鐵基軟磁非晶合金在變壓器、電機、傳感器等電力電子器件中具有廣闊的應用前景，是重要的節能和綠色環(huán)保新材料。軟磁性能和力學(xué)變形能力是影響非晶合金應用的兩個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)原始非晶合金樣品力學(xué)變形能力很好，但是非平衡制備過(guò)程凍結的殘余應力會(huì )使軟磁性能變差。退火可以降低殘余應力，大幅提高軟磁性能，但往往會(huì )使非晶合金變脆。退火過(guò)程主要是利用弛豫現象調控非晶合金性能，然而非晶合金的弛豫模式非常復雜，不同弛豫模式之間也存在耦合作用。研究非晶合金中的弛豫現象，明確不同弛豫模式對性能的影響規律及其微觀(guān)物理機制，對解決不同性能之間顧此失彼的問(wèn)題具有十分重要的意義。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗室的宋麗建、何娜娜和歐陽(yáng)酥等在研究員王軍強和副研究員霍軍濤等人的指導下，自2015年起圍繞非晶合金的等溫弛豫行為及其對磁性能的影響規律和微觀(guān)機制進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)成果和專(zhuān)題于2018年上半年相繼發(fā)表并申請專(zhuān)利。首先，利用高精度、超快升降溫速率的閃速掃描量熱儀（Flash DSC），系統研究了不同合金體系在等溫退火處理條件下的弛豫動(dòng)力學(xué)行為。發(fā)現等溫退火過(guò)程不是單一的弛豫模式，而是存在從β弛豫向α弛豫的轉變過(guò)程（見(jiàn)圖1）。即低溫短時(shí)間退火時(shí)，非晶合金經(jīng)歷β弛豫，當退火溫度足夠高或者退火時(shí)間足夠長(cháng)則會(huì )觸發(fā)α弛豫行為。這種等溫轉變過(guò)程是排列疏松區域自由體積的湮滅使得原子協(xié)同運動(dòng)增強引起的。這些結果表明可以實(shí)現非晶合金中不同弛豫模式的精準調控，相關(guān)文章發(fā)表于Intermetallics 93, 101–105 (2018)。
他們進(jìn)一步通過(guò)精準控制鐵基非晶合金中的弛豫模式，發(fā)現β弛豫階段能夠有效改善軟磁性能（矯頑力降低，磁導率升高），同時(shí)保持良好的力學(xué)性能；α弛豫階段對軟磁性能沒(méi)有明顯影響，矯頑力和磁導率基本保持不變，但力學(xué)變形能力變差，非晶合金變脆（見(jiàn)圖2）。以上工作表明，不同弛豫模式對非晶合金不同性能的影響規律不同，通過(guò)精準控制非晶合金中的弛豫模式，可以解決不同性能之間顧此失彼的問(wèn)題，實(shí)現綜合性能的提高。相關(guān)工作正在整理投稿中，已經(jīng)申請國家發(fā)明專(zhuān)利(201810310296.5)。
鑒于β弛豫與微觀(guān)結構不均勻性的關(guān)系，以及宏觀(guān)磁性能與微觀(guān)磁疇結構的關(guān)系，為了進(jìn)一步研究β弛豫影響軟磁性能的微觀(guān)機制，該團隊研究了磁疇運動(dòng)與結構不均勻性之間的耦合作用。通過(guò)原位研究納米壓痕周?chē)女牨谠谕饧哟艌?chǎng)下的運動(dòng)，發(fā)現非晶合金磁化由磁疇壁的移動(dòng)決定。距離納米壓痕越近，磁疇壁越難移動(dòng)，意味著(zhù)磁導率越低。利用振幅調制原子力顯微鏡（AM-AFM）研究了壓痕周?chē)奈⒂^(guān)不均勻性，發(fā)現距離壓痕越近，其黏滯損耗能量越大，這與非晶合金中的剪脹變形機制相關(guān)。并原位研究了在拉伸狀態(tài)下的微觀(guān)不均勻性，發(fā)現外應力與黏滯損耗能量之間存在線(xiàn)性關(guān)系?；谝陨蠈?shí)驗結果，他們發(fā)現磁疇壁移動(dòng)能力與黏滯損耗能量之間存在明顯關(guān)聯(lián)性（見(jiàn)圖3）。該關(guān)系可以用磁彈耦合理論進(jìn)行擬合，擬合結果表明該軟磁非晶合金中的磁疇壁厚度約為36nm，與粘彈性比均勻性特征尺度相近。相關(guān)結果發(fā)表于Phys. Rev. Materials 2, 063601 (2018)。
以上研究結果證明非晶合金在等溫退火過(guò)程中存在不同弛豫模式轉變，明確了β和α弛豫對磁性能和力學(xué)性能的影響規律，以及β弛豫影響磁性能的微觀(guān)機制。該結果在非晶合金中具有普適性，有望應用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現非晶合金綜合性能的提升。
以上工作受到國家自然科學(xué)基金面上項目和青年項目、浙江省自然科學(xué)基金杰出青年基金、中科院百人計劃項目和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的支持。
