稀土掺杂Fe基非晶合金的微观结构调控及其对磁致伸缩效应的影响机制

Fe-based amorphous alloys have a broad range of applications in the field of magnetic sensors due to their excellent soft magnetic properties and high magnetoelastic coupling coefficients. Magnetostrictive effect is one of the key factors to export the magnetic conversion signal into a magnetic sensor. However, the studies on the microscopic mechanism of the magnetostriction in amorphous alloys are usually limited to the phenomenological theory. Therefore, the correlation between microstructure and magnetostriction in amorphous alloys and their modification mechanism are still unclear. This project aims to modify the abnormal glass transition behavior of Fe-Dy-B(Si)-Nb amorphous alloy system by doping rare earth elements (RE) and subsequent heat treatment. The influence of microstructure evolution on magnetostrictive effect will then be investigated. Furthermore, the radial distribution functions of different magnetostrictive alloys, the size, volume fraction, and density of "liquid-like region" under different magnetic fields will be analyzed, in order to monitor the microstructure evolution. Finally, the relationship between microstructure and magnetostrictive effect in these amorphous alloys will be elucidated by analyzing the magnetic domain structure. In conclusion, our project is expected to provide a new insight into the improvement of magnetostriction and soft magnetic properties of Fe-based amorphous alloys.

Fe基非晶合金具有优异的软磁性能和高的磁弹性耦合系数，在磁性传感器领域有着广阔的应用前景。影响磁性传感器信号输出的关键因素之一是磁致伸缩效应，但目前有关非晶合金磁致伸缩效应的微观机理研究，主要集中于唯象理论的探讨，其与微观结构的关联性和调控机制尚不明晰。本项目基于申请人在Fe-Dy-B(Si)-Nb非晶合金体系中发现的异常玻璃转变行为，及其与结构非均匀性和大磁致伸缩效应的对应关系，拟通过稀土掺杂、热处理等方法调控合金的异常玻璃转变行为，研究微观结构演化与磁致伸缩效应的关联规律；通过表征不同磁致伸缩合金的径向分布函数，以及“类液体区”在不同磁场下的尺寸、体积分数、分布密度等，研究微观结构非均匀性的分布特征和演化规律。以微观结构和磁畴结构的演变为桥梁，揭示非晶合金的微观结构非均匀性对磁致伸缩效应的影响机制，为调控Fe基非晶合金的磁致伸缩效应、以及优化非晶合金的软磁性能提供新思路。

Fe基非晶合金具有优异的软磁性能和高的磁弹性耦合系数，在磁性传感器领域有着广阔的应用前景。影响磁性传感器信号输出的关键因素之一是磁致伸缩效应，但目前有关非晶合金磁致伸缩效应的微观机理研究，主要集中于唯象理论的探讨，其与微观结构的关联性和调控机制尚不明晰。本项目设计制备了Fe-M-B(Si)-Nb (M=Tb, Dy, Tm等)合金体系，对其热稳定性、非晶形成能力、磁学性能、微观结构非均匀性等进行了研究。主要研究成果如下：.1）适量稀土掺杂至Fe-M-B(Si)-Nb非晶合金体系中会引起合金过冷液相区内出现吸放热现象，即出现所谓的“异常玻璃转变”现象。具有“异常玻璃转变”的合金通常具有大的过冷液相区宽度和较高的非晶形成能力。.2）具有异常玻璃转变的合金在表面能量耗散上表现出更为非均匀的分布，密排区（低能量耗散区）和疏排区（高能量耗散区）的体积更大，两种区域的能量差异（即颜色差异）也更大。因此，合金的微观结构非均匀性更为明显。.3）过冷液相区内的异常玻璃转变现象是微观结构由非均匀转变至均匀结构所引起的放热现象。具有异常玻璃转变现象的合金具有较高的磁致伸缩系数。此外，不同冷速下获得的同成分样品中，结构非均匀现象明显的合金具有更高的磁致伸缩系数。说明非晶合金的磁致伸缩系数与结构非均匀性有密切的关联。.4）随着稀土含量的增加，局域原子的分布更为不均匀，在外场作用下，除了原子磁矩方向变化，某些电子或原子为满足能量最低要求而发生局部移动，从而导致大的磁致伸缩系数。但稀土含量进一步增加时磁致伸缩系数变小，这可能是稀土原子的非球面对称性减小以及结构非均匀性减弱的缘故。因此，调控非晶合金的非均匀性是调控合金磁致伸缩系数的有效方法，这为优化非晶合金的磁学性能提供了新思路。