蔣達國，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)，當直徑為15～120μm的鈷鐵硅硼合金非晶絲通以高頻電流時，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通過同樣成分鈷基合金非晶絲時，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)”機理時發(fā)現(xiàn)，二者實質(zhì)上是交流阻抗Z的損耗部分（即實部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，在高頻時磁感應(yīng)效應(yīng)較大；而電流不流過軟磁合金時的磁感應(yīng)效應(yīng)僅由電感部分的變化所引起，在低頻時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，在低頻時電路的實現(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)研究的報道。為此，作者以典型的Fe78Si9B13非晶合金為研究對象，利用稀土鑭元素摻雜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，退火溫度為200～550℃，退火時間為1h。

試驗線圈有兩種：一種是勵磁線圈，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

勵磁電壓為三角交流電壓，接入勵磁線圈兩端，峰-峰值為5V，頻率為10～50kHz，由TFG2030V DDS型函數(shù)信號發(fā)生器發(fā)生；磁場由YJ-CM-III型磁場描繪試驗儀產(chǎn)生，磁場強度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°附近存在一個寬化的漫散峰；隨著稀土鑭含量的增加，漫散峰的強度增強、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)，適量地摻雜稀土鑭，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，峰寬逐漸變窄；當退火溫度達到550℃時，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卡片對照證實，此時物相為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，當磁場強度不變時，磁感應(yīng)效應(yīng)隨著交流電頻率的升高而增強，當交流電頻率不變時，磁感應(yīng)效應(yīng)隨著磁場強度的增強而減弱；當磁場強度不變，交流電頻率低于40kHz時，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著頻率的升高而增大，當交流電頻率高于40kHz時，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著頻率的升高而減小，當交流電頻率不變時，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度隨著磁場強度的增強而增大［11－12］。

2.3 稀土鑭含量對磁感應(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時稀土鑭含量對試樣磁感應(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，當磁場強度小于1 356A·m－1時，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)量分數(shù)約為0.6%）的最大；當磁場強度大于1 356A·m－1時，稀土鑭含量對磁感應(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。

因為，稀土鑭改性非晶薄帶使兩個晶化峰溫度間隔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。因此，過量的稀土鑭將會導(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，磁感應(yīng)效應(yīng)變化幅度最大。試驗條件下，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2.91V。

圖5 40kHz頻率時退火溫度對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)動等過程，從而降低非晶合金的軟磁性能。而退火可以增強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，當退火溫度升高到400℃時，薄帶已開始晶化，而當退火溫度升高到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，同時還延緩了薄帶中晶相的析出，增強了非晶薄帶的熱穩(wěn)定性。

（2）稀土鑭改性非晶薄帶的磁感應(yīng)效應(yīng)在磁場強度小于1 356A·m－1時，隨稀土元素含量的增加呈先增后降的變化趨勢；當磁場強度大于1 356A·m－1時，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)量分數(shù)約為0.6%時的最大。

（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，當退火溫度為300℃，退火時間為1h時，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］.機械工程材料，2009，33（4）：29-32.

［8］蔣達國，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］蔣達國，黃堅革.Fe78Si9B13非晶薄帶的巨磁阻抗效應(yīng)［J］.機械工程材料，2011，35（1）：43-45

［12］蔣達國，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］蔣達國，余曉光，朱正吼，等.退火工藝對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.