铁基非晶/氮化物双层结构制备与表征

作     者：刘占伟 

作者单位：北京有色金属研究总院 

学位级别：硕士

导师姓名：于敦波;李扩社

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：非晶 双层结构 软磁 磁致伸缩 稀土添加 

摘      要：以Fe-Si-B为代表的非晶合金薄带具有高磁导率、低矫顽力及低铁损等优异软磁性能,特别适用于作为变压器和传感器的关键材料。然而,高磁致伸缩系数和低的饱和磁矩限制了其软磁性能的进一步提高。而铁氮化合物,特别是αα-Fe16N2具有很大饱和磁矩。为了达到进一步改善铁基非晶带材的软磁性能,并降低其磁致伸缩系数,本文采用氮离子注入方式在Fe78Si9B13非晶表面形成氮化物层,通过制备非晶/氮化物双层结构来提高软磁性能并降低磁致伸缩,同时,研究了稀土元素钇添加对铁基非晶合金薄带结构及磁性能的影响。注入剂量会对非晶基体晶化程度和磁性能产生重要影响。在固定注入电压150kV时,随着注入剂量的增加,非晶基体逐渐晶化,当注入剂量超过5×1016ions/cm2时,非晶基体开始发生晶化;AES分析表明表层氮离子分布呈现高斯分布特征,最大浓度分布距离表面266nm。随注入剂量的增加,饱和磁矩先升高后降低,在注入剂量为1×1016ions/cm2时达到最大,从注入前的159.1emu/g提高到187.94emu/g,同时,饱和磁致伸缩系数(λs)则由2.92×10-5降低至1.72×10-5。氮离子注入深度随加速电压增加而增加,矫顽力和磁致伸缩性能随加速电压而发生改变。结合软件模拟分析,表层氮离子分布呈现高斯分布特征,注入深度随加速电压增加而增加。氮离子注入剂量为1×1016ions/cm2时,90～180kV范围内非晶基体都未发生晶化。随着加速电压的增大矫顽力先降低后增大,加速电压为90kV的样品矫顽力最小,最小值为10.35A/m。加速电压的变化也会引起磁致伸缩系数改变,加速电压为120kV的样品的饱和磁致伸缩系数为8.4×10-6。添加稀土元素钇可以提高Fe-Si-B非晶热稳定性,并改善非晶合金的磁性能。添加稀土元素钇提高非晶薄带热稳定性,初始晶化温度随Y含量增加而提高,当添加量大于1at.%Y时,非晶晶化由两步晶化变为三步晶化,并出现了亚稳Fe3B相。添加稀土元素钇同时也能够改善非晶合金软磁性能,随Y含量增加,饱和磁矩先增加后降低,饱和磁矩在1.5at.%Y时达到最大的187emu/g,同时,矫顽力也降低至7.6A/m。