南昌航空大学吉丽团队研究成果:不同元素掺杂对FeSiBY合金非晶形成能力与软磁性能的影响

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研究背景

Fe基非晶合金的研究始于Fe-P-C系非晶软磁合金的制备，随后Fe-Si-B基非晶合金因其优异的软磁性能成为研究热点。近年来，随着电子器件向小型化、低损耗和高效率方向发展，提高铁芯的饱和磁感应强度（Bs）和软磁性能显得尤为重要。Fe-Si-B是常见的基体，Y对合金的非晶形成能力和热稳定性有积极作用，而P、Ti、Cu、C等元素的掺杂则可能进一步优化合金性能。然而，不同元素对FeSiBY系合金性能的影响机制尚不完全明确，因此，探讨这些元素的掺杂效应对合金性能优化具有重要意义。

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创新亮点

（1）多元素系统研究

本文系统研究了P、Ti、Cu、C这4种元素对Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆合金性能的影响，覆盖了不同元素类别（金属与非金属）和不同原子尺寸效应，为全面理解元素掺杂效应提供了丰富数据。

（2）非晶形成能力调控

通过XRD分析发现，P和C元素因其与Fe原子的大尺寸差异，显著增强了合金的拓扑混乱程度，成功制备出完全非晶态薄带；而Ti和Cu元素则因诱发α-Fe晶相析出，损害了非晶形成能力。这一发现为非晶合金的成分设计提供了新思路。

（3）热稳定性优化

DSC分析显示，Cu掺杂合金表现出最优的热稳定性，其过冷液相区宽度ΔT_x高达126.2 ℃，源于其独特的相变过程；而C掺杂合金的ΔT_x最窄，热稳定性较差。这一结果为通过元素掺杂调控合金热稳定性提供了实验依据。

（4）软磁性能平衡

软磁性能测试表明，P掺杂合金在保持较高饱和磁感应强度（B_s=1.50 T）的同时，具有最低的矫顽力（H_c=29.96 A/m），展现了最佳的综合软磁性能。这一发现为开发高性能Fe基非晶软磁材料提供了关键元素选择。

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图文展示

图1. Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂(M=P、Ti、Cu、C)合金条带的X射线衍射图谱

Fig.1 X-ray diffraction patterns of as-spun Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂ (M=P, Ti, Cu, C) alloy ribbons 

图2 Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂(M=P、Ti、Cu、C)合金的（a）DSC曲线，（b）特征温度△T_x图

Fig.2 (a) DSC curves and (b) characteristic temperature△Tx of Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂ (M=P, Ti, Cu, C) alloys 

图3. Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂(M=P、Ti、Cu、C)合金条带的（a）磁滞回线图，（b）B_s和H_c数据图

Fig.3 (a) Hysteresis curves and (b) B_s and H_c of Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆M₂ (M=P, Ti, Cu, C) alloy ribbons

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结论

本文通过系统研究P、Ti、Cu、C这4种元素对Fe₇₈Si₇B₁₂.₄Y₀.₆合金非晶形成能力、热稳定性及软磁性能的影响，得出以下结论：

（1）非晶形成能力：P和C元素因其与Fe原子的大尺寸差异，成功制备出完全非晶态薄带；Ti和Cu元素则因诱发晶相析出，损害了非晶形成能力。

（2）热稳定性：Cu掺杂合金表现出最优的热稳定性，C掺杂合金热稳定性较差。

（3）软磁性能：P掺杂合金在保持高B_s的同时具有最低的H_c，展现了最佳的综合软磁性能；C掺杂合金虽B_s最高，但H_c过大；Ti和Cu掺杂合金因晶化相存在，软磁性能恶化。

总体而言，P元素在非晶形成能力、热稳定性和软磁性能三者之间取得了最佳平衡，是优化FeSiBY系非晶合金性能的理想微合金化元素。本研究为开发高性能Fe基非晶软磁材料提供了关键理论依据和成分设计策略。

END