纳米晶软磁材料开发动向

纳米晶软磁合金是指在非晶合金的基础上通过热处理获得的纳米晶结构的软磁合金，具有更加优异的软磁性能。

纳米晶软磁材料的综合性能与传统的硅钢、铁氧体、坡莫合金等磁性材料相比具有非常明显的优势，由于纳米晶软磁合金的高导磁率、高饱和磁感及其灵活可调的频率特性等特点，已逐步取代传统软磁材料成为新一代软磁材料，广泛应用于电力、电子和信息领域，是软磁材料研究与开发的热点。

实际上，减小磁晶各向异性常数(K)对于获得优良的软磁材料十分重要。多晶体的K基本上由软磁材料的组成决定。对于普通的晶粒尺寸大的Fe基多晶体材料来说，大幅度提高软磁性十分困难。但将晶粒微细化到纳米尺度，可有效地减轻材料的磁各向异性、降低Hc。

1988年发明了性能优于非晶合金的Fe-Si-B-Nb-Cu纳米软磁材料，Fe-Si-B-Nb-Cu纳米晶软磁材料的Bs=1.2-1.35，低于配电变压器用Fe-Si-B系非晶态合金的Bs=1.56-1.63，高于Co基非晶态合金的Bs。Fe-Si-B-Nb-Cu系纳米晶软磁材料具有与上述高导磁率材料相匹敌的优良软磁性，在软磁材料发展史上首次实现了集常规软磁材料的性能优势于一体，已经在漏电断路器、电流传感器、高频变压器等装置实用化。后来又进一步对更高Bs的纳米晶软磁材料进行开发。

1990年开发出Bs=1.5-1.7T的Fe-(Nb、Zr)-B系材料，1998年开发出高Tc、优良高温特性的含有残留非晶态相的(Fe、Co)-Zr-b-Cu系纳米晶体材料。2000年代后期，开发出不含降低磁性的Nb和不含高价的Co、但Bs更高的Fe基纳米晶体软磁材料。2007年开发出Bs=1.85T的Fe-B-Si-Cu系材料，2009年开发出含P的Bs=1.7-1.85T的Fe-B-Si-P-Cu系纳米晶软磁材料。

目前对扼流圈、传感器等电子部件使用的纳米晶软磁材料的要求是，低Hc、其磁化曲线呈扁平形状、难于磁饱和、导磁率较低。为此，开发出(Fe、Co、Ni)-Si-B-Nb-Cu系合金，用对合金进行磁场热处理方法，控制磁各向异性，使合金的初始比导磁率为300-5000。此外还有对Fe-Si-B-Nb-Cu系合金非晶态合金薄带在施加张力的同时，进行结晶化热处理，诱发磁各向异性，使薄带长度方向成为难磁化轴，从而在很大的范围内控制导磁率，形成不同导磁率的纳米晶软磁材料。这些低导磁率型纳米晶软磁材料的特点是磁滞小，可以在更高的频率和磁场重叠的情况下抑制导磁率的下降，所以可以应用于高频区的直流叠加。

随着纳米晶软磁材料应用领域的不断拓宽，小型轻量化、微型化、高性能、高可靠、高环境适应性的应用需求推动电子元器件向小型化、微型化、片式化和集成化方向发展，同时复杂形状部件的要求也日益迫切，磁性功能器件集成化技术已成为了当代发展电子新技术的一个突出亮点，为发挥好纳米晶软磁材料的优异的综合磁性能，大力发展轻量化、微型化、高性能、高可靠和形状复杂状的纳米晶软磁材料迫在眉睫。

然而，制备纳米晶软磁材料的技术还需提高，工艺仍有待优化。原始细晶型纳米晶体材料存在的问题是制作合金薄带时的适宜冷却条件狭窄。快速加热型纳米晶体材料进行大量材料热处理时不能快速加热以及急速结晶引起发热使材料内部过度升温，导致材料整体不能形成微细纳米晶粒组织，快速加热型纳米晶体材料的实用化门槛很高。机械合金化法由于其工艺简单、经济和良好的可操控性，使得用机械合金化法制备高品质的纳米晶软磁材料极具应用前景。但制备技术的不完善、不稳定和制备过程参数的选定尚缺乏可操控的理论依据，需进一步深入地研究，使其日趋成熟。

纳米晶软磁材料的基础研究和应用研究最终的归宿点是将纳米晶合金材料研制开发成电力、电子和信息产业领域所需的各式各样的磁性器件，让材料研究真正成为推动社会发展和支持经济建设的重要角色。