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鐵基非晶合金是目前已經得到大規模應用的非晶合金之一。由于其獨特的無序結構，表現出極其優異的軟磁性能，如低矯頑力、低損耗等特點，廣泛應用于各類電力電子的磁性器件中，具有顯著的節能環保優勢。對這類非晶合金進行合適的熱處理，可在非晶基體上析出細小、均勻的納米晶體，從而得到納米晶軟磁合金，可使其性能進一步提高。現代電子電力設備逐漸向小型化、高效化和節能化發展，這要求軟磁合金材料具有高飽和磁感應強度（Bs，有利于小型化）和低矯頑力（Hc，有利于低損耗）。然而，和常用的硅鋼材料相比，非晶/納米晶合金雖然矯頑力較小，但Bs值較低（目前商用的材料一般在1.7 T以下）。在過去的幾十年中，為了提高軟磁非晶/納米晶合金的Bs值，各國研究者已做了大量努力。在合金中增加鐵磁性元素含量的設計策略是其中最有效，也是最廣泛使用的方法。一些含有少量類金屬元素和超高鐵磁性元素含量的Fe-(BSiPC)和Fe-(BSiPC)-Cu等合金體系也相繼被開發出來。但是，鐵磁性元素含量的增加會導致其合金非晶形成能力迅速下降，使納米晶形核長大過程難以控制，在隨后的熱處理過程中很難獲得低Hc。這導致目前非晶/納米晶合金的Bs和Hc之間通常存在互斥關系。如何同時獲得高Bs和低Hc成為當前軟磁非晶合金研究中的一個重要挑戰，對其在高功率密度場景中的應用也至關重要。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心與松山湖材料實驗室聯合培養博士生李雪松、博士后周靖等人在孫保安副研究員、白海洋研究員和汪衛華研究員指導下，通過全新成分設計思路，成功開發出了一種結構介于傳統非晶合金和納米晶合金之間的新型軟磁合金材料，表現出超高的Bs（高達1.94 T） 和低至4.3 A/m的Hc，突破了鐵基非晶納米晶合金體系中Bs和Hc之間的互斥關系。

不同于以往通過提高鐵磁性元素含量的成分設計方法，這里通過添加適量Co元素以提高其交換耦合作用，并微合金化Cu、V等元素來平衡非晶形成能力、軟磁性能和形核長大之間的相互關系（圖1），通過適量實驗驗證，設計了成分為(Fe0.8Co0.2)85B12Si2V0.5Cu0.5的合金。通過熔體甩帶法，制備得到了嵌套納米晶體稀疏分散在非晶基體中的獨特微觀結構（圖2）。和傳統納米晶合金相比，該合金中的納米晶體積分數僅為0.5%，同時在納米晶周圍還有尺寸小于 5 nm尺寸的類晶體團簇。經過磁性能測試，該非晶-納米晶過渡態合金具有高達1.94 T的Bs和低至4.3 A/m的Hc。該材料的Bs為迄今為止納米晶合金材料中的最高值，同時Hc 也很接近于納米晶合金材料的最低極限（~ 1 A/m），因此突破了鐵基納米晶合金家族中Bs和Hc之間的互斥關系（圖3）。研究發現，超高的Bs值是局部磁矩強交換相互作用的結果，這是由適當添加的Co元素和析出小尺寸彌散分布的嵌套納米晶體（以及< 5 nm尺寸的類晶體結構）共同作用所導致的。此外，該研究還利用磁力顯微鏡（MFM）原位觀察了外加磁場作用下疇壁的結構和運動方式，發現低Hc起源于疇壁的弱釘扎效應（圖4）以及由這種獨特的微觀結構所導致的低磁各向異性。

圖1 合金設計理念。選擇合適的鐵磁性元素比例（例如，Fe，Co等）以提高交換耦合作用并保持較高的非晶形成能力，同時添加微合金化元素（例如，Cu，V等）以形成可控的納米晶結構。

圖2 (Fe0.8Co0.2)85過渡態合金的微觀結構，表現為嵌套納米晶與小于5 nm的類晶體區域彌散分布在非晶基體之中。

圖3 典型鐵磁性納米晶合金的軟磁性能匯總。

圖4 (Fe0.8Co0.2)85過渡態合金條帶在不同退火時間下MFM所測得的磁疇結構及其在不同磁場下的演化行為。

基于這種全新的非晶-納米晶過渡態合金的設計理念，有望開發更多具有優異綜合軟磁性能的非晶基磁性材料，可以應用在諸如高速電機，大功率光伏并網逆變器等現代電子產品中，為探索制備新一代高性能軟磁材料提供了一種新的范式。相關研究成果以“Exceptionally High Saturation Magnetic Flux Density and Ultra-low Coercivity Via an Amorphous-nanocrystalline Transitional Microstructure in a FeCo-based Alloy”為題，于2022年8月29日在線發表在Advanced Materials上。李雪松，周靖博士為論文的共同第一作者，孫保安副研究員和白海洋研究員為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃（2018YFA0703603）、國家自然科學基金委項目（52192601, 52192602, 52101191, 11790291, 61888102）、廣東省基礎與應用基礎研究重大專項（2019B030302010, 2020B1515120092）的大力支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202205863。

參考資料：http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202209/t20220923_6516715.html