CN111554465B - 一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁性功能材料制备技术领域，具体涉及一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用。该纳米晶软磁合金的组成成分包括Fe、Cu、Si、B、Nb、V和稀土金属，通过添加稀土金属可以增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用，提高纳米晶软磁合金高磁感应强度和高频高磁导率，加入稀土金属还可以净化纳米晶软磁合金中的其他原料，减少纳米晶软磁合金中的杂质。

Description

一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于磁性功能材料制备技术领域，具体涉及一种纳米晶软磁合金及其制备方法和应用。
背景技术
为应对全球能源危机，我国提出节能减排，发展绿色和低碳经济，并提出大力开发、推广节能技术和产品，全面推进节能减排工程，要求高频开关电源、逆变电源、共模扼流器和滤波器等高频电力电子器件向小型化、高效化、高频化的低能耗方向发展。传统软磁材料，如硅钢、坡莫合金和软磁铁氧体等已经在很多领域显示出其应用弊端，发展新型高性能软磁节能材料是传统电力电子产品升级换代的需求。
纳米晶软磁合金是一种兼具较高饱和磁感应强度、高磁导率、低矫顽力、低损耗、低磁致伸缩系数和低磁晶各向异性常数的综合磁性能优异的软磁合金。从1988年发现至今，纳米晶软磁合金可分为Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、V等)FINEMET系列、Fe-M-B-Cu(M＝Zr、Hf、Nb等)系NANOPERM合金、(Fe,Co)-M-B-Cu(M＝Zr、Hf、Nb等)HITPERM合金和Fe-Si-B-P(C)-Cu系的NANOMET合金四类纳米晶合金，其中，Fe-Si-B-M-Cu(M＝Nb、Mo、W、Ta等)系FINEMET合金的饱和磁感应强度要低于其他三类合金，高频磁导率远高于其他三类合金；同时NANOPERM合金、HITPERM合金和NANOMET合金这三类合金在1kHz以上频域应用时，损耗偏高，不利于高频应用，制备方法要求苛刻，需要在真空条件下制备，含有贵金属Co元素，生产成本高，因此至今还未得到推广应用。
日立金属Yoshizawa等人开发的FINEMET系列(典型成分Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1)纳米晶合金具有良好的高频性能，但是其饱和磁感应强度仅为1.24T，限制了电磁器件向小型化的发展。
中国专利文献CN101840763A公开了一种高饱和磁感应强度的铁基纳米晶软磁合金，该合金的原子％组成满足关系式FeTaBbCucCdMe，其中，T为Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、Mn、Cr中的至少一种，M为P、Si、N、Sn、Ge、Ga、Al中的至少一种。虽然该铁基纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度提高了，由于磁导率与矫顽力成反比关系，矫顽力大，磁导率低，该软磁合金的矫顽力为15A/m，因此，该软磁合金的磁导率较低，不满足高磁导率的要求。此外，该铁基纳米晶软磁合金中还包括活性元素C，在母合金熔炼和带材制备过程中易偏析造成淬态合金成分不均匀，使后续热处理条件和微结构调控困难，影响高频软磁特性。
中国专利文献CN110819914A公开了一种合金组成物，该合金组成物的表达式为FeaVαBbSicPxCyCuz，虽然该铁基纳米晶合金具有20A/m以下的矫顽力和1.65T以上的饱和磁感应强度，但该合金在高频下(尤其是100kHz)的磁导率低，难以满足高频变压器、共模电感、扼流器和无线充电模组等高频器件的应用需求。此外，由于Fe含量高，非晶形成能力差，在工业原料和工业条件下难以制备出晶粒细小且分布均匀的宽幅纳米晶合金。
中国专利文献CN104087833A公开了一种高频性能优良的铁基纳米晶软磁合金，合金的表达式为FeaSibPcCuxMy，其中，M为Zr、Ti、Ta、Hf、Nb、V、W、Mo、铂族元素、稀土元素、N等中的至少一种，该软磁合金在1kHz下的磁导率最高可达22000，同时损耗低，但是随着频率的升高，磁导率因其涡流损耗和剩余损耗而成呈下降趋势，在高频条件下维持高的磁导率难以实现。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的软磁合金难以兼顾高饱和磁感应强度和高的高频磁导率等缺陷，从而提供了一种纳米晶软磁合金及其制备方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种纳米晶软磁合金，组成成分包括Fe、Cu、Si、B、Nb、V和稀土金属。
所述稀土金属为La、Ce、Pr、Dy、Nd和Sm中的至少一种。
所述纳米晶软磁合金的组成表达式为FeaCubSicBdNbeVfMg；
其中，M为稀土金属，a～g表示原子百分含量(at％)，75.5≤a≤79，1≤b≤3，9.5≤c≤13.5，5.5≤d≤8.5，1≤e≤3.5，0.8≤f≤1.5，0.01≤g≤3。
进一步地，76.5≤a≤78，1.5≤b≤2.5，9.5≤c≤12.5，6≤d≤7.5，2.1≤e≤3.，0.9≤f≤1.3，0.1≤g≤2。
所述纳米晶软磁合金包括有序相和无序相；
所述有序相与无序相间隔设置，相邻的两个有序相的尺寸为0.5-2nm；
所述有序相的晶粒尺寸为8-16nm。
所述有序相的组成成分包括Fe和Si；
所述无序相的组成成分包括Cu、B、Nb和V；
所述稀土金属富集在有序相和无序相的交界。
所述纳米晶软磁合金的前驱体为长程无序结构的条带状；
所述条带状的带厚为16-20μm。
本发明还提供了一种上述纳米晶软磁合金的方法，包括，
各原料混合后，经第一加热后得到纳米晶软磁合金的前驱体；
经第二加热后得到纳米晶软磁合金。
所述第一加热的温度为1250-1370℃，所述第二加热的温度490-620℃。
此外，本发明还提供了上述纳米晶软磁合金或上述制备方法制备得到的纳米晶软磁合金在高频变压器、共模电感、扼流器、无线充电中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的纳米晶软磁合金，该纳米晶软磁合金的组成成分包括Fe、Cu、Si、B、Nb、V和稀土金属，通过添加稀土金属可以增加纳米晶软磁合金的有序相之间的铁磁耦合交换作用，提高纳米晶软磁合金高磁感应强度和高频高磁导率，加入稀土金属还可以净化纳米晶软磁合金中的其他原料，减少纳米晶软磁合金中的杂质。
2.本发明提供的纳米晶软磁合金，稀土金属为La、Ce、Pr、Dy、Nd和Sm中的至少一种，这些金属元素的电子结构为4f电子结构，这些金属元素富集在有序相和无序相的交界处，可以增加有序相间的铁磁耦合交换作用，从而提高纳米晶软磁合金的高磁感应强度和高频高磁导率。将La、Ce、Pr、Dy、Nd和Sm中的至少一种作为纳米晶软磁合金的原料有助于提高原料在高温熔融状态下形成均匀性的金属液体，在高速急冷条件下形成随机分布无序度高的纳米晶前驱体以及后期形成密度高、均匀性好的晶核，实现高密度超细纳米晶粒的析出，进而提高纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度和高频磁导率，降低工业宽幅纳米晶软磁合金的制备难度。
通过控制纳米晶软磁合金中稀土金属的用量，可以保证纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度和力学性能，当其含量较高时，纳米晶软磁合金的饱和次感应强度会降低，脆性会增加，因此，通过控制稀土金属的用量，可以提高带宽幅纳米晶软磁合金的可制备性，保证纳米晶软磁合金具有较高的饱和磁感应强度和高频磁导率，满足高频场合的需求以及高频器件的小型化。
3.本发明提供的纳米晶软磁合金，该纳米晶软磁合金在频率为100kHz下的磁导率不小于15000，在0.2T和100kHz下的损耗不高于285kW/m3，纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度不低于1.32T，兼具了高的高频磁导率和低的高频损耗，并且不需要高纯原料和高真空制备条件，降低了原材料成本和制备难度，便于应用推广，尤其适用于高频变压器、共模电感、扼流器、无线充电模组等中高频电磁应用领域。
4.本发明提供的制备纳米晶软磁合金的方法，该方法包括各原料混合后，经第一加热后得到纳米晶软磁合金的前驱体；经第二加热后得到纳米晶软磁合金。通过控制第一加热温度和第二加热温度，有助于获得数量密集、晶粒尺寸细小均匀的有序相，进而提高纳米晶合金的高频磁导率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中纳米晶前驱体的X射线衍射图；
图2是本发明实施例1中纳米晶前驱体的透射电子显微镜图和电子衍射图；其中，a为透射电子显微镜，b为电子衍射图；
图3是本发明实施例1中纳米晶软磁合金的透射电子显微镜图和电子衍射图；其中，c为透射电子显微镜图，d为电子衍射图；
图4是本发明实施例1中纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图；
图5是本发明实施例1中纳米晶软磁合金的磁导率与频率的变化曲线图；
图6是本发明对比例1中纳米晶前驱体的X射线衍射图；
图7是本发明对比例1中纳米晶软磁合金的透射电子显微镜TEM图；
图8是本发明对比例1中纳米晶软磁合金的磁导率与频率的变化曲线图；
图9是本发明对比例2中纳米晶软磁合金的透射电子显微镜TEM图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，76.5at％Fe、1.5at％Cu、10at％Si、8.5at％B、2.5at％Nb、0.8at％V和0.2at％Pr；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料、镨铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1320℃下保温45min后冷却，得到合金锭，然后在1350℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为60mm，带厚为18μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至540℃，保温60min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪(XRD)检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，见图1，该纳米晶前驱体的XRD衍射图表明，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜(TEM)和电子衍射观察(SAED)测试分析纳米晶前驱体的相结构，测试结果如图2所示，a为TEM图，b为SAED图。纳米晶前驱体的TEM图表明无成分起伏，SAED图中衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序结构，其结果与XRD结果相一致，说明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序结构。
通过Tecnai F20透射电子显微镜(TEM)和电子衍射观察(SAED)测试本实施例制备得到的纳米晶软磁合金的微观结构，分析该纳米晶软磁合金的相结构，结果如图3所示，c为TEM图，d为SAED图。由TEM图可知，热处理后纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为12nm，由SAED图可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构，为有序相。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，如图4所示。由初始磁化曲线图可知纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.37T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，如图5所示，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为52000，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为16500。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为245kW/m3。
实施例2
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，78.5at％Fe、1.2at％Cu、10at％Si、6.5at％B、1.5at％Nb、0.8at％V和1.5at％La；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料和镧铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1350℃下保温30min后冷却，得到合金锭，然后在1380℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为80mm，带厚为20μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至550℃，保温50min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为11nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.41T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为51500，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为16100。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为260kW/m3。
实施例3
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，77.3at％Fe、1.2at％Cu、9.5at％Si、8.5at％B、1.5at％Nb、0.8at％V和1.2at％Ce；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料和铈铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1320℃下保温40min后冷却，得到合金锭，然后在1350℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为100mm，带厚为19μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至560℃，保温60min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为13nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.38T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为52500，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为16000。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为270kW/m3。
实施例4
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，76.9at％Fe、1.2at％Cu、11.3at％Si、7.5at％B、1.7at％Nb、0.6at％V和0.8at％Nd；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料和钕铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1290℃下保温60min后冷却，得到合金锭，然后在1320℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为100mm，带厚为19μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至540℃，保温120min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为13nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.37T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为51800，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为16300。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为255kW/m3。
实施例5
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，77.9at％Fe、0.8at％Cu、10.9at％Si、7at％B、1.5at％Nb、0.8at％V和1.1at％Dy；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料和镝铁合金原料，按照上述比例混合，在1250℃下保温45min后冷却，得到合金锭，然后在1300℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为80mm，带厚为20μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至580℃，保温45min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为12nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.38T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为51600，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为16000。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为262kW/m3。
实施例6
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，77.3at％Fe、1.0at％Cu、9.8at％Si、8at％B、1.2at％Nb、1.0at％V、0.5at％Nd和0.5at％Sm；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料、钕铁合金锭原料和钐铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1370℃下保温20min后冷却，得到合金锭，然后在1400℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为50mm，带厚为18μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至560℃，保温60min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为13nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.36T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为50800，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为15900。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为270kW/m3。
实施例7
本实施例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，75.5at％Fe、2.9at％Cu、13.5at％Si、5.5at％B、1at％Nb、1.5at％V和0.1at％Pr；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料、镨铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1340℃下保温45min后冷却，得到合金锭，然后在1370℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为90mm，带厚为18μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至590℃，保温120min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
采用D8 Advance型多晶X射线衍射仪检测本实施例中纳米晶前驱体的微观结构，在纳米晶前驱体制备过程中，与空气接触面和与铜辊接触面均只在2θ＝45°附近出现弥散分布的馒头峰而无尖锐峰，相对应于存在随机取向的无序结构，不存在周期取向的晶体结构。采用Tecnai F20透射电子显微镜和电子衍射观察测试分析纳米晶前驱体的相结构，TEM表明无成分起伏，SAED衍射环为弥散分布的同心环，均表明纳米晶前驱体的微观结构为随机取向的无序。
通过透射电子显微镜和电子衍射观察纳米晶软磁合金的微观结构，表明纳米晶软磁合金的微观结构是高密度且细小的晶粒被无序结构所隔离，细小晶粒的尺寸为15nm，SAED可知细小晶粒的结构为体心立方的Fe(Si)结构。
通过振动样品磁强计(VSM)测试了纳米晶软磁合金的初始磁化曲线图，测试得到纳米晶软磁合金的饱和磁感应强度为1.32T。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线，在频率为1kHz测试条件下的磁导率为48000，在频率为100kHz测试条件下的磁导率为15000。通过交流B-H测试仪测试纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz测试条件下的损耗，其损耗值为285kW/m3。
对比例1
本对比例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，76.5at％Fe、1.5at％Cu、10at％Si、8.5at％B、2.5at％Nb和1.0at％V；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料和钒铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1320℃下保温45min后冷却，得到合金锭，然后在1350℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为60mm，带厚为18μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至540℃，保温60min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
XRD测试结果表明纳米晶前驱体与空气接触面在2θ＝65°附近出现明显的尖锐峰，相对应于周期取向的晶体结构，通过PDF卡片(PDF卡片上可找到每个相应的标准风，通过与PDF卡片的标准峰进行比对，可确定样品的相结构)比对发现该相结构为体心立方的Fe(Si)结构(见图6所示)。通过透射电子显微镜TEM观察纳米晶软磁合金与空气接触面的微观结构，TEM结果表明与空气接触面的纳米晶软磁合金的有序相晶粒粗大为500～600nm(见图7)，表明未添加Pr元素会使纳米晶前驱体出现表面晶化，由此获得的纳米晶软磁合金的有序相晶粒粗大。通过美国Aglient4924阻抗分析测试了本对比例的纳米晶软磁合金的磁导率随频率的曲线(见图8)，结果表明1kHz下磁导率仅为28000，100kHz下磁导率仅为7200；交流B-H仪的测试结果表明本对比例的纳米晶软磁合金在0.2T和100kHz下的磁导率为350kW/m3；其高频磁导率和高频损耗远远差于实施例1。由此说明，实施例1中加入Pr元素，可增加熔体的混乱度和净化杂质的作用，有助于获得随机分布的无序结构的纳米晶前驱体，进一步可获得细小均匀的有序相纳米晶晶粒。同时，Pr元素的添加可增强铁磁交换作用，进一步可提高纳米晶软磁合金的高频磁导率和降低高频损耗。
对比例2
本对比例提供了一种纳米晶软磁合金，其组成成分及各个成分的原子百分含量为，78.5at％Fe、1.2at％Cu、10at％Si、6.5at％B、3at％Nb和0.8at％V；
上述纳米晶软磁合金的制备方法，包括以下步骤，
将铁原料、铜原料、硅原料、硼铁合金锭原料、铌铁合金锭原料、钒铁合金锭原料和镧铁合金锭原料，按照上述比例混合，在1350℃下保温30min后冷却，得到合金锭，然后在1380℃将合金锭加热至熔融的液体态后，通过狭长喷嘴喷射到旋转的铜辊上，得到纳米晶前驱体，宽度为80mm，带厚为20μm。
将纳米晶前驱体放入热处理炉中，加热至550℃，保温50min，冷却后得到纳米晶软磁合金。
XRD测试结果表明纳米晶前驱体与空气接触面在2θ＝65°附近出现明显的尖锐峰，相对应于周期取向的晶体结构，通过PDF卡片比对发现该相结构为体心立方的Fe(Si)结构。通过透射电子显微镜观察TEM纳米晶软磁合金与空气接触面的微观结构，TEM结果表明与空气接触面的纳米晶软磁合金的晶粒粗大为400～550nm，如图9所示，由此说明，在实施例2中加入La元素，可增加熔体的混乱度和净化杂质的作用，有助于获得随机分布的无序结构的纳米晶前驱体。阻抗分析仪测试结果表明100kHz下磁导率仅为8100；交流B-H仪的测试结果表明0.2T和100kHz下的磁导率为350kW/m3；其高频磁导率和高频损耗远远差于实施例2，由此证明，La元素的添加可增强铁磁交换作用，提高纳米晶软磁合金的高频磁导率和降低高频损耗。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种纳米晶软磁合金，其特征在于，组成成分包括Fe、Cu、Si、B、Nb、V和稀土金属；
所述纳米晶软磁合金包括有序相和无序相；
所述有序相与无序相间隔设置，相邻的两个有序相的尺寸为0.5-2nm；
所述有序相的晶粒尺寸为8-16nm；
所述有序相的组成成分包括Fe和Si；
所述无序相的组成成分包括Cu、B、Nb和V；
所述稀土金属富集在有序相和无序相的交界。
2.根据权利要求1所述的纳米晶软磁合金，其特征在于，所述稀土金属为La、Ce、Pr、Dy、Nd和Sm中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的纳米晶软磁合金，其特征在于，所述纳米晶软磁合金的组成表达式为FeaCubSicBdNbeVfMg；
其中，M为稀土金属，a～g表示原子百分含量(at％)，75.5≤a≤79，1≤b≤3，9.5≤c≤13.5，5.5≤d≤8.5，1≤e≤3.5，0.8≤f≤1.5，0.01≤g≤3。
4.根据权利要求3所述的纳米晶软磁合金，其特征在于，76.5≤a≤78，1.5≤b≤2.5，9.5≤c≤12.5，6≤d≤7.5，2.1≤e≤3.，0.9≤f≤1.3，0.1≤g≤2。
5.一种制备权利要求1-4任一项所述纳米晶软磁合金的方法，其特征在于，包括，
各原料混合后，经第一加热至熔融液体态后，进一步得到纳米晶软磁合金的前驱体；
经第二加热后得到纳米晶软磁合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述纳米晶软磁合金的前驱体为长程无序结构的条带状；
所述条带状的带厚为16-20μm。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一加热的温度为1250-1370℃，所述第二加热的温度490-620℃。
8.权利要求1-4任一项所述的纳米晶软磁合金或权利要求5-7任一项所述的制备方法制备得到的纳米晶软磁合金在高频变压器、共模电感、扼流器、无线充电中的应用。
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