离子轰击诱导非晶合金晶化机理及其高频软磁性能研究

In order to solve the problem of metal nanocrystalline soft magnetic materials with poor high frequency performance, a new method of ion bombardment induced crystallization will be used to imrpove the high frequemcy softy magnetic properties of nanocrystalline composites materials. In this project, amorphous ribbons will be crystallized by the interaction of stress and thermal field caused by ion bombardment, and the high frequency performance will be improved by the construction of an improved composite structure and the introduction of magnetic anisotropy. The crystallization thermodynamics and kinetics parameters of amorphous materials under the coupling interaction of stress and thermal field will be obtained by the study of evolution of the structure , crystalline volume fraction and crystallization temeprature during the ion bombardment process, and by which the crystallization mechanism of amorphous under the condition of ion bombardment will be understand. The effect mechanism of anisotropic force on the growth direction and magnetic anisotropy of crystals will be comprehended by analyzing the influence of ion bombardment direction and energy on the growth direction of crystals and magnetic anisotropy of materials, and then the regulation method of microstructure and magnetic structure by ion bombardment will be obtained. The magnetization mechanism of composites will be comprehended by the investigation of microstructure and magnetic properties of composite materials, and then the regulation method of composite structure and magnetic properties of composite with excellent high frequency soft magnetic properties will be obtained, and provide the foundations for the development of high frequency and high power density soft magnetic materials.

针对常规晶化方法制备的金属纳米软磁材料高频性能差的问题，提出采用离子轰击诱导晶化方法改善材料的高频软磁性能。本项目利用离子轰击产生的各向异性应力场－热场耦合作用诱导非晶带材晶化，构建新型复合结构和引入磁各向异性改善材料的高频性能。通过研究离子轰击过程中非晶材料结构、晶化体积分数和晶化温度等参数的演变规律，获得应力和热耦合作用下非晶材料的晶化热力学和动力学参数，理解离子轰击作用下非晶材料的晶化机理；通过研究离子轰击方向、能量等参数对晶体生长方向等微观结构和磁各向异性的影响规律，理解各向异性作用力对晶体生长方向和磁各向异性的作用机理，获得离子轰击方法对材料微观结构和磁结构的调控方法；通过离子轰击作用下诱导晶化材料微观结构和磁学特性的研究，理解离子轰击诱导复合材料的磁化机制，获得具有优良高频软磁性能复合材料结构和性能的调控方法，为高频高功率密度器件用软磁材料的开发奠定基础。

现代电子器件发展要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度和低的损耗以满足小型化高频化的要求。本项目针对常规晶化方法制备的金属纳米软磁材料高频性能差的问题，通过采用离子轰击的方法诱导FeSiB和FeSiNbBCu两种常用软磁铁基非晶合金晶化，利用离子轰击产生的各向异性应力场－热场耦合作用诱导非晶带材晶化，构建新型复合结构和引入磁各向异性改善材料的高频性能。通过研究离子轰击过程中非晶材料结构和晶化温度的演变规律，获得应力和热耦合作用下非晶材料的晶化热力学和动力学参数，离子轰击主要对铁基非晶合金一次晶化过程的形核和起始的长大阶段产生影响，从而影响晶化后晶粒的形貌和尺寸，对二次晶化过程没有明显的影响。在离子轰击过程中高能粒子轰击到样品表面使温度升高并产生一种力作用于样品上，离子轰击诱导非晶合金的晶化机理是离子轰击产生的应力效应和热效应共同作用的结果，是一种应力作用下的热激活过程，压应力可降低晶化所需的激活能从而有利于晶化的产生。通过离子束轰击方向、能量、时间等工艺参数对微观结构和磁学性能影响规律的研究阐明了各向异性应力对晶粒取向生长和磁晶各向异性的作用机理，并通过离子轰击参数的调控可实现对合金微观结构和磁结构的调控，为非晶合金的局域化晶化及微观结构调控提供了理论指导。利用离子束轰击作用在材料中引入各向异性和残余应力，从而可有效提高材料高频软磁性能，为高频高功率密度器件用软磁材料的开发奠定基础。同时该研究结果探明了在离子轰击作用下结构和性能的变化规律，也为非晶材料在离子辐照、加速器等方面应用时的性能演变规律提供了基础。另外，还利用非晶合金粉末表面原位生成亚铁磁层的方法来制备纳米复合软磁材料，充分利用非晶本身以及表面氧化物电阻率高的特点和利用亚铁磁取代常规非磁性氧化物的方法，在获得高电阻率的同时保证高的饱和磁感应强度，从而制备出了具有超低损耗和优良磁性能的软磁复合材料，为小型化和低损耗高频器件的制备奠定了基础。