本书对软磁材料的基本概念、制备方法、成分设计理念等进行了介绍, 重点介绍FeNi基非晶软磁合金的分类、应用前景及其主要制备工艺、结构表征设备和性能检测原理, 并从成分设计的角度出发, 揭示在不同的合金体系中元素调控、玻璃化形成能力及不同析出相之间的相互竞争关系; 同时探索在等温条件下晶体结构演变与晶化动力学之间的内在关联。
本书适合材料科学与工程等专业学生使用, 也可供相关领域研究人员参考。

目录
第1 章 绪 论… 1
1. 1 引言… 1
1. 2 非晶合金的概况… 3
1. 3 非晶合金的制备方法… 6
1. 4 非晶合金的成分设计准则… 11
1. 5 非晶合金非晶形成能力的判定依据… 15
1. 6 非晶软磁合金概述… 20
1. 7 非晶合金的制备工艺… 24
1. 8 非晶合金的晶化动力学机制… 28
1. 9 合金元素对FeNi 基非晶软磁合金的作用机制… 35
1. 10 FeNi 基非晶软磁合金的研究现状及应用… 38
1. 11 研究内容… 41
第2 章 非晶软磁合金的制备及性能… 43
2. 1 引言… 43
2. 2 实验研究方案… 44
2. 3 制备工艺… 44
2. 4 热处理工艺… 48
2. 5 材料表征测试… 49
2. 6 材料磁性能测试… 53
第3 章 Nb 元素对FeNiBCu 合金性能的影响… 57
3. 1 引言… 57
3. 2 合金成分的测定… 58
3. 3 不同Nb 含量对FeNiBCuNb 合金非晶形成能力和
热稳定性的影响… 59
3. 4 不同Nb 含量对FeNiBCuNb 合金软磁性能的影响… 63
3. 5 不同退火温度对FeNiBCuNb 合金的影响… 65
3. 6 FeNiBCuNb 合金晶化动力学行为研究… 71
3. 7 本章小结… 82
第4 章 Si / B 对FeNiSiBCuNb 合金性能的影响… 84
4. 1 引言… 84
4. 2 合金体系的设计… 85
4. 3 不同Si/ B 含量对FeNiSiBCuNb 合金非晶形成能力和
热稳定性的影响… 87
4. 4 不同Si/ B 对FeNiSiBCuNb 合金软磁性能的影响… 92
4. 5 不同退火温度对FeNiSiBCuNb 合金晶化行为的影响… 94
4. 6 不同退火温度对FeNiSiBCuNb 合金软磁性能的影响… 100
4. 7 FeNiSiBCuNb 合金的晶化动力学研究… 103
4. 8 本章小结… 114
第5 章 FeNiSiB(P)CuNb 合金结构优化及软磁性能调控研究… 116
5. 1 引言… 116
5. 2 合金成分的设计与选择… 117
5. 3 P 对(Fe40Ni40Si9. 5B9. 5-x Px Cu1)0. 97Nb0. 03 (x =1, 2, 3, 4)
合金非晶形成能力的影响… 118
5. 4 FeNiSiB(P)CuNb 合金的热动力学研究… 119
5. 5 P 元素替换B 元素对FeNiBPSiCuNb 合金磁性能和
相结构的研究… 126
5. 6 本章小结… 140
第6 章 FeNi 基非晶合金磁性元素调控优化研究… 142
6. 1 引言… 142
6. 2 Fe/ Ni 比例对FeNiBSiCuNb 合金非晶形成能力及
热稳定性的影响… 143
6. 3 Fe/ Ni 比例对FeNiBSiCuNb 合金晶化行为的影响… 150
6. 4 Fe/ Ni 比例对FeNiBSiCuNb 合金软磁性能的影响… 154
6. 5 本章小结… 161
第7 章 总结、创新点及未来展望… 162
7. 1 本书总结… 162
7. 2 创新点… 164
7. 3 未来展望… 164
参考文献… 166

在不同的材料中, 根据不同的原子排列方式可以将自然界中的固体材料分为三大类: 晶体、非晶以及准晶体。晶体(Crystal) 是由大量的微小的物质单元(例如原子、分子或者离子等) 按照一定规律的排列方式组成的结构, 我们可以通过不同的微观结构单元来界定晶体的形貌。非晶(Amorphous State) 顾名思义不是晶体, 它没有固定的熔点, 同时结构也各不相同, 原子在长程排列中呈现无序化, 但是在少量原子内或者在小范围内存在一定的有序结构, 具有短程有序的特点, 是一种通过特殊的制备工艺获得的新型功能材料, 由于非晶兼具金属和玻璃的优点, 因此被称为金属玻璃(Metallic Glass)[1-4] 。准晶体(Quasicrystal) 是介于非晶和晶态之间的另一种物质, 虽然准晶体具有与晶体类似的结构形貌以及原子排列方式, 但是不具有晶体的平移对称性特点。通常, 处于高温熔融状态的金属液体在凝固过程中, 如果给予充足的冷却时间和适当的冷却速率, 原子将会由混乱状态逐渐趋于稳定的规则排列, 从而形成有序排列的晶体结构。但是,如果将熔融态的合金以较高的冷却速率(高于临界冷却速率Rc, 冷却速率约为104 ~107K/ s) 快速冷却至玻璃化转变温度Tg 以下时, 原子没有充足的时间完规则的排列达到较为稳定的结构, 这时合金中原子就像被瞬间“冷冻” 保留了原来无序的状态, 这样就获得了非晶结构。与传统的晶体结构相比, 由于非晶合金中的原子排列无序, 且呈现出拓扑无序的形貌, 因此不具有像晶体结构那样的晶界、位错以及堆垛层错等缺陷, 而具有独特的物理和化学特性, 比如具有高强韧性、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、优异的磁学特性。从制备工艺的角度来看, 非晶的制备工艺相比于传统材料更为简单, 一次成型, 同时在使用过程中具有节能环保的特点, 因此也被誉为21 世纪典型的生产和应用“双绿色” 材料 。目前, 非晶合金作为一种新型的功能型材料已被广泛应用于电子电力、生物医疗、军事航空等领域。一系列Fe 基 、FeCo 基 、FeNi基 、Cu 基 、Ti 基 、Zr 基等不同非晶合金体系被相继研发出来。其中Fe 基、FeCo 基、FeNi 基非晶合金由于具有铁磁性元素, 因此展现出较为优异的软磁性能, 与晶体合金相比, 具有高磁导率μ、高电阻率ρ、低矫顽力Hc 以及高饱和磁化强度等优势, 同时制备成本较低, 受到了国内外的广泛关注, 许多研究人员对此都作了大量的研究。作为硅钢、铁氧体和坡莫合金等传统软磁材料的替代产品, 非晶软磁合金的发现加速了我国电力电子行业逐渐向小型化、节能化、高效化的方向转变, 同时也是我国战略性新兴产业之一, 对全面提升我国磁性材料、电机、智能装备的技术水平, 加速我国工业装备制造的转型升级, 真正实现在加工制造过程中的绿色化发展具有深远的意义。FeNi 基非晶软磁合金是最早投入使用、也是应用量较大的非晶软磁材料之一, 它具有矫顽力小、磁导率较高、频率特性好、稳定性好等特点, 常替代坡莫合金, 目前广泛使用的FeNi 基非晶软磁合金有Metglas2826MB (Fe40Ni38Mo4B18 )、Vitrovac4040F (Fe40Ni40 ( MoSiB)20 )、Metglas2826(Fe40Ni38P14B6)等。令人遗憾的是, FeNi 基软磁合金的非晶形成能力较低, 过冷液相区的稳定性差, 在后期热处理过程中不易控制晶化过程, 导致综合软磁性能的恶化。另外, FeNi 基合金体系中的最优退火温度区间较窄, 不利于工业中的大批量稳定生产。因此, 研发一系列高非晶形成能力、高热稳定性且具有优异综合软磁性能的FeNi 基非晶软磁合金体系是当前亟待解决的关键问题之一。

FeNi 基非晶软磁合金作为新型软磁材料之一, 具有矫顽力(Hc ) 小、磁导率(μ) 高、频率特性好等优势, 已被广泛应用于磁头、精密互感器、磁屏蔽及生物传感器等领域。然而, FeNi 基合金仍存在非晶形成能力弱、热稳定性差以及饱和磁化强度较低等一系列问题, 因此, 研发新型高性能FeNi 基非晶软磁合金将成为保障我国电力电子器件技术向高效化、轻便化、节能化方向发展的迫切需要的任务之一。近年来, 国内外研究人员针对高性能非晶软磁合金作了大量研究, 从理论和试验上都取得突破性进展, 也推动了非晶软磁合金向高频化、小型化、轻量化以及智能化方向发展。随着近年来电力电子行业的迅猛发展,该行业对高特性、低功耗、节能等环境友好型的非晶软磁合金提出了更高的要求。从发展历程来看, FeNi 基合金是最早投入使用的合金体系之一,早在1987 年, 美国已经开发出牌号为Metglas 2826 的合金体系, 未来该合金体系将成为坡莫合金的替代品。FeNi 基非晶软磁合金具有高强度、高硬度、高耐腐蚀性以及低矫顽力、稳定的磁导率等优异的综合软磁性能, 会有较为广阔的应用前景。然而, 目前FeNi 基非晶软磁合金由于存在非晶形成能力差、热稳定性低、晶化析出相不稳定等问题, 在工程应用上成材率低, 制造成本大大增加, 这限制了FeNi 基合金在工程上的广泛应用。另外,FeNi 基非晶软磁合金相比于Fe 基软磁合金而言, 其热处理条件要求比较苛刻, 同时热处理之后初晶相并不是软磁相α-Fe, 这导致饱和磁化强度没有明显提升。
本书共分三部分。第一部分包括第1 章绪论, 对软磁材料基本概念、制备方法、成分设计理念等进行介绍, 重点介绍非晶软磁材料的分类以及应用前景。第二部分包括第2~4 章, 介绍FeNi 基非晶软磁合金的主要制备工艺、结构表征设备以及性能检测原理。第三部分包括第5 章、第6 章, 从成分设计的角度出发, 揭示在不同的合金体系中元素调控、玻璃化形成能力以及不同析出相之间的相互竞争关系, 同时探索在等温条件下晶体结构演变与晶化动力学之间的内在关联。阐述了掌握高韧性FeNi 基非晶合金带材的制备工艺流程, 制备出可同时满足高非晶形成能力、低矫顽力、高磁导率等性能需求的FeNi 基非晶软磁合金, 为开发新型FeNi 基非晶软磁材料提供创新性的理论依据及解决方案。希望本书的出版能够起到抛砖引玉的效果, 激发读者对非晶软磁合金材料研究和开发的浓厚兴趣, 并对促进我国电子设备向高效化、轻便化、节能化方向发展, 保障我国电力电子行业安全、高效、绿色发展贡献一份力量。非晶软磁材料研究涉及学科知识较广, 笔者学识有限, 虽然在撰写过程中竭尽努力, 但时间精力有限, 书中不足之处, 还望读者不吝指正,甚为感激! 在本书撰写过程中, 笔者得到太原科技大学张克维教授的帮助与支持, 在此表示衷心的感谢。同时, 本书的出版也得到了国家自然科学基金委项目(No. 52401242)、山西省科技厅自然科学基金(面上项目, 项目编号: 202403021221147) 的支持, 在此一并表示感谢。