火溫度對(duì)A2試樣磁感應(yīng)效應(yīng)的影響Fig.5 Influence of annealing temperature on the magnetic induction effect of A2specimen in the frequency of 40kHz

非晶合金在制備過程由于急冷而使合金內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力，這種殘余內(nèi)應(yīng)力的存在增加了合金的矯頑力，影響合金的磁疇發(fā)生磁化過程，即阻礙非晶合金內(nèi)的磁疇位移和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)等過程，從而降低非晶合金的軟磁性能。而退火可以增強(qiáng)鐵磁材料的磁各向異性，部分釋放非晶薄帶內(nèi)的殘余應(yīng)力，使非晶薄帶的軟磁性能得到改善，從而提高非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)，且隨著退火溫度的升高，非晶薄帶內(nèi)的殘余應(yīng)力消除得更徹底，當(dāng)退火溫度升高到400℃時(shí)，薄帶已開始晶化，而當(dāng)退火溫度升高到550℃，薄帶已完全晶化［13］。

3 結(jié) 論

（1）微量鑭的摻入可提高Fe78Si9B13非晶薄帶的非晶形成能力，同時(shí)還延緩了薄帶中晶相的析出，增強(qiáng)了非晶薄帶的熱穩(wěn)定性。

（2）稀土鑭改性非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)在磁場強(qiáng)度小于1 356A·m－1時(shí)，隨稀土元素含量的增加呈先增后降的變化趨勢；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于1 356A·m－1時(shí)，稀土元素的影響不大；磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著稀土元素含量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，以稀土鑭質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.6%時(shí)的最大。

（3）退火后非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)退火溫度為300℃，退火時(shí)間為1h時(shí)，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度最大。

［1］MOHRI K，KOHZAWA T，KAWASHIMA K，et al.Magnetor induced effect in amorphous wires［J］.IEEE Trans Magn，1992，28：3150-3152.

［2］PANINA L V，MOHRI K.Magneto-Impedance effect in amorphous wires［J］.Appl Phys Lett，1994，65：1189-1191.

［3］MACHADO F L A，MARTINS C S，REZENDE S M.Giant magnetoimpedance in the ferromagnet Co70－xFexSi15B10alloys［J］.Phys Rev：B，1995，51：3926-3929.

［4］PANINA L V，MOHRI K.Mechanism of the magneto impedance effect in negative magnetostrictive amorphous wires［J］.J Magn Soc Jap，1994，18：245-24.

［5］VELAZQUEZ J，VAZQUEZ M，CHEN D X，et al.Giantmagnetoimpedance in nonmagnetostrictive amorphous wires［J］.Phys Rev：B，1994，50：16737-16740.

［6］BEACH R S，BERKOWITZ A E.Sensitive field and frequency dependent impedance spectra of amorphous FeCoSiB wire and ribbon［J］.J Appl Phys，1994，76：6209-6213.

［7］蔣達(dá)國，朱正吼，宋暉，等.Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶薄帶磁電感效應(yīng)的影響因素［J］.機(jī)械工程材料，2009，33（4）：29-32.

［8］蔣達(dá)國，朱正吼，宋暉，等.稀土改性非晶帶材的制備與軟磁性能研究［J］.熱加工工藝，2006，35（24）：4-7.

［9］徐雪嬌，朱正吼，毛雨宸，楊操兵.稀土La改性鐵基非晶帶材組織結(jié)構(gòu)與軟磁性能研究［J］.功能材料，2011，42（2）：294-297.

［10］楊操兵，朱正吼，劉志賓，等.微量稀土La摻雜對(duì)FeCuNbSiB非晶帶材壓磁性能的影響［J］.功能材料，2010，41（7）：1247-1249.

［11］蔣達(dá)國，黃堅(jiān)革.Fe78Si9B13非晶薄帶的巨磁阻抗效應(yīng)［J］.機(jī)械工程材料，2011，35（1）：43-45

［12］蔣達(dá)國，朱正吼，劉宇安，等.鐵基非晶薄帶磁感應(yīng)效應(yīng)［J］.功能材料，2009，40（9）：745-747.

［13］蔣達(dá)國，余曉光，朱正吼，等.退火工藝對(duì)FeSiB非晶薄帶壓應(yīng)力阻抗效應(yīng)的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37（3）：440-443.