Rare Metals 南京理工大学兰司：双相纳米结构Fe-Ni-B-Si-P-Nb金属玻璃的相变行为及其与应力阻抗的关联

     2023年06月30日

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双相纳米结构Fe-Ni-B-Si-P-Nb金属玻璃的相变行为及其与应力阻抗的关联

葛嘉城，刘爱华，吴桢舵*，顾尧，柯于斌，王安定*，任洋，唐颂，英会强，朱贺，王循理，兰司*

南京理工大学材料学院/格莱特纳米科技研究所

香港城市大学物理系

香港城市大学（东莞）

香港城市大学深圳研究院，中国散裂中子源

粤港澳中子散射科学与技术联合实验室，东莞理工学院

 

【文献链接】

Ge, JC., Liu, AH., Wu, ZD. et al. Phase transformation behavior of a dual-phase nanostructured Fe-Ni-B-Si-P-Nb metallic glass and its correlation with stress-impedance properties. Rare Met. (2023). 

https://doi.org/10.1007/s12598-023-02345-6

 

【背景介绍】

软磁非晶合金由于其优异的软磁性能已被广泛用于各种磁性设备（如变压器或电机中的磁芯）。而软磁非晶合金还具有高灵敏度的磁弹耦合效应，其中一个代表性效应是应力阻抗效应，使其具有成为先进力敏传感器中关键材料的潜力。发展高性能力敏传感器材料有望促进产业升级，保障人民的生命财产安全。然而，软磁非晶材料的玻璃形成能力、塑性、磁弹耦合和热稳定性在材料制备中往往难以兼得，限制了产品的尺寸、性能和可靠性。因此，开发兼具多种优异性能的软磁非晶材料，将有助于加速该材料的工业应用。

 

【文章亮点】

1. 制备了独特的具有纳米双相结构软磁非晶合金。

2. 纳米团簇作为结构异质性有助于增强塑性，满足了大应力下的应用环境，拓展了应用范围。

3. 在不牺牲矫顽力的前提下，纳米团簇的形成同时增强了有效磁导率进而提高应力阻抗效应。

 

【内容简介】

日前，南京理工大学兰司教授课题组联合香港城市大学、东莞理工等高校课题组在Rare Metals上发表了题为“Phase transformation behavior of a dual-phase nanostructured Fe-Ni-B-Si-P-Nb metallic glass and its correlation with stress-impedance properties”的文章，研究了Fe-Ni-B-Si-P-Nb纳米双相结构软磁非晶在过冷液相区的相变过程，并发现样品中存在的纳米团簇可降低局部磁各向异性并提高有效磁导率，实现了应力阻抗效应的显著提升。

本研究通过一系列先进的表征手段对Fe-Ni-B-Si-P-Nb非晶合金的相变行为及其与应力阻抗性能的关联进行了研究。透射电子显微镜和小角中子散射实验表明，该铸态非晶合金带材具有双相结构，包含尺寸为2-3 nm的体心立方结构纳米团簇。原位高能X射线衍射实验揭示了在加热至过冷液相区时该体系具有三阶段的结晶过程。等温退火实验表明，纳米团簇的形核长大不具备孵化期。实空间分析表明，纳米团簇和非晶态基体具有相似的短程序和中程序结构，预示着纳米团簇的易于形成和相对稳定性可能归因于非晶态基体和团簇之间较低的界面能。进一步分析发现，双相结构降低了局部磁各向异性并提高了有效磁导率，从而实现大幅提高应力阻抗效应而不牺牲矫顽力。本研究推动了软磁非晶合金的结构-性能调控工程的发展，并为开发具有双相纳米结构的新型磁性功能材料提供了参考。

 

【图文解析】

图1 (a) Fe40Ni38B14.2Si2.75P2.75Nb2.3非晶合金的高分辨透射电镜图。红色圆圈表示纳米团簇。插图是纳米团簇的放大图。(b) Fe40Ni38B14.2Si2.75P2.75Nb2.3 (蓝色曲线)和Fe40Ni38B14.2P5.5Nb2.3(橙色曲线) 非晶合金的小角中子散射表明，该研究体系和对照体系样品在纳米尺度上结构不均匀性存在差异。

 

图2 (a) Fe40Ni38B14.2Si2.75P2.75Nb2.3 DSC 曲线。Tx1，Tx2和Tx3分别是三个晶化峰的开始温度；Ta是具有最佳应力阻抗性能的退火温度；(b) 在不同温度下获得的X-射线散射结构因子S(Q)；(c)应力阻抗测试的装置设置；(d)不同温度下退火5min样品的应力阻抗性能。

 

图3 (a) 不同退火状态下的磁滞回线，插图为相应的饱和磁化强度MS演变过程；(b) 不同退火状态下的有效磁导率变化。

 

图4 （a）20 K min-1的升温速率下X射线散射结构因子S(Q)从室温到950 K的二维演化图。箭头(3.5Å-1, 3.8 Å-1和4.4 Å-1)表示三种结晶相在不同结晶阶段的特征布拉格峰。（b）对（a）中标记的三个峰的S(Q)积分，Tx1, Tx2, Tx3为三个峰的起始温度。

 

图5 （a）713K（Ta）等温退火5400 s后结构因子演变的3D图像。(b) 在4.4 Å-1处积分的S(Q)随退火时间的演变规律。(c) 不同温度下样品的约化对分布函数。

 

图6（a）Fe40Ni38B14.2Si2.75P2.75Nb2.3非晶合金升温过程中不同温度径向分布函数g(r)中第二个配位层的高斯拟合，拆分为对应的1-原子、2-原子、3-原子和4-原子簇团连接模式。(b)是1-原子、2-原子、3-原子和4-原子簇团连接的示意图。(c)加热过程中原子连通性的相应演变规律。

图1表明该非晶合金铸态存在纳米尺度结构不均匀性，而后续的等温退火实验和约化对分布函数显示该不均匀结构具有类似体心立方（b.c.c.）的短程-中程序，且形核长大不需要孵化时间。这些纳米团簇可能对增强该金属玻璃的塑性起到关键作用。图3-6表明样品在过冷液相区结晶经历3个阶段。在第1个结晶峰起始温度之下Ta温度退火5分钟后，纳米团簇的数量增加但尺寸仍然很小，使宏观结构仍然保持均匀，而纳米尺度微观结构呈更显著的各向异性，从而提高应力阻抗效应。同时，由于具有更高的对称性，b.c.c.纳米团簇具有比非晶基体更低的局部磁各向异性，导致样品的矫顽力较低。因此，材料既具有出色的应力阻抗效应并兼具软磁性。

 

【全文小结】

1.Fe-Ni-B-Si-P-Nb双相软磁金属玻璃的晶化行为缓慢且复杂，包含b.c.c.相析出、Fe23B6相析出和b.c.c.-to-f.c.c.多型性相变3个阶段。

2.在结晶温度以下短时间退火可显著增强该金属玻璃的应力阻抗效应。

3.嵌入非晶基体中的稳定b.c.c.纳米团簇作为结构异质体，增强了该金属玻璃的塑性，并增加了局部结构各向异性，从而导致良好的应力阻抗效应。

 

【作者简介】

 

     兰司，南京理工大学材料学院教授、副院长、博士生导师，国家优秀青年基金获得者，江苏省杰出青年基金获得者，中国金属学会非晶合金分会委员，江苏省材料学会、物理学会委员，MRS、TMS 和香港物理协会会员，担任中国散裂中子源科技委和用户委员会委员，日本中子源 J-PARC 函评专家，国际科学组织 VEBLEO 会士，稀有金属（中、英文）编委，MRL、金属学报等国际期刊青年编委。在 Nat. Mater.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、Acta Mater.、Phys. Rev. Lett.、Nano Letters 等国际学术期刊发表SCI论文130余篇。申请发明专利24项，授权7项。主持科技部科技计划青年科学家项目、国家自然科学优秀青年基金、江苏省自然科学基金杰出青年基金等多个国家和省部级项目。获2021年中国十大新锐科技人物、2021年江苏省高等学校科学技术研究成果三等奖、江苏省机械工程学会科技奖绿色制造科学技术进步一等奖。

 

     吴桢舵，香港城市大学（东莞）（筹）中子散射与应用物理研究中心研究员、科研处副处长。主要利用中子散射和同步辐射研究非晶合金的结构和相变，已在Nature Materials、Materials Research Letters、Applied Physics Letters等杂志发表论文40余篇。获得2022年Acta Materialia, Scripta Materialia杰出审稿人奖等。

 

     王安定，2012年获中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士学位。之后继续在宁波材料技术与工程研究所担任助理研究员和副研究员。2016-2021年，在香港城市大学担任研究员。现任东莞理工学院教授。主要研究方向为冶金学、磁学、非晶、纳米晶和晶体合金的微观结构动力学和热力学。