稀有金属 2005,(02),149-151 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.02.006

Fe-Cu-Nb-Si-B薄带的淬态纳米化与巨磁阻抗效应

胡季帆 李波 韩涛 陈娟

山东大学物理与微电子学院和晶体材料国家重点实验室,山东大学物理与微电子学院和晶体材料国家重点实验室,钢铁研究总院,山东大学物理与微电子学院和晶体材料国家重点实验室,山东大学物理与微电子学院和晶体材料国家重点实验室 山东济南250100 ,山东济南250100 ,北京100081 ,山东济南250100 ,山东济南250100

摘 要：

使用较低的快淬速度 (V =2 2m·s- 1 ) , 可以使Fe Cu Nb Si B薄带实现淬态纳米晶化。Fe Cu Nb Si B薄带析出α Fe (Si) 纳米相 , 其晶粒尺寸在淬态薄带Fe73Cu1 .5Nb3Si1 3.5B9中约为 15nm , 在Fe71 .5Cu3Nb3Si1 3.5B9中约为 10nm。添加Cu元素可以细化淬态薄带的晶粒。实验发现磁阻抗ΔZ/Z0 , 磁电阻ΔR/R0 , 磁电抗ΔX/X0 三条曲线交叉于一点 , 通过推导发现此现象具有必然性。淬态薄带Fe74 .5-xCuxNb3Si1 3.5B9的磁阻抗显示了较强的Cu含量依赖性。在快淬速度v =2 2m·s- 1 下 , 在x =1.5和x =3左右观察到磁阻抗峰值现象。

关键词：

金属材料;巨磁阻抗效应;纳米晶化;快淬薄带;

中图分类号： TB383

收稿日期：2004-03-09

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 0 2 710 3 6);

Nano-Crystallization and Giant Magnetoimpedance Effect in Fe-Cu-Nb-Si-B As-Cast Ribbons

Abstract：

Nano-crystallization in as-cast ribbons Fe-Cu-Nb-Si-B can be obtained with lower quenching speed. Under quenching speed of 22 m·s -1 , bcc α-Fe (Si) phase precipitates in Fe_ 74.5-x Cu_xNb₃Si_ 13.5 B₉ ribbons with grain size of 15 nm for x=1.5 and 10 nm for x=3. The addition of Cu refines the grain size of Fe_ 74.5-x Cu_xNb₃Si_ 13.5 B₉ as-cast ribbons. It shows that curves of frequency dependence of magnetoimpedance, magnetoresistance and magnetoreactance intersect at a certain frequency inevitably. The magnetoimpedance of Fe_ 74.5-x Cu_xNb₃Si_ 13.5 B₉ as-cast ribbons strongly depends on the Cu content. Under quenching speed of 22 m·s -1 , the magnetoimpedance peaks can be found at x=1 5 and x=3 0 for Fe_ 74.5-x Cu_xNb₃Si_ 13.5 B₉ as-cast ribbons.

Keyword：

nano-crystallization; as-cast ribbon; giant magnetoimpedance effect;

Received： 2004-03-09

由于在磁存储以及传感技术方面存在巨大应用前景, 巨磁阻抗效应引起了物理以及材料学界研究人员的重视 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。 该效应的核心是在较高的交流频率 (～MHz) 下, 直流磁场通过影响材料的横向磁导率, 改变材料的趋附深度进而影响材料的阻抗。 巨磁阻抗材料可分为丝状、 薄带、 薄膜等不同几何类型, 而薄带材料又大体可分为两种: 钴基非晶与铁基纳米晶。 目前国际上制备铁基纳米晶巨磁阻抗薄带的方法一般是将非晶薄带退火晶化 ^[4,5] 。 Nd-Fe-B快淬纳米永磁薄带可以通过两种方法制备: 一是将高速 (35 m·s^-1以上) 熔旋甩带得到的非晶薄带退火晶化得到Nd₂Fe₁₄B纳米相; 另一个是调整熔旋甩带的速度 (18 m·s^-1左右) , 直接在薄带上实现Nd₂Fe₁₄B纳米的晶化析出 ^[7] 。 本文报道了熔旋甩带速度为22 m·s^-1, 未经退火的Fe-Cu-Nb-Si-B金属薄带中的淬态纳米化以及巨磁阻抗效应。

1 实 验

Fe_74.5-xCu_xNb₃Si_13.5B₉ 由真空甩带技术制备而得。 其快淬速率为22 m·s^-1, 其薄带厚度约为20 μm。 取长60 mm、 宽为2 mm的快淬薄带用于纵向磁阻抗测量。 磁阻抗数据由4294 A阻抗分析仪在常温下测得。 直流磁场由霍姆赫兹线圈提供。电流幅值保持在20 mA。 采用D/Max-rB型X射线粉末衍射仪, 采用Cu Kα辐射测量薄带材料的X射线谱图。

2 结果与讨论

图1显示的是快淬速率为22 m·s^-1下淬态薄带Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_13.5B₉ (x=1.5) 和 Fe_71.5Cu₃Nb₃Si_13.5B₉ (x=3) 的X射线谱图。 从图中可以明显观察到薄带中α-Fe (Si) 晶化析出于非晶背底。非晶状态需要较大的快淬速度。而较低的快淬速度晶化现象将发生。 根据X射线谱图, 利用Scherrer公式还可计算出晶粒大小。晶粒α-Fe (Si) 在淬态薄带Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_13.5B₉中约为15 nm, 在Fe_71.5Cu₃Nb₃Si_13.5B₉中约为10 nm。很明显添加Cu元素可以细化淬态薄带的晶粒。Cu元素的这种作用在退火晶化的Fe-Cu-Nb-Si-B薄带样品中也已经被观察到 ^[8] 。

图2显示的是快淬速率为22 m·s^-1下淬态薄带Fe_71.5Cu₃Nb₃Si_13.5B₉ (x=3) 的磁阻抗变化率ΔZ/Z₀= (Z (H) -Z (0) ) /Z (0) 随直流磁场的变化关系。在低频f≤900 kHz, 磁阻抗变化率ΔZ/Z₀随磁场的增加而单调下降。 这主要是因为磁导率随直流磁场而单调下降的缘故。 随频率进一步增加 (如f≥1 MHz) , ΔZ/Z₀随磁场增加而出现一个峰值现象。 其峰值磁场H_p随频率增加而增加, f=1 MHz时为H_p=159 A·m^-1, f=10 MHz时为H_p=955 A·m^-1。 这是由于磁导率在高频下由磁化转动机制所控制, 磁导率在H_p处存在峰值现象, 其峰值磁场对应于磁横向各向异性 ^[1,2] 。

图1 快淬速率为22 m·s-1下淬态薄带Fe74.5-xCuxNb3Si13.5B9 (x=1.5 和x=3) 的X射线谱

Fig.1 X-ray pattern of as cast ribbon Fe_74.5-xCu_xNb₃Si_13.5B₉ (x=1.5 和x=3) with quenching speed of 22 m·s^-1

图2 快淬速率22 m·s-1下淬态薄带Fe71.5Cu3Nb3Si13.5B9的磁阻抗变化率ΔZ/Z0= (Z (H) -Z (0) ) /Z (0) 随直流磁场的变化关系

Fig.2 Field dependence of magnetoimpedance ΔZ/Z₀= (Z (H) -Z (0) ) /Z (0) for as cast ribbon Fe_71.5Cu₃Nb₃Si_13.5B₉ with quenching speed of 22 m·s^-1

图3显示的是快淬速率为22 m·s^-1下淬态薄带Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_13.5B₉ (x=1.5) 的 磁阻抗ΔZ/Z₀, 磁电阻ΔR/R₀, 磁电抗 ΔX/X₀ 随频率的变化关系, 这里外加直流磁场H=7162 A·m^-1。可观察到磁阻抗ΔZ/Z₀, 磁电阻ΔR/R₀, 磁电抗 ΔX/X₀ 三条曲线交叉于一点。此相交理论上讲是必然的。 假设ΔR/R₀, ΔX/X₀相交于H_i, 则有 (X (H_i) -X (0) ) /X (0) = (R (H_i) -R (0) ) /R (0) , 得X (H_i) /X (0) =R (H_i) /R (0) , 可变形为[X (H_i) /X (0) ]²=[R (H_i) /R (0) ]², 据此很易推出:H=H_i时有 ΔR/R₀=ΔX/X₀=ΔZ/Z₀。

图4显示的是淬态薄带Fe_74.5-xCu_xNb₃Si_13.5B₉的在磁场为H=7162 A·m^-1下的磁阻抗最大变化率 (ΔZ/Z₀) _max=[ (Z (H) -Z (0) ) /Z (0) ]_max随Cu含量的变化关系。 淬态薄带x=1.0的磁阻抗为-12.8%。 随Cu含量在薄带中的增加, 可观察到淬态薄带的磁阻抗效应先有一增强, 在x=1.5时 (ΔZ/Z₀) _max=-17.8%。 在x=2左右时, 磁阻抗减小。 而在x=3.0左右时, (ΔZ/Z₀) _max又出现了一个峰值现象。 这个峰值现象不是孤立的, 作者等最近的实验结果显示在快淬速度等于40 m·s^-1时, 在x=2.5处显示出一个峰值, (ΔZ/Z₀) _max=-35.9%。 可见Cu 元素对巨磁阻抗效应的影响是比较复杂的, 而且在不同甩带速度下体现不同的特点。

图3 快淬速率22 m·s-1下淬态薄带Fe73Cu1.5Nb3Si13.5B9 的磁阻抗ΔZ/Z0, 磁电阻ΔR/R0, 磁电抗ΔX/X0随频率的变化关系, 这里外加直流磁场H=7162 A·m-1

Fig.3 Frequency dependence of magnetoimpedance ΔZ/Z₀, magnetoresistance ΔR/R₀ and magnetoreactance ΔX/X₀ under H=7162 A·m^-1 for Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_13.5B₉ as cast ribbon with quenching speed of 22 m·s^-1

图4 快淬速率22 m·s-1下淬态薄带Fe74.5-xCuxNb3Si13.5B9的在磁场为7162 A·m-1下的磁阻抗最大变化率 (ΔZ/Z0) max随Cu含量的变化关系

Fig.4 Cu content dependence of maximum magnetoimpedance (ΔZ/Z₀) _max under H=7162 A·m^-1 for Fe_74.5-xCu_xNb₃Si_13.5B₉ as cast ribbons with quenching speed of 22 m·s^-1

3 结 论

1. 使用较低的快淬速度 (V=22 m·s^-1) , 可以使Fe-Cu-Nb-Si-B 薄带实现淬态纳米晶化。 Fe-Cu-Nb-Si-B薄带析出α-Fe (Si) 纳米相。

2.α-Fe (Si) 晶粒尺寸在淬态薄带Fe₇₃Cu_1.5Nb₃Si_13.5B₉中约为15 nm, 在Fe_71.5Cu₃Nb₃Si_13.5B₉中约为10 nm。 添加Cu元素可以细化淬态薄带的晶粒。

3. 实验中发现磁阻抗ΔZ/Z₀, 磁电阻ΔR/R₀, 磁电抗 ΔX/X₀ 三曲线交叉于一点。并证明这是必然的。

4. 淬态薄带Fe_74.5-xCu_xNb₃Si_13.5B₉的磁阻抗显示了Cu含量依赖性。 快淬速度 V=22 m·s^-1时, 在 x=1.5 和x=3左右观察到磁阻抗峰值现象。

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