近日，安徽工業(yè)大學侯龍老師團隊在富鈷鐵基納米晶合金軟磁性能優(yōu)化領域取得重要進展。該研究以題為“Magnetic field-assisted two-step annealing for super magnetic softness in Co-rich Fe-based nanocrystalline alloys”的論文發(fā)表于材料科學與技術領域頂級期刊《Journal of Materials Science & Technology》。科研團隊使用致真精密儀器的磁光克爾測量系統(tǒng)，通過證實磁場輔助兩步退火后合金磁疇特征，為破解其飽和磁通密度-矯頑力(Bs?Hc)權衡關系提供了關鍵證據。

▲《Journal of Materials Science & Technology》期刊論文截圖。

▲致真精密儀器磁光克爾測量系統(tǒng)直接觀測到的(Fe0.8Co0.2)84Ni2B12.5Cu1Si0.5合金磁疇形貌圖，清晰呈現了無磁場退火(NA1)、一步磁場退火(FA1)及兩步磁場退火(FA2)工藝下的磁疇差異。

軟磁材料是高效能源轉換與傳輸的核心材料，廣泛應用于變壓器、電機和電感器等電子器件。隨著5G通信、新能源汽車和智能制造的快速發(fā)展，對高飽和磁通密度和低矯頑力的軟磁材料需求日益迫切。然而，傳統(tǒng)鐵基納米晶合金面臨一個棘手的Bs-Hc權衡困境：提高飽和磁通密度往往導致矯頑力惡化，反之亦然。特別是當引入鈷元素提升磁性能時，其帶來的磁各向異性會嚴重損害磁軟度。如何破解這一權衡關系，成為軟磁材料領域的關鍵挑戰(zhàn)。

研究團隊設計了一種富鈷鐵基納米晶合金(Fe0.8Co0.2)84Ni2B12.5Cu1Si0.5，并提出磁場輔助兩步退火新策略。該策略將退火過程分為兩個階段：第一階段在280 °C下預退火10分鐘，在磁場輔助下進行結構弛豫，促進原子重排形成更均勻的亞納米尺度結構；第二階段在約400 °C下晶化退火5分鐘，再次施加磁場降低形核激活能，促進高密度類晶有序團簇形成，從而抑制粗大納米晶粒的生長。

圖1.制備與熱處理工藝示意圖（FA1和FA2過程中施加的磁場強度為 0.08 T）：(a) 帶材制備示意圖；(b) 熱處理流程示意圖；(c) 多參數退火工藝詳細說明圖。

研究團隊利用致真精密儀器的磁光克爾測量系統(tǒng)直接觀測磁疇演變，清晰揭示了磁場輔助兩步退火對磁結構的優(yōu)化作用。無磁場退火的樣品磁疇垂直于易磁化方向，存在大量分支和粗糙邊緣，釘扎效應顯著。經一步磁場退火后，磁疇趨于規(guī)則，釘扎點減少，磁疇壁接近外場方向。而經過兩步磁場退火的樣品，磁疇完全平行于外磁場，無可見釘扎點，磁化過程以磁疇轉動為主，實現了超低矯頑力。

微觀結構分析進一步揭示了這一現象的內在機理。磁場輔助兩步退火使合金形成高密度類晶有序團簇而非粗大納米晶，平均晶粒尺寸從35.9 nm降至17.6 nm。這種獨特結構使總磁各向異性顯著降低，與磁疇觀測結果高度吻合，為優(yōu)異的磁軟度提供了結構基礎。

圖2.(Fe0.8Co0.2)84Ni?B12.5Cu?Si0.5合金400 ℃退火后的微觀結構：(a、c) 明場透射電鏡圖像；(b、d) 對應的晶粒尺寸分布；(e、f) 為 (c) 中選定的Ⅰ、Ⅱ區(qū)域的局部放大圖像。

經優(yōu)化后的合金展現出卓越的軟磁性能，飽和磁通密度達到1.86 T，矯頑力僅為3.7 A/m，有效磁導率在1 kHz下達10700。與現有商用合金相比，該材料飽和磁通密度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)產品，同時保持極低矯頑力，成功破解了富鈷合金中的磁性能權衡難題。

該研究通過磁場輔助兩步退火實現了對合金原子構型和磁結構的協同調控，為設計高性能富鈷鐵基納米晶軟磁材料提供了新思路。

磁光克爾測量系統(tǒng)

磁光克爾測量系統(tǒng)可對磁性材料和自旋電子芯片進行高分辨磁疇成像，分辨率可達250 nm，配置高度智能化的控制系統(tǒng)和多功能磁場探針臺，將光學成像、多維磁場、電學輸運表征、微波測試、變溫模塊集成于一體，一鍵操作便能實現磁場、電流、自旋軌道矩、自旋轉移矩等各種激勵條件下的磁動力學過程觀察。配備微秒級快速反應磁場，能夠進行高精度磁疇速度測量和DMI測量。

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