磁性材料是發電、輸電、能源轉換和資訊等電力電子產業的核心材料。提高磁性材料的飽和磁化強度和軟磁效能可促進器件向小型化、安靜化、高效化和低能耗化方向發展。奈米晶軟磁合金具有獨特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙奈米相鑲嵌結構，兼具高飽和磁化強度、優異的軟磁效能和低磁致伸縮係數，其應用是解決矽鋼電器的高損耗，非晶器件的高噪聲和大體積等問題的最佳方案，因而具有廣闊的應用空間。然而，為了構建均勻細密的奈米晶結構，通常都需要新增大量的促進形核和抑制晶粒長大元素，這些非磁性元素的新增大大降低了磁化強度，提高了生產工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學李強教授等人提出了一種新的奈米晶合金設計和結構調控概念，即設計不含促進形核和抑制擴散元素的新型合金，透過在臨界冷卻速率下快淬預製高密度的形核點，並透過類金屬瞬態富集介面以細化晶粒，獲得了均勻細密的奈米晶結構。作者透過巧妙設計，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合新增，即達到了穩定快淬非晶相和奈米晶間基體相的作用，調和了飽和磁感應強度與形成能力間矛盾的同時，大幅提高了合金的高磁感奈米晶合金工業化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨特的設計相當於將同等鐵含量的矽鋼奈米晶化，去除晶界對軟磁效能的惡劣影響，並保留了α-Fe相的超高飽和磁感應強度。新概念設計的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達1.87T，接近矽鋼，其均勻、細密的非晶-奈米晶雙相結構使其具有優異的軟磁效能。這種異質結構和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發提供了思路和借鑑。相關研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發表在材料學頂級期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設計思路。a）三種軟磁合金的製備工藝和微觀結構示意圖，以及理想奈米晶合金的組織、結構特徵和優異效能；b）典型雙相奈米晶合金與本合金的Bs與Fe重量百分比（wt. %）的關係示意圖，插圖顯示基於混合焓和原子大小規則的元素選擇思路；c） 熔體凝固過程的TTT曲線示意圖，說明在完全非晶和靜態之間存在形成高密度快淬團簇的臨界狀態，基於臨界形成能力思路可設計新的形核和晶粒細化工藝；d）合金成分調整的思路，闡明新成分和工藝最佳化策略。此新思路不僅可望調和高磁感奈米晶軟磁合金磁效能和工藝性矛盾的問題，充分發揮奈米晶合金的效能優勢和工藝流程短、生產節能和高效等優點，還可為其他高效能奈米晶合金的結構調控提供參考。
圖2 合金的結晶行為、非晶成形能力、磁效能和韌性變化。a）具有超寬晶化溫度區間（ΔTx=143 ℃）的淬態帶材DSC曲線；b）本合金與其它典型奈米晶合金的晶化溫度區間對比；c）不同銅輥轉速製備的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金帶材的XRD圖譜；d）熱處理後帶材的Hc和Bs隨處理時間（tA）的變化；e）快速加熱處理後的Hc隨退火溫度（TA）的變化，顯示最佳退火視窗；f）振動樣品磁強計（VSM）測得的最佳樣品的磁滯回線，顯示飽和磁化過程；g）用高靈敏度直流B-H儀在800 A /m的磁場下測試並放大後的B-H磁滯回線，顯示矯頑力（Hc）；h）施加1-100 A/m的磁場下測量的有效磁導率隨頻率的變化；（i）淬態（AQ）和快速退火（FA）合金薄帶扭轉後的形態對比。臨界形成能力和多組元穩定新機制的使用，使本合金在沒有Cu新增的情況下，依然具有很寬的熱處理溫度區間。此外，由於超高鐵含量和不含大原子半徑元素的設計，合金具有接近矽鋼的飽和磁感應強度。需要注意的是，此概念性設計合金的矯頑力還有很大的最佳化空間，依然需要繼續改進熱處理工藝。
圖3 淬態和退火態合金樣品的微觀組織結構與磁疇結構，以及兩種結晶相的晶化啟用能。a）Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的TEM影象：a1）淬態（AQ）樣品的高解析度影象，a2）退火3s後樣品的TEM影象，顯示了非晶基體中奈米析出相的形貌，a3）退火12s後樣品的TEM影象，a4）最佳樣品（12s）的選區衍射斑點（SAED），顯示了非晶結構具有的衍射環和α-Fe（Si）出現；b）合金條帶的磁疇結構：b1）AQ樣品的磁疇結構，b2）最佳退火態的磁疇結構；c）與DSC曲線的第一晶化峰（Tp1）和第二晶化峰（Tp2）對應的兩相晶化活度能值（Ex）。在臨界態製備條件下，淬態樣品含有高密度的團簇，可作為奈米晶化的晶核，從而提高晶粒密度和生長過程中的競爭作用，從而得到均勻細密的微觀結構。
圖4 Fe85.5B10Si2P2C0.5合金帶的元素分佈圖。a）淬態樣品；b）快速熱處理樣品（500 ℃×3 s）；c）選定區域b）的濃度深度剖面圖（2×4×8 nm3）；d） α-Fe（Si）晶粒周圍的殼結構示意圖。首次發現了瞬態類金屬元素富集的核殼結構，說明快速加熱熱處理和多組元成分設計的重要性。
綜上所述，作者提出了一種新的合金設計概念，透過反常規去除傳統合金成分中的促進形核和抑制擴散元素，來調和非晶-奈米晶磁雙相合金中的磁效能與形成能力之間的矛盾。成功地研製出了大的晶化溫度區間（143 ℃）、超高飽和磁化強度（1.87 T，與Si鋼相當）和低成本的Fe85.5B10Si2P2C0.5軟磁合金，並在工業化生產可接受的銅輥轉速下成功製備出了合金帶材。該合金具有優異的效能，具有廣泛的節能應用前景，為高飽和磁化強度、良好的成形性和低成本的下一代非晶-奈米晶軟磁合金的設計提供了範例。此外，臨界形成條件下緻密形核、多組元協同效應提高形成能力和瞬態富集核殼結構的晶粒細化三種創新機制也可應用於其他奈米非晶雙相合金。
論文連結：
https：//doi.org/10.1016/j.mattod.2020.09.030
【通訊作者簡介】
王安定博士，香港城市大學材料科學工程系研究員。2012年在中科院寧波材料所沈寶龍教授研究組獲博士學位，2013-2018年於中科院寧波材料所先後任博士後、助理研究員和副研究員，2018年至今於香港城市大學劉錦川院士研究組從事非晶合金奈米晶金屬材料研究。研究興趣主要集中在鐵基非晶和奈米晶合金的磁學、冶金原理合金設計和組織效能調控機制，以及製備和應用技術研究。在Mater. Today, Adv. Funct. Mater., J. Mater. Sci. Technol., Sci. China Mater., Scrip. Mater. J. Alloy. Compd.等期刊發表論文近80篇，一作和通訊論文五十餘篇，擔任Mater. Res. Lett.，Mater. Design，J. Alloy. Compd.等20餘個期刊審稿人。
李強教授，新疆大學物理科學與技術學院教授。1993年於蘭州大學物理系金屬物理專業獲理學學士學位；1996年於蘭州大學物理系凝聚態物理專業獲理學碩士學位；2002年於香港中文大學物理系獲博士學位；2005年進入新疆大學物理科學與技術學院任教。主要研究方向包括大過冷態下的合金相變，塊體非晶態合金和奈米合金的製備及其效能研究等。共主持國家自然科學基金專案5項；以第一作者或通訊作者在Materials Today，Acta Materialia，Scripta Materialia，Scientific Report等學術期刊發表SCI論文60餘篇。
劉錦川院士，香港城市大學材料科學與工程系傑出教授，美國工程院院士，中國工程院外籍院士，臺灣中央研究院院士。於美國布朗大學獲得博士學位，1967年進入美國橡樹嶺國家實驗室，先後擔任研究員及高階研究員、合金行為與設計部門主任、資深研究院士，1988年獲得美國總統獎之一勞倫斯獎，1998年獲得布朗大學傑出校友金質獎章，2004年當選為美國國家工程院院士，2005年當選中國工程院外籍院士，2006年獲得中國政府友誼獎。主要從事先進金屬材料的研究工作。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支援。