1、鋼鐵研究總院博士學(xué)位論文電沉積磁性合金薄膜材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究姓名:劉天成申請學(xué)位級別:博士專業(yè):材料學(xué)指導(dǎo)教師:盧志超;李德仁20070601 第一章文獻綜述1.1磁性材料研究開發(fā)的現(xiàn)狀與進展1.1.1磁性材料的種類、特性和應(yīng)用磁性材料是功能材料的重要分支,利用磁性材料制成的磁性元器件具有轉(zhuǎn)換、傳遞、處理信息、存儲能量、節(jié)約能源等功能,廣泛地應(yīng)用于能源、電信、自動控制、通訊、家用電器、生物、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工、選礦、物理探礦、軍工等領(lǐng)域,尤其在信息技術(shù)領(lǐng)域己成為不可缺少的組成部分。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展,從而對磁性材料提出了更高的標(biāo)準(zhǔn),要求磁眭材

2、料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度,而且具有可靠性、耐久性、抗振動和低成本的特點。并以應(yīng)用磁學(xué)為技術(shù)理論基礎(chǔ),與其他科學(xué)技術(shù)相互滲透、交叉、相互聯(lián)系,成為現(xiàn)代高新技術(shù)群體中不可缺少的組成部分【”。磁性材料產(chǎn)業(yè)也飛速發(fā)展起來,1999年的市值達到了300億美元,不同磁性材料所占市場份額如圖1.1所示【2j。 圖1.1磁性材料的全球市場分配圖按照磁性的種類,磁性材料可以分為軟磁材料、硬磁材料、半硬磁性材料;按照材料的化學(xué)組成,可以將磁性材料劃分為金屬磁性材料和非金屬(陶瓷鐵氧體磁性材料;按照使用形態(tài),又可分為塊狀體、粉末和薄膜型磁性材N.t3J。磁性材料按磁性分類如下:1軟磁材料主要是既容易

3、受外加磁場磁化,又容易退磁,矯頑力很低的磁性材料。 翊毯班盈基醫(yī)攫±堂僮監(jiān)室20406020,Ft妊,圖1.4電沉積NiFe合金中內(nèi)磁場與Fe含量的關(guān)系2晶粒度。采用電沉積法制備的納米合金薄膜材料經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚?其微觀組織結(jié)構(gòu)是由直徑為1030nm的單相金屬晶粒和非晶基體構(gòu)成的雙相結(jié)構(gòu)。由于非晶基體沒有層錯、位錯等晶體缺陷和晶間相,導(dǎo)致材料具有很好的力學(xué)性能和很高的耐腐蝕性能。彌散在非晶基體上的單相金屬晶粒又使材料具有晶體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致材料的電阻率明顯小于非晶態(tài)合金。這種雙相結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料具有高強度、高韌性、高耐腐蝕性能,同時又具有接近相應(yīng)晶態(tài)合金的電阻率。很小的晶粒尺寸導(dǎo)致很小的磁晶各

4、向異性,這是使納米合金薄膜材料獲得優(yōu)異軟磁性能的主要原因。郭占成等人用電沉積法制備的鐵鎳合金箔,背面不經(jīng)腐蝕處理,電鏡下看不到晶界;而其正面,即使不經(jīng)腐蝕處理,其晶粒形狀和大小十分清晰,如圖1.5所示酬。從合金箔表面形貌看,隨著合金元素Ni含量的增加,晶粒缺陷越來越少。Ni-Fc合金箔表面圖像顯示只有一種晶體,說明Ni與Fe形成了一種固溶體結(jié)構(gòu)。鎳對鐵有細(xì)化晶粒的作用,隨著鎳含量的增加,晶粒越來越小。電沉積鐵基和鎳基合金箔有很好的磁性能,較熔鑄SLN鐵基和鎳基合金帶,其磁性能顯著提高,主要原因可能是由于其晶粒細(xì)小,接近納米晶的原故。較熔鑄軋制坡莫合金,電沉積坡莫合金的剩磁很小,表現(xiàn)出很好的超順

5、磁性。這也說明其晶粒非常小,因為一般超順磁性出現(xiàn)在顆粒臨界尺寸10rim量級。 圖1.5電沉積鐵鎳基合金箔的組織形貌 組送丑盔!總醫(yī)建±堂僮論塞電沉積過程中施加磁場能夠改變電沉積過程,影響NiFe合金薄膜的各種性能f58】。1.2.4.1磁場對電沉積結(jié)晶形貌的影響溫艷玲等在鎳.鐵膜沉積過程中施加了與電流方向平行的強磁場,研究了穩(wěn)恒磁場對電沉積鎳.鐵膜微觀形貌的影響,圖1.7是不同磁場下電沉積鎳一鐵合金膜的表面和截面微觀形貌照片。無磁場下電沉積鎳.鐵合金樣品,呈樹枝晶狀生長,主軸粗大,間距寬,二次枝晶發(fā)達,表面上則為長條狀晶粒均勻分布;隨著外加磁場增強。樣品雖然仍以樹枝晶形式從基片端向

6、外連續(xù)生長,然而主軸逐漸細(xì)化,間距明顯減小,且二次枝晶的生長受到抑制,逐漸變短或消失,表面晶粒也由長條狀逐漸斷為塊狀,且晶粒越來越小;12T強磁場的電沉積樣品,主軸進一步變細(xì),且出現(xiàn)斷裂趨勢。與無磁場相比,強磁場下電沉積樣品的厚度明顯增加。 圖1.7不同磁場強度對電沉積Ni.Fe合金薄膜形貌的影響1.2.4.2磁場對電沉積薄膜成分及磁性能的影響施加外磁場后,磁致對流影響了擴散層內(nèi)帶電粒子向陰極表面的傳質(zhì),使Fe”的傳質(zhì)速度相對于Ni2+更大,并且磁場越強,差值越大,從而鍍層中鐵含量越高。Ibro 等【刪也曾指出攪拌速率和電流密度不同,可以導(dǎo)致鐵含量的增加或減小。其實質(zhì)也是指傳質(zhì)的影響。圖1.8

7、所示為電沉積樣品中鐵含量及飽和磁化強度與制備磁場的關(guān)系曲線。隨制備磁場的增強,樣品的鐵含量線性增大,同時飽和磁化強度也線性增鉑鮭班宜總醫(yī)盟±堂位!僉塞加。因為飽和磁化強度只與樣品成分有關(guān),測試結(jié)果與磁化理論相一致川。o鈿盤g o 墨芒￥圖1.8薄膜鐵含量及飽和磁化強度與制備磁場的關(guān)系曲線1.2.4.3磁場對電沉積過程的影晌有文獻ss,62提出在H/J條件下電沉積Ni.Fe合金薄膜過程中,鍍液中金屬陽離子受到電場力向陰極運動(FE-島,由于溶液擾動和離子所處原始位置不同,部分初速度存在水平方向分量的離子,在強磁場中受到洛倫茲力(凡的作用,會轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D1.9N示的螺旋運動形式,最終到達陰

8、極表面放電。Ni2+和Fe2+帶電荷數(shù)相同,原子質(zhì)量相似,且磁場下所受洛倫茲力與陰極表面平行,其傳質(zhì)速度不受平行磁場的影響。因此鎳一鐵合金膜的成分隨磁場變化不明顯。 圖1.9平行磁場下電沉積的傳質(zhì)過程示意圖電沉積過程中施加垂直磁場H上J時,其沉積過程所受作用力與平行磁場的相同,但是磁場作用方向存在差異。圖1.10給出了垂直磁場下電沉積Ni.Fe合金的傳質(zhì)過程、時暑咖日 鋼鐵研究總院博士學(xué)位論文 圖2.3多功能電位滴定儀2.2.2.3實驗步驟(1按工藝規(guī)范配制硫酸鹽.氯化物體系所需體積的Ni.Fe合金鍍液,配制0.01mol/L硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液1L,配制l%的淀粉溶液作為指示劑,配制鹽酸溶液(HCI:H20體積比為1:1。(2將不銹鋼陰極經(jīng)過砂紙研磨,清洗干凈后烘干,將待鍍表面封成6mm×5mm面積大小,其余部分用塑料膠布密封。待鍍表面用丙酮除油后,將陰極放入干燥器中待用。(3在水浴鍋中將鍍液加熱至指定溫度并保持恒溫。將與電源連接好的電極放入裝有鍍液的燒杯中,按計算好的電流值開始通電,并開始計時。(4根據(jù)不同的電鍍時間從燒杯中取出少許鍍液,每次分別準(zhǔn)確量取鍍液2ml置于三個150ml的錐形瓶中。(5在每個錐形瓶中加入去離子水5mL,加入配制好的鹽酸溶液5mL,再加入固體碘化鉀29。(6在每個錐形瓶中加入約70"C的去