肖 悅，沈 智，何雪龍

(南昌工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南昌 330099)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，磁性材料已經(jīng)與人們的生活密不可分，在航天航空、儀器儀表、變壓器、發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。其中，軟磁材料是具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料，其具有低的磁滯損耗和矯頑力、高的磁導(dǎo)率，且磁滯回線呈現(xiàn)出細(xì)小狹長(zhǎng)的特點(diǎn)[4-10]。雖然軟磁材料具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但也存在飽和磁通密度低、磁導(dǎo)率低和負(fù)載損耗較大等缺陷[11-12]。研究者們通過(guò)調(diào)整合金的比例制備出晶態(tài)合金軟磁材料，其具有價(jià)格便宜、磁滯損耗低且磁性能優(yōu)異的特點(diǎn)，因而成為工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種磁性材料[13-17]。機(jī)械合金化(MA)是通過(guò)球磨機(jī)或研磨機(jī)使材料的組元在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)合金化的材料制備技術(shù)，其特點(diǎn)是制作成本低、工藝簡(jiǎn)單且產(chǎn)品晶粒尺寸較小，目前機(jī)械合金化這一方法也逐漸被應(yīng)用于制備軟磁材料中[18-20]。唐翠勇等采用機(jī)械合金化方法制備了Fe94-xZr2Nb4Bx(x=10,15,20)納米晶合金粉末，研究了不同含量的類金屬元素B和不同球磨時(shí)間對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，結(jié)果表明，隨著元素B含量的添加，合金粉末的飽和磁化強(qiáng)度(Ms)由161.70 Am2/kg(x=10)下降至152.74 Am2/kg (x=20)，球磨時(shí)間對(duì)Fe84Zr2Nb4B10合金粉末的磁性能影響明顯，其飽和磁化強(qiáng)度隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，矯頑力(Hc)則先增大后減小，在650 K溫度下退火1 h后，F(xiàn)e84Zr2Nb4B10合金粉末的矯頑力降低為934.50 A/m，飽和磁化強(qiáng)度為163.75 Am2/kg[21]。武建等研究了機(jī)械合金化法制備Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9非晶先驅(qū)體的可行性，測(cè)試了不同球磨參數(shù)對(duì)Fe73.5-Cu1Nb3Si13.5B9球磨產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速、球磨時(shí)間、球磨方式、球料比和原料對(duì)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的影響，高轉(zhuǎn)速、連續(xù)球磨更有利于生成Fe73.5-Cu1Nb3Si13.5B9非晶相，使用Fe-Nb粉和Fe-B粉分別代替Nb粉和B粉不利于非晶相的生成，延長(zhǎng)球磨時(shí)間不一定對(duì)非晶化有利，還有可能引入雜質(zhì)，而大的球料比更有利于非晶相的生成[22]。本文采用機(jī)械合金化方法在不同球磨時(shí)間和熱處理溫度下制備了納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌和磁性能進(jìn)行分析，力求得到最優(yōu)性能的納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

Fe粉 ：純度>99.8%，原始粒度80目；電解Ni粉：純度>99.95%，原始粒度100目；無(wú)水乙醇：純度>99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；環(huán)氧樹脂(CAS：61788-97-4)：固體含量為99%，粘度為0，江蘇潤(rùn)豐合成科技有限公司；丙酮：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 樣品制備

機(jī)械合金化方法制備Fe-5%Ni納米晶粉末∶按照100∶5的計(jì)量比稱取Fe粉和Ni粉，加入到不銹鋼球磨罐中，使用行星式高能球磨機(jī)進(jìn)行高能球磨，期間加入3%的酒精防止粉末氧化，球磨氣氛為氬氣，固定球磨轉(zhuǎn)速為300 r/min，球磨時(shí)間為20，30，40和50 h。

Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的制備：首先，稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的環(huán)氧樹脂溶解在丙酮溶液中，混合攪拌30 min；其次，將上述粉末加入到溶液中，均勻混合攪拌直至已經(jīng)徹底蒸發(fā)；然后，轉(zhuǎn)移至環(huán)形模具中，模具內(nèi)外徑分別為5和20 mm，在壓力400 MPa下壓實(shí)成型；最后，在不同退火溫度下(550，600，650和700 ℃)退火3 h即得納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1為納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的XRD圖，圖1(a)-(d)分別球磨時(shí)間20，30，40和50 h的樣品。從圖1可以看出，納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料主要以體心立方(bcc)和面心立方(fcc)的結(jié)構(gòu)為主。在44.51，51.83和76.29°處出現(xiàn)了明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)(111)、(200)和(220)的衍射峰，說(shuō)明存在FeNi3相。對(duì)比4種樣品發(fā)現(xiàn)，球磨時(shí)間為30，40和50 h的樣品在(111)的衍射峰的強(qiáng)度相比磨時(shí)間20 h的樣品稍有增加，說(shuō)明軟磁復(fù)合材料沿著體心立方的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)有所增加。由圖1(c)可知，當(dāng)球磨時(shí)間為40 h時(shí)，樣品的衍射峰強(qiáng)度最高，且半高寬最低，可見在該條件下制備的Fe-5%Ni納米晶粉末的晶化程度最好。

圖1 納米晶Fe-5wt%Ni軟磁復(fù)合材料的XRD圖Fig 1 XRD patterns of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

2.2 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的SEM分析

圖2為納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的SEM圖。從圖2可以看出，隨著退火溫度的升高，軟磁復(fù)合材料的尺寸逐漸增大，所有樣品的尺寸基本都分布在40～90 μm之間，表面呈現(xiàn)出片層狀結(jié)構(gòu)。從圖2(a)可以看出，在550 ℃下退火的軟磁復(fù)合材料樣品的尺寸較為均勻，分布較為緊密，平均尺寸約為40 μm。對(duì)比圖2(b)和(a)可以看出，在600 ℃下退火的樣品尺寸明顯增大，且大小分布不均，平均尺寸約為60 μm。從圖2(c)可以看出，在650 ℃下退火的樣品尺寸繼續(xù)增大，但大小分布逐漸趨于均勻，此時(shí)樣品的形貌最佳。從圖2(d)可以看出，在700 ℃下退火的樣品尺寸差距較大，范圍在40～90 μm之間，且彼此較為分散，有小范圍的團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖2 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的SEM圖Fig 2 SEM images of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

2.3 磁性能分析

通過(guò)軟磁交流測(cè)試裝置對(duì)上述納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料樣品的磁性能進(jìn)行分析測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。圖3為不同退火溫度下納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的磁滯回線。從圖3可以看出，4種不同退火溫度下軟磁復(fù)合材料的磁滯回線都較為狹窄細(xì)長(zhǎng)，說(shuō)明樣品的飽和磁化強(qiáng)度Ms都比較高，矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Br都較小，所有樣品均具有軟磁材料的特點(diǎn)。對(duì)樣品的飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)分析，結(jié)果如圖4～6所示。

圖3 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的磁滯回線Fig 3 Hysteresis loop of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

圖4為不同退火溫度處理后的納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度。從圖4可以明顯看出，隨著退火溫度的升高，軟磁復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到了最大值33.1 Am2/kg。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致軟磁材料中內(nèi)部缺陷減少，且局部應(yīng)力得到了釋放，使得磁疇壁的遷移阻力變小，從而磁化強(qiáng)度得以提高；但當(dāng)溫度再升高時(shí)，磁化強(qiáng)度出現(xiàn)了降低，這是因?yàn)檐洿艔?fù)合材料中存在的雜質(zhì)會(huì)隨著退火溫度的升高而生長(zhǎng)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，晶粒局部發(fā)生了團(tuán)聚，從而導(dǎo)致了磁性變差。

圖4 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度Fig 4 Saturation magnetization of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

圖5為納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度。從圖5可以看出，隨著退火溫度的升高，納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低后略微升高再降低的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度為550 ℃時(shí)，軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度最高為1.13 Am2/kg；當(dāng)退火溫度為600 ℃時(shí)，軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度最低為0.76 Am2/kg；當(dāng)退火溫度為650和700 ℃時(shí)，軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度有輕微的升高再降低。

圖5 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的剩余磁化強(qiáng)度Fig 5 Residual magnetization of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

圖6為納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的矯頑力變化曲線。從圖6可以看出，隨著退火溫度的升高，軟磁復(fù)合材料的矯頑力呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，軟磁復(fù)合材料的矯頑力最低為25.58 Am2/kg。對(duì)于軟磁材料來(lái)說(shuō)，疇壁位移的困難程度與材料的磁導(dǎo)率、矯頑力和磁化強(qiáng)度等有著密不可分的關(guān)系，材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力、摻雜、氣孔、缺陷等會(huì)對(duì)疇壁的位移產(chǎn)生“釘扎作用”，從而阻礙疇壁位移。對(duì)于納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料而言，在一定范圍內(nèi)退火溫度的升高導(dǎo)致軟磁復(fù)合材料中的局部缺陷和應(yīng)力減小，結(jié)構(gòu)均勻性提高，從而改善了軟磁復(fù)合材料的磁性能，這也與SEM分析結(jié)果相吻合。

圖6 納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的矯頑力Fig 6 Coercivity of nanocrystalline Fe-5 wt% Ni soft magnetic composites

3 結(jié) 論

(1)XRD分析可知，納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料主要以體心立方(bcc)和面心立方(fcc)的結(jié)構(gòu)為主，在一定范圍內(nèi)球磨時(shí)間的加長(zhǎng)導(dǎo)致(111)的衍射峰的強(qiáng)度有增加，使得軟磁復(fù)合材料沿著體心立方的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)有所增加，當(dāng)球磨時(shí)間為40 h時(shí)，F(xiàn)e-5%Ni納米晶粉末的晶化程度最好。

(2)SEM分析表明，隨著退火溫度的升高，樣品的尺寸逐漸增大，基本都分布在40～90 μm之間，表面呈現(xiàn)出片層狀結(jié)構(gòu)。在650 ℃下退火的樣品尺寸大小分布較為均勻，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)，形貌最佳。而700 ℃下退火的樣品尺寸差距較大，且彼此較為分散，有小范圍的團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)。

(3)磁性能分析發(fā)現(xiàn)，在4種不同退火溫度下，樣品的磁滯回線都較為狹窄細(xì)長(zhǎng)，飽和磁化強(qiáng)度都比較高，矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度都較小，所有樣品均具有軟磁材料的特點(diǎn)。隨著退火溫度的升高，樣品的飽和磁化強(qiáng)度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到了最大值33.1 Am2/kg。隨著退火溫度的升高，樣品的剩余磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)出先降低后略微升高再降低的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度為600 ℃時(shí)，樣品的剩余磁化強(qiáng)度最低為0.76 Am2/kg。隨著退火溫度的升高，樣品的矯頑力呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢(shì)。當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，樣品的矯頑力最低為25.58 Am2/kg。綜合來(lái)看，球磨時(shí)間40 h，650℃下退火下制備的納米晶Fe-5%Ni軟磁復(fù)合材料的各項(xiàng)性能最佳。