《鐵基軟磁非晶/納米晶合金研究進展及應(yīng)用前景 》一文回顧了軟磁非晶合金的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展歷程，介紹了相關(guān)基礎(chǔ)研究成果和工藝技術(shù)進步對鐵基軟磁非晶/納米晶合金研發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用的重要貢獻，指出了目前鐵基軟磁非晶合金研發(fā)與應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。上述工作的通信作者為清華大學材料學院的姚可夫教授。

一、Fe基軟磁非晶合金的問世

       1960年，Gubanov通過理論研究認為電子的能帶結(jié)構(gòu)主要由原子短程序決定，即鐵磁性是由相鄰原子的交換耦合作用產(chǎn)生，由此預(yù)測Fe基非晶合金具有鐵磁性。這為鐵基非晶合金可能具有鐵磁性提供了理論基礎(chǔ)。

       1967年，Duwez等又用急冷方法制備出了Fe80P12.5C7.5非晶合金。通過磁學性能測試，證實了鐵基非晶合金具有宏觀磁性，盡管矯頑力稍大，但該鐵基非晶合金仍為典型的軟磁非晶合金材料。這個結(jié)果不僅從實驗上證實了Gubanov的理論分析結(jié)果，也吸引了很多研究人員投入到Fe基軟磁非晶合金材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究中。

二、鐵基軟磁非晶合金發(fā)展歷程

       合金熔體旋淬技術(shù)的出現(xiàn)為鐵基非晶合金的發(fā)展帶來了機遇，引發(fā)了Fe基非晶合金材料基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的第一個熱潮，并使Fe基軟磁非晶合金研究得到了快速發(fā)展。

       20世紀70年代，基于合金熔體旋淬技術(shù)，研究人員研發(fā)出了很多新型Fe基軟磁非晶合金材料，發(fā)現(xiàn)它們多具有較好的軟磁性能。另一重要發(fā)現(xiàn)是軟磁非晶合金制備過程中引入的內(nèi)應(yīng)力會顯著增大其矯頑力，通過消除制備過程中產(chǎn)生的成分結(jié)構(gòu)不均勻性和內(nèi)應(yīng)力, 可以顯著降低軟磁非晶合金的矯頑力， 降低矯頑力可降低軟磁非晶合金的磁滯損耗。研究表明，鐵基軟磁非晶合金具有優(yōu)異的軟磁性能源于其原子呈長程無序排列的結(jié)構(gòu)特征，而成分、結(jié)構(gòu)的均勻性及內(nèi)應(yīng)力等因素均對非晶合金軟磁性能有重要影響，這些研究成果為Fe基軟磁非晶合金的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

       1979年聯(lián)信(Allied Signal)公司開發(fā)出可以生產(chǎn)較寬帶材的平面流鑄造技術(shù)， 并于1982年建成帶材連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)，軟磁非晶合金進入了產(chǎn)業(yè)化和商品化時代。1984年，美國四個變壓器廠家在IEEE會議上展示了用非晶制造鐵芯的實用非晶配電變壓器，從而將鐵基軟磁非晶合金的應(yīng)用研發(fā)推向高潮。

       1988年, Yoshizawa等在FeSiB合金中添加少量Cu和Nb，開發(fā)出了Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1非晶合金， 該合金被注冊為FINEMET, 而后又開發(fā)出了FINEMET系列非晶納米晶合金。FINEMET合金兼?zhèn)淞髓F基非晶合金的高磁感強度和鈷基非晶合金的高磁導率、低損耗，并且成本低廉。鐵基軟磁納米晶合金的發(fā)明是軟磁非晶合金材料的一個突破性進展，將鐵基非晶態(tài)合金研發(fā)又推向了一個新高潮—即開啟了軟磁非晶/納米晶合金研究與應(yīng)用的第二個熱潮。

       在FINEMET軟磁納米晶合金問世后，日立金屬公司很快便實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。1992年，德國VAC公司開始推出納米晶合金替代鈷基非晶合金，尤其在網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備上，大量采用納米晶磁芯制作接口變壓器和數(shù)字濾波器件。1998年, Suzuki等開發(fā)了高鐵含量的FeZrB非晶納米晶雙相合金體系，并注冊為NANOPERM合金。2006年，Ogawa等發(fā)明了一種商品名為HB1的鐵基非晶合金；2009年，Makino等開發(fā)出了Fe-Si-B-P-Cu體系，該鐵基軟磁非晶/納米晶合金體系被注冊為NANOMET；HB1和NANOMET的出現(xiàn)極大地鼓勵了研究人員，引起了鐵基軟磁非晶合金的第三次研究熱潮，即導致了高Bs鐵基軟磁非晶/納米晶合金的研究熱潮。

       目前，已在工程中大量應(yīng)用的非晶合金仍然是用于制造變電變壓器鐵芯的FeSiB鐵基軟磁非晶合金，在我國的牌號是1K101, 對應(yīng)的國外牌號是METGLAS 2605SA1合金。

       我國鐵基軟磁非晶合金研發(fā)與應(yīng)用研究始于1976年，走了一條獨立自主的道路。2016年，中國非晶帶材產(chǎn)能約14萬噸，實際產(chǎn)量約11.3萬噸，首次超過10萬噸，安泰、云路等企業(yè)實際產(chǎn)量均達到或接近3萬噸。我國已成為國際鐵基軟磁非晶/納米晶合金帶材生產(chǎn)和相關(guān)產(chǎn)品制造大國。

       目前， 我國正在針對市場需求，開發(fā)專用軟磁非晶/納米晶合金材料，進一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域。同時，還瞄準高頻高效節(jié)能電機等高端產(chǎn)品，開發(fā)高性能軟磁非晶/納米晶合金材料和相關(guān)產(chǎn)品加工制造核心技術(shù)，滿足市場和高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的需求。

三、鐵磁非晶/納米晶合金面臨的挑戰(zhàn)和研發(fā)方向

       雖然鐵基軟磁非晶/納米晶合金具有矯頑力低、有效磁導率高、鐵損低等優(yōu)點，與傳統(tǒng)軟磁材料相比，在眾多應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢，但仍存在很多挑戰(zhàn)。

       目前鐵基軟磁非晶/納米晶合金研發(fā)和應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)及研發(fā)方向有以下幾個方面：

（1）非晶合金的脆性問題

       鐵基軟磁非晶合金、特別是納米晶合金存在延性低、脆性大的問題，需要深入研究影響其延性的因素，探索提升延性的方法，保證使用安全。

（2）飽和磁感強度Bs仍偏低，綜合磁學性能仍有待進一步提升

       需要進一步研究新工藝或工藝性更好的合金，使合金具有高飽和磁感強度、低的矯頑力和高的磁導率，即獲得具有優(yōu)異綜合軟磁性能的鐵基軟磁非晶合金或非晶/納米晶合金。

（3）缺乏高效的非晶合金加工技術(shù)

       非晶合金/納米晶合金因硬度高、較脆, 加工較困難，加工效率不高。需要深入研究影響軟磁非晶/納米晶合金加工性能的因素, 探索提高加工效率和保證加工質(zhì)量的技術(shù)方法。

（4）開發(fā)滿足不同需求的軟磁非晶/納米晶合金體系

       不同工業(yè)產(chǎn)品對軟磁非晶合金磁學性能的要求存在很大差異，需要針對不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同產(chǎn)品，開發(fā)滿足不同產(chǎn)品需要的多種軟磁非晶/納米晶合金體系。

來源：物理學報 第67卷 第1期  2018年1月 姚可夫、施凌翔、陳雙琴、邵洋、陳娜、賈薊麗《鐵基軟磁非晶/納米晶合金研究進展及應(yīng)用前景》