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王军强团队用精准调控解了非晶带材退火变脆难题

时间:2018-5-5 15:37:00   来源:变压器市场网   添加人:admin

  铁基非晶合金具有优异的软磁性能,在变压器、电抗器、磁放大器、开关电源等电磁器件中具有广泛应用前景。然而,淬态铁基非晶合金的软磁性能并不好,比如矫顽力较大、磁导率较低。这主要是因为淬态铁基非晶合金中存在内应力,磁弹耦合作用使得软磁性能变差。为了改善铁基非晶合金的软磁性能,需要降低或消除样品中的内应力。目前主要通过在玻璃转变温度附近退火加速原子弛豫,降低内应力从而改善软磁性能。但退火处理会恶化力学性能,导致非晶合金变脆,使得条带加工性能和器件稳定性变差。如何在改善磁性能的同时,保持良好的力学性能,对非晶合金的应用具有十分重要的意义。

  退火过程主要是利用弛豫现象调控非晶合金性能,然而非晶合金中存在丰富的弛豫现象。不同弛豫模式之间也存在耦合作用。如何实现不同弛豫模式的精准调控对理解不同弛豫模式对性能的影响规律具有重要意义。

  近期中科院宁波材料所宋丽建、何娜娜同学在王军强和霍军涛两位老师的指导下,利用高精度、超快升降温速率的闪速扫描量热仪,系统研究了不同合金体系在等温退火处理条件下的弛豫动力学行为。发现等温退火过程不是单一的弛豫模式,而是存在从β弛豫向弛豫的转变过程,如下图一所示。即低温短时间退火时,非晶合金经历β弛豫阶段,当退火温度足够高或者退火时间足够长则会触发弛豫行为。这种等温转变过程是排列疏松区域自由体积的湮灭使得原子协同运动增强引起的。这些结果表明可以实现非晶合金中不同弛豫模式的精准调控。

  图一:弛豫激活能随着退火温度和退火时间的演化规律,存在从β弛豫向弛豫的转变过程。

  进一步他们通过精准控制铁基非晶合金中的弛豫模式,研究了不同弛豫模式对铁基非晶合金软磁功能特性和力学变形能力的影响。发现不同弛豫模式对铁基非晶合金的软磁性能影响存在显著区别。β弛豫阶段能够有效改善软磁性能,矫顽力明显降低,而磁导率明显升高,同时保持良好的力学性能;弛豫阶段对软磁性能没有明显影响,矫顽力和磁导率基本保持不变,但力学变形能力变差,非晶合金变脆,见图二。说明通过精准调控非晶合金中弛豫模式,可以实现改善软磁性能而不恶化力学性能。

  图二:等温退火过程中弛豫激活能、软磁性能和变形能力随着退火时间的演化规律。

  图三:铁基非晶合金弛豫激活能随温度和时间的变化,标注的热处理区意味着综合性能的提高。

  以上工作表明,不同弛豫模式对非晶合金不同性能的影响规律不同,通过精准控制非晶合金中的弛豫模式,可以解决不同性能之间顾此失彼的问题,实现综合性能的提高,这些结果对改善软磁非晶合金加工工艺具有重要的意义。相关成果发表在Intermetallics, 93, 101 ,并申请了国家发明专利。

  非晶中国大数据中心信息:非晶变压器过去一直受到诟病是突发短路问题,而产生短路主要原因是:非专业制造铁心企业在 铁心退火时更易变脆,在变压器油里产生很多碎屑造成的。王军强团队这成果有望解决这个难题,让非晶变压器不再因此造成短路,这对推广高效节能非晶变压器有重要意义。

  王军强,中科院宁波材料所研究员,博士生导师。中科院百人计划特聘研究员,浙江省“千人计划”人才。

  中科宁波材料所宋丽建、王军强供稿,非晶中国整理编辑。