[发明专利]铁锆硼掺杂纳米晶巨磁阻抗薄带材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种铁锆硼掺杂纳米晶巨磁阻抗薄带材料及制备方法，属于功能材料技术领域。

1992年，日本名古屋大学的毛利佳年雄等，首先在非晶Co_70.5Fe_4.5Si₁₅B₁₀丝中发现了巨磁阻抗效应。后来其他人在非晶Co_75-xFe_xSi₁₅B₁₀薄带也测到了巨磁阻抗。他们利用Co基非晶薄带(或丝)的小的负磁致伸缩，在外加纵向应力或外加横向磁场下进行低温退火，形成横向磁各向异性，从而产生巨磁阻抗效应(参考文献：1．K.Mohri，K.Kawashima，H.Yoshida and L.V.Panina，IEEE Trans.Magn.28(1992)3150.2．F.L.A.Machado，C.S.Matinss，S.M.Rezendes，Phys.Rev.B51(1995)3926)。这类Co基非晶态(CoFeSiB系或CoCuNbSiB系)丝、非晶薄带或非晶薄膜存在一个致命的弱点，那就是温度稳定性差，温度引起的时效老化严重。它的第二个缺点是热处理工艺复杂，需在外加纵向应力或外加横向磁场的条件下进行退火热处理，使成本提高。这类材料的再一个弱点是四元或五元系，因而元素掺杂对饱和磁场和磁阻抗的调控作用相对地比较小。

本发明的目的在于：克服上述现有材料的弱点，提供一类温度稳定性好，热诱导时效老化小，饱和磁场和磁阻抗比可以调控的高灵敏度的巨磁阻抗薄带材料，其次是提供一种简便易行的制备方法。

本发明的主要内容是：其一，采用新的铁锆硼(FeZrB)材料其组分为Fe_100-x-y-zZr_yB_zM_x，其中x=0～5，y=5～10，z=3～10；掺杂的物质M是铜、钒、铬、镍(Cu，V，Cr，Ni)金属材料中的一种，其二，将所需的原料通过熔炼、快淬，形成铁锆硼(FeZrB)基的非晶态薄带材料；再经过退火热处理，一方面使其变为纳米晶，再一方面以形成横向磁各向异性；从而得到纳米晶巨磁阻抗薄带材料，具体工艺步骤如下：

(1)首先将铁、锆、硼和掺杂物M原料，按合金成分配比称料，放入真空电弧炉内，然后进行抽真空，当真空度达2×10^-1pa以上时，充入惰性气体氩，气压控制在1.1～11.2Pa，这时开始进行电弧熔炼，熔炼温度为1400～2000℃，时间为10～30分钟，随炉冷却后得到母合金。熔炼母合金也可以在真空电炉或真空感应炉内进行，其真空度、熔炼温度范围、熔炼时间等与电弧熔炼基本相同。

(2)将熔炼好的母合金放入石英或氮化硼坩埚内，坩埚底部开有一个宽为0.1～0.5毫米，长为0.5～1.5毫米的矩形小孔，再将装有母合金的坩埚置于真空系统中的高(中)频感应炉(线圈)内，感应炉正下方为一20～30厘米的纯铜或铜合金辊轮，辊轮表面光滑平整，然后对系统进行抽真空，当真空度达到2×10^-1pa以上时，充入惰性气体(如氩)保护，此时开始感应加热，加热温度为1300～1600℃，时间为5～10分钟，待母合金熔化后，转动辊轮，转动速度为20～60米/秒，等到转动速度稳定后，利用压力在50～100Pa氩气流，吹压熔化了的母合金从坩埚底部的小孔喷出，喷射到转动的辊轮表面，因快速冷却而凝固成5～20毫米宽，20～50微米厚的非晶薄带。

(3)将得到的非晶薄带置于真空退火炉中，而后抽真空，待系统的真空度优于3×10^-3pa时，再充入惰性气体(如氩)进行保护，加热进行热处理，热处理温度为500～600℃，保温时间为3～6小时，然后随炉冷却，最终得到30～50纳米大小的纳米晶组织，同时形成横向磁各向异性，获得高MI比、高灵敏度的巨磁阻抗薄带材料。

采用本发明制成的铁锆硼掺杂的纳米晶巨磁阻抗(GMI)薄带材料具有良好的热稳定性，同时简化了生产工艺，降低了生产成本，适合于大批量生产。

实施例1：

将原料按照Fe₈₈Zr₇B₄Cu(即88at％Fe，7at％Zr，4at％B，1at％Cu)的成分配料，换算成重量百分比为86.8wt％Fe，11.3wt％Zr，0.8wt％B，1.1wt％Cu，使用原料的纯度为99.9～99.99％，将配好的原料放入电弧炉内，抽真空到3×10^-1pa，充入大约5．6Pa的氩气，将电弧电流保持在270A，在1600℃温度下，反复熔炼，时间为15分钟，随炉冷却后形成均匀的钮扣状的母合金，将炼成的母合金破碎成小块，装入真空系统中底部开有小孔的石英坩埚内，小孔的宽度为0.4毫米长为1.0毫米，关闭真空系统，进行抽真空，至8×10^-3Pa时，充入5.6Pa的氩气。接通感应炉，开始对合金加热，到呈液态，在1600℃下保温5分钟，启动辊轮转动，线速度约为22米/秒。待辊轮转动平稳后，在石英坩埚上端口快速通入压强达50Pa的氩气，将熔化了的合金穿过底部小孔，喷射到转动的辊轮表面，凝固成30～50微米厚的非晶合金薄带。把非晶合金薄带放入真空退火炉中进行热处理。将退火炉抽真空至3×10^-3Pa，快速升温到550℃，保温4小时，然后自然随炉冷却到室温，最终得到30～50纳米大小的纳米晶组织。在10MHz下，其磁阻抗(MI)比ΔZ/Z=[Z_max(H))-Z(75Oe)]/Z(75Oe)=264％，灵敏度可达30％/Oe，其饱和磁场为52Oe。