1. 引言
继日本日立公司Yoshizawa [1] [2] 等人于二十世纪后半期首次发现了一类成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 (商品名称为“FINEMET”)物质显示出优异的软磁性能的新型Fe基合金后，人类Fe基纳米晶合金的应用价值逐步开始了解。纳米晶磁芯 [3] 作为现代电子设备中重要的软磁材料，具有广泛的应用潜力。在变压器磁芯、电机磁芯、高频电源、传感器和储能等领域，纳米晶磁芯已经显示出优异的性能，例如高磁导率、低矫顽力、低损耗等软磁特性 [4] [5] [6] ，这些优异的性能使得纳米晶磁芯成为了提高电子设备效率和性能的理想选择。然而，纳米晶磁芯的制备过程中存在着多种拼接方式 [7] [8] ，这些不同的拼接方式对磁芯软磁性能会产生显著的影响。拼接方式的不同决定了磁芯内部晶粒的排列方式和晶界的结构，从而影响了磁芯的磁滞、矫顽力以及导磁性能等关键指标 [9] [10] [11] 。因此，深入研究不同拼接方式对纳米晶磁芯软磁性能的影响，对于优化纳米晶磁芯的设计和制备过程具有重要的指导意义。过去的研究中，一些拼接方式的影响已经得到了初步的探索。例如，焊接和粘接是常见的拼接方式，它们可以实现磁芯的连接，并且具有不同的热处理工艺和晶界结构。此外，还有一些新兴的拼接方式，如纳米颗粒填充，它们在纳米晶磁芯的制备中得到了越来越广泛的应用。然而，尚缺乏系统性的研究，以全面评估这些不同拼接方式对纳米晶磁芯软磁性能的影响。因此，本文通过对不同拼接方式纳米晶磁芯样品的性能测试，并对其磁滞回线、饱和磁感应强度、矫顽力以及磁导率等关键性能进行详细的表征和比较，探讨不同拼接方式对纳米晶磁芯软磁性能的影响。
2. 实验
2.1. 磁芯制备与拼接
本研究根据所需成分进行原料配比，通过单辊快淬法制得Fe85.75Cu1.32Nb3Si7.4B1.65C0.0332 (Fe基合金)非晶薄带 [12] ，如图1所示，使用交流感应熔炼母合金至熔融状态，将熔融态下的母合金液在氩气作用下从石英玻璃管下的喷嘴喷出，经高速旋转的水冷铜棍作用后甩出成带。
Figure 1. Schematic diagram of narrow band preparation device using single roll rapid quenching method
图1. 单辊快淬法窄带制备装置示意图
制带时的各参数如下：铜辊转速1300转/min (铜辊周长为1.2 m)，氩气压强0.03 MPa，喷嘴直径0.85 mm，辊嘴间距0.2 mm。制备得到的非晶带材见图2，其宽500 μm、厚19 μm。
Figure 2. Schematic diagram of amorphous narrowband
图2. 非晶窄带示意图
在氮气作用保护下，经540℃退火40 min，将其采用绝缘塑料纸外包、棉线困扎，一端浸入调配好的环氧树脂固化剂中，另一端采用抽真空浸泡，直至固化剂全部浸没至磁芯。然后采用机械模具压制成长80.0 mm，宽6.0 mm，高3.5 mm的条状磁芯，常温下干燥24 h。将压制好的条形磁芯通过机械打磨拼接成斜接口三角形磁芯、斜接口正方形磁芯、斜切口圆环磁芯(磁芯规格：长300.0 mm，宽6.0 mm，高3.5 mm) (图3)。
Figure 3. Schematic diagram of magnetic core splicing method
图3. 磁芯拼接方式示意图
2.2. 磁芯性能测试
实验使用环氧树脂固化剂为环氧树脂AB胶2:1的比例混合液。
使用天恒测控TD-8220A软磁直流测试系统测试磁芯样品在Hm = 1000 A/m下的直流软磁特性，得到磁滞回线、饱和磁感应强度Bs、起始磁导率μi、最大磁导率μmax、矫顽力Hc。
使用天恒测控TD-8120软磁交流测试系统测试磁芯样品在Bm = 0.1 T，f = 2 k、4 k、6 k、8 k、10 k、20 k、30 k、40 k、50 k、60 k、70 k、80 k、90 k、100 kHz的交流软磁特性，得到Pcm-f曲线、Pcv-f曲线(图4)。
Figure 4. Tianheng measurement and control AC and DC soft magnetic performance tester
图4. 天恒测控交、直流软磁性能测试仪
3. 结果与讨论
3.1. 拼接缝宽对纳米晶磁芯直流软磁特性的影响
3.1.1. 拼接缝宽对斜切口三角形磁芯直流软磁特性的影响
Figure 5. Hysteresis loop diagram of oblique interface triangular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths
图5. 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的磁滞回线图
图5为非晶细带经过540˚C自由退火后形成的纳米晶磁芯采用斜切口拼接时缝宽分别为0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm对应的斜切口三角形闭环磁芯的磁滞回线的曲线图。
(a)
(b)
Figure 6. (a) Saturated magnetic induction intensity Bs of oblique interface triangular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths; (b) Residual magnetic induction intensity Br of diagonal interface triangular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths
图6. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的饱和磁感应强度Bs；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的剩余磁感应强度Br
Figure 7. Coercive force Hc of oblique interface triangular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths
图7. 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的矫顽力Hc
由图5~8可知拼接缝宽对磁芯软磁性能具有显著的影响：当拼接缝宽为0时，磁芯对应的饱和磁感应强度最大为0.4992 T；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.4031 T，与不拼接相比，饱和磁感应强度下降了19.25%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的剩余磁感应强度最大为0.007 T；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.0007 T，与不拼接相比，剩余磁感应强度下降了90.0%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的矫顽力最大为5.123 A/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的矫顽力最小为2.141 A/m，与不拼接相比，矫顽力下降了58.21%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的起始磁导率最大为0.7656 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的起始磁导率最小为0.2749 mH/m，与不拼接相比，起始磁导率下降了64.09%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的最大磁导率最大为1.3205 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的最小磁导率最小为0.3452 mH/m，与不拼接相比，最大磁导率下降了97.53%。
(a)
(b)
Figure 8. (a) Initial magnetic permeability ui of diagonal interface triangular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths; (b) Maximum magnetic permeability um of the diagonal interface triangular magnetic core corresponding to different splicing seam widths
图8. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的起始磁导率ui；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口三角形磁芯的最大磁导率um
对于斜接口三角形磁芯而言，角型斜切口导致磁通更为集中，减少了磁通的漏磁，从而提高了磁芯相应的软磁性能。通过减小磁通的非均匀分布，有助于减小磁芯的磁滞损耗和涡流损耗。因此，随着拼接缝宽的增大，斜接口三角形磁芯对应的饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矫顽力、磁导率逐渐减小。
3.1.2. 拼接缝宽对斜切口圆环磁芯直流软磁特性的影响
Figure 9. Influence curve of different splicing seam widths on the hysteresis loop of the oblique interface circular magnetic core
图9. 不同拼接缝宽对斜接口圆环磁芯磁滞回线的影响曲线图
图9为非晶细带经过540℃自由退火后形成的纳米晶磁芯采用斜切口拼接时缝宽分别为0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm对应的圆环磁芯磁滞回线的曲线图。
(a)
(b)
Figure 10. (a) Saturated magnetic induction intensity Bs of oblique interface circular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths; (b) Residual magnetic induction intensity Br of the oblique interface circular magnetic core corresponding to different splicing seam widths
图10. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口圆环磁芯的饱和磁感应强度Bs；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口圆环磁芯的剩余磁感应强度Br
Figure 11. Coercive force Hc of oblique interface circular magnetic core corresponding to different splicing seam widths
图11. 不同拼接缝宽对应的斜接口圆环磁芯的矫顽力Hc
由图9~12可知拼接缝宽对磁芯软磁性能具有显著的影响。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的饱和磁感应强度最大为0.4301 T；当拼接缝宽为1.0 T时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.3547 T，与不拼接相比，饱和磁感应强度下降了17.53%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的剩余磁感应强度最大为0.0058 T；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.0013 T，与不拼接相比，剩余磁感应强度下降了77.59%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的矫顽力最大为4.421 A/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的矫顽力最小为1.92 A/m，与不拼接相比，矫顽力下降了56.57%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的起始磁导率最大为0.706 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的起始磁导率最小为0.4944 mH/m，与不拼接相比，起始磁导率下降了29.97%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的最大磁导率最大为1.434 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的最小磁导率最小为0.747 mH/m，与不拼接相比，最大磁导率下降了47.91%。
(a)
(b)
Figure 12. (a) Initial magnetic permeability ui of oblique interface circular magnetic cores corresponding to different splicing seam widths; (b) Maximum magnetic permeability um of the oblique interface circular magnetic core corresponding to different splicing seam widths
图12. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口圆环磁芯的起始磁导率ui；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口圆环磁芯的最大磁导率um
对于斜接口圆环磁芯而言，斜切口的圆环磁芯通过调整磁通路径，减小涡流损耗和磁滞损耗。这种设计可以改善磁芯的整体性能，使其更适用于特定频率范围内的应用。因此，随着拼接缝宽的增大，斜接口圆环磁芯对应的饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、磁导率、矫顽力会逐渐减小。
3.1.3. 拼接缝宽对斜切口正方形磁芯直流软磁特性的影响
Figure 13. Influence curve of different splicing seam widths on the hysteresis loop of square magnetic cores with oblique interfaces
图13. 不同拼接缝宽对斜接口正方形磁芯磁滞回线的影响曲线图
图13为非晶细带经过540℃自由退火后形成的纳米晶磁芯采用斜切口拼接时缝宽分别为0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm对应的正方形闭环磁芯磁滞回线的曲线图。
(a)
(b)
Figure 14. (a) Saturated magnetic induction intensity Bs of oblique interface square magnetic cores corresponding to different splicing seam widths; (b) Remaining magnetic induction intensity Br of oblique interface square magnetic cores corresponding to different splicing seam widths
图14. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口正方形磁芯的饱和磁感应强度Bs；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口正方形磁芯的剩余磁感应强度Br
Figure 15. Coercive force Hc of oblique interface square magnetic cores corresponding to different splicing seam widths
图15. 不同拼接缝宽对应的斜接口正方形磁芯的矫顽力Hc
由图13~16可知拼接缝宽对磁芯软磁性能具有显著的影响：当拼接缝宽为0时，磁芯对应的饱和磁感应强度最大为0.5029 T；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.404 T，与不拼接相比，饱和磁感应强度下降了19.67%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的剩余磁感应强度最大为0.0092 T；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的饱和磁感应强度最小为0.0038 T，与不拼接相比，剩余磁感应强度下降了58.70%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的矫顽力最大为4.273 A/m；当拼接缝宽为1.0mm时，磁芯对应的矫顽力最小为1.201 A/m，与不拼接相比，矫顽力下降了71.89%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的起始磁导率最大为0.9727 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的起始磁导率最小为0.5573 mH/m，与不拼接相比，起始磁导率下降了42.71%。当拼接缝宽为0时，磁芯对应的最大磁导率最大为1.7017 mH/m；当拼接缝宽为1.0 mm时，磁芯对应的最小磁导率最小为0.8311 mH/m，与不拼接相比，最大磁导率下降了51.16%。
(a)
(b)
Figure 16. (a) Starting magnetic permeability ui of square magnetic cores with oblique interfaces corresponding to different splicing seam widths; (b) Maximum magnetic permeability um of square magnetic cores with oblique interfaces corresponding to different splicing seam widths
图16. (a) 不同拼接缝宽对应的斜接口正方形磁芯的起始磁导率ui；(b) 不同拼接缝宽对应的斜接口正方形磁芯的最大磁导率um
对于斜接口正方形磁芯而言，正方形斜切口使磁通更为均匀地分布在磁芯中，减小了局部磁场的不均匀性。这有助于减小涡流损耗，并且可以提高磁芯的磁导率，使其更适用于频率较高的应用。因此，随着拼接缝宽的增大，斜接口正方形磁芯对应的饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、磁导率会逐渐减小，矫顽力会逐渐增大。
3.2. 不同拼接方式对纳米晶磁芯交流软磁特性的影响
(a)
(b)
Figure 17. (a) Frequency characteristic curve of unit mass loss Pcm of Fe based alloy magnetic core sample; Frequency characteristic curve of unit volume loss Pcv of Fe (b) based alloy magnetic core samples
图17. (a) Fe 基合金磁芯样品的单位质量损耗Pcm的频率特性曲线；(b) Fe基合金磁芯样品的单位体积损耗Pcv的频率特性曲线
图17(a)是Fe基合金磁芯不同拼接方式磁芯样品退火后单位质量Pcm与频率特性曲线。从图中可以看出随着外加频率的增大，单位质量损耗Pcm逐渐增大，且在同一频率条件下斜接口圆环的单位质量损耗损耗要大于其他两种拼接方式的样品，斜接口三角形磁芯对应的单位质量损耗最小。
图17(b)是Fe基合金磁芯不同拼接方式磁芯样品退火后单位体积损耗Pcv与频率特性曲线。从图中可以看出随着外加频率的增大，单位体积损耗Pcv逐渐增大，且在同一频率条件下斜接口圆环磁芯的单位体积损耗要大于其他两种拼接方式的样品，斜接口三角形磁芯对应的单位质量损耗最小。
4. 结论
本研究采用单辊快淬法制备宽度约为1 mm、业界所特有的Fe基非晶窄带，利用此窄带可制备各种特异形磁芯，规避了所需带材宽度的限制和因宽带切割而引入应力的情况，也避免了对材料的浪费。
基于三种拼接方式对Fe基合金纳米晶磁芯软磁性能的影响，研究表明：斜切口正方形磁芯的形状规则，可以更好地利用磁通的空间，使得磁通密度更加均匀，在电感器件中应用较为广泛。斜切口三角形磁芯的尖角可以减小磁芯的长度，从而降低高频信号的损耗和噪音。此外，三角形磁芯的磁阻比正方形磁芯更小，使其在高频条件下具有更好的性能。斜切口圆环磁芯由于其弧形特征，可以更好地减小磁芯的磁通泄漏，提高磁通密度和整体效率，而且，在高频应用中，圆环磁芯的损耗和噪音也较小，所以在高频条件下具有较好的应用前景。
参考文献
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。