一种基于Python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法与流程

一种基于python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法
技术领域
1.本发明涉及软磁合金技术领域，尤其涉及一种基于python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法。


背景技术：

2.合金材料发展到今天，种类庞大，且伴随着全球能源日趋紧张以及环境恶化，尤其在电力电子系统中，需开发出新型绿色节能环保材料以应对这些环境能源问题。非晶纳米晶合金是一种较为特殊的合金材料，结构上与玻璃类似，拥有许多独特优异的性能。当下已经有很多类型的非晶纳米晶合金被研发出来，具有代表性的非晶纳米晶合金有co基、ni基、zr基、pd基和fe基，其中fe基非晶由于其亲民的价格和优异的软磁性能得到了最广泛的关注。虽然铁基非晶合金和传统硅钢相比，其饱和磁感应强度较低。但是由于铁基非晶/纳米晶合金的低成本、低损耗、低矫顽力、高磁导率已成为电力系统应用中最有前景的软磁合金材料。为了开发新一代具有优异软磁性能的fe基非晶纳米晶材料，当前有很多关于依靠传统的“试错法”和复杂的理论基础来通过元素的掺杂和替换设计材料的报道，但是依赖于这种方法很难设计出高性能材料，就算设计出了高性能的材料，也效率极低，浪费了大量的人力物力资源，所以当今高性能铁基纳米晶合金的研发急需一种更高效的方法。
3.现有文献1，2011年，wang等人(a.d. wang, h. men, b.l. shen, g.q. xie, a. makino, a. inoue, effect of p on crystallization behavior and soft-magnetic properties of fe
83.3
si4cu
0.7b12-x
p
x nanocrystalline soft-magnetic alloys, thin solid films. 519 (2011) 8283-8286.)研究了p元素的含量对铁基非晶合金的影响，研究表明p元素可以提高合金的非晶形成能力和热稳定性，但是对非晶纳米晶合金的软磁性能的影响却不能很好的归纳出来。
4.现有文献2，2014年，li等人(z. li, a. wang, c. chang, y. wang, b. dong, s. zhou, synthesis of fesibpnbcu nanocrystalline soft-magnetic alloys with high saturation magnetization, j. alloy. compd. 611 (2014) 197-201.)研究了b元素的含量对铁基非晶/纳米晶合金软磁性能的影响，发现b元素的增加虽然可以增强软磁合金的非晶形成能力和热稳定性能，但是过多的b元素会恶化合金的软磁性能。
5.现有文献3，2018年，cao等人(c.c. cao, l. zhu, y. meng, x.b. zhai, y.g. wang, atomic level structural modulation during the structural relaxation and its effect on magnetic properties of fe81si4b10p4cu1 nanocrystalline alloy, j. magn. magn. mater. 456 (2018) 274-280.)研究了fe元素的含量对铁基非晶/纳米晶合金软磁性能的影响，发现fe元素的含量越高，其饱和磁感应强度越高。但是过多的fe含量会导致非晶形成能力的降低；通过上述文献可知，传统方法只能通过元素的掺杂和替换很低效的试出合适的新型铁基纳米晶软磁材料的配方，且需要很复杂的材料科学理论知识来辅助设计；因此，不可避免地存在在设计的过程里效率低下，且不能确定根据这种传统方法制备出来的铁基纳米
晶合金能否具备所需求的良好软磁性能的问题，所以浪费了大量的人力物力资源。而采用先进的计算机技术来进行铁基纳米晶合金的性能预测，从而设计出高性能的铁基纳米晶合金，可以实现高效地设计材料，解决上述问题。
6.目前建立一个关于铁基纳米晶合金的数据库的传统方法为：使用人工的方法，手动的去录入每一个数据，这种方式工作量极大、耗时长，而且因为人为的因素和庞大的工作量，不可避免的会出现录入信息错误的问题。到目前为止，还未有报道通过python来建立关于铁基纳米晶合金的虚拟数据库。而依赖于这种先进的计算机语言来高效搭建关于铁基纳米晶合金的数据库可以很好的解决以上问题。
7.因此限定组成合金的元素的含量范围，然后基于元素的范围使用python建立起一个关于铁基纳米晶合金的庞大的虚拟数据库，最后经过流程筛选出具有最佳软磁性能的化学配方，可以实现高效设计高性能铁基纳米晶合金材料。


技术实现要素：

8.本发明涉及软磁合金技术领域，尤其涉及一种基于python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法。
9.经申请人分析可知，利用python流程筛选可以实现高效设计高性能铁基纳米晶合金。限定fe-b-p-c-nb体系中每一个元素出现的范围和步长，使用python建立一个关于此体系的铁基纳米晶合金的虚拟数据库，继而从中筛选出具有最佳软磁性能的化学配方。
10.因此，设计材料成分时，使用python建立虚拟数据库继而筛选可以实现高效设计高性能铁基纳米晶合金。
11.inoue在1995年总结了非晶形成的三条经验规律：1.合金体系由3个或3个以上的组元组成；2.主要组元间的原子尺寸比差异大；3.主要组元间具有大的负混合焓。根据此规律，使用人工神经网络设计一个5元体系的新型软磁合金：fe
83
b9p3c4nb1,符合上述的第一条规律经验；fe-p原子尺寸比例高达13.8%，符合上述第二条经验规律；fe和p的原子的负混合焓达到了-31 kj/mol,符合上述第三条经验规律。经过分析，由python流程筛选设计的fe
83
b9p3c4nb1合金具有良好的非晶形成能力。
12.因此，本发明技术方案获得纳米晶的思路是：根据inoue总结的经验规律，确定fe-b-p-c-nb合金体系，限定该体系中fe元素、b元素、p元素、c元素和nb元素出现的范围和频率，建立起关于此体系的铁基纳米晶合金的虚拟数据库。从虚拟数据库中筛选出在该体系中具有最佳软磁性能的化学组成：fe
83
b9p3c4nb1。经由称量、熔炼和甩带之后获得具有纳米晶结构的薄带样品；如果无法直接获得纳米晶结构，则控制合金先形成非晶态结构，再通过退火处理，获得具有纳米晶结构。
13.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法，包括以下步骤：步骤1，虚拟数据库的建立，限定fe-b-p-c-nb体系中fe元素、b元素、p元素、c元素和nb元素出现的范围和频率，用python建立起虚拟数据库；python建立起虚拟数据库的条件为，fe元素的含量限定为77-83 %，步长设置为0.2；b元素的含量限定为8-15 %，步长设置为0.2；p元素的含量限定为2-4 %，步长设置为0.1；c元素的含量限定为0.5-10 %，步长设置为0.5；nb元素的含量限定为0.6-2 %，步长设
置为0.1；步骤2，流程筛选，首先，筛选掉原子百分比总和不为100的组合；然后，根据需求设定筛选条件；最后，进行人工筛选；所述步骤2根据需求设定筛选条件具体为，条件1，筛选掉饱和磁感应强度小于等于1.7 t的组合；条件2，筛选掉矫顽力大于等于4 a/m的组合；步骤3，筛选结果的制备和验证，根据步骤2的筛选结果，制备铁基纳米晶合金；所述步骤3制备铁基纳米晶合金的方法为，首先，以单质金属fe、b、nb 和fe2p、fe3c为原料，按照步骤2的软磁合金化学组成进行配料，其中，fe2p的含量为理论计算的1.05倍；然后，在氩气条件下，进行真空熔炼，即可获得成分均匀的母合金；最后，将母合金进行破碎并在超声清洗后，采用真空甩带机制备合金薄带，即可得到铁基纳米晶合金。
14.所述真空甩带的条件为，真空度低于5*10-3
pa，以氩气作为保护气，辊轮表面线速度为40m/s，所得合金薄带的宽度为2毫米，厚度为20微米的合金薄带。
15.对所得铁基纳米晶合金晶系检测，如果所得合金薄带为晶态结构，无需额外操作；如果所得合金薄带为非晶态结构，则进行退火操作；退火操作的条件为，在氩气气氛下等温退火，退火温度为480℃，保温时间为10min。
16.所述铁基纳米晶合金的化学组成为fe
83
b9p3c4nb1时，晶粒尺寸为18.6纳米；退火前的饱和磁感应强度为1.64 t，退火后的饱和磁感应强度为1.72 t；退火前的矫顽力为10.68 a/m，退火后的矫顽力为3.83 a/m。
17.为了研究fe
83
b9p3c4nb1合金的结构，对fe
83
b9p3c4nb1合金进行了xrd测试和tem测试，结果表明未执行退火操作时，该铁基软磁合金为完全非晶状态；执行退火处理后，该铁基软磁合金在非晶基体上析出了纳米晶结构。
18.为了研究其热稳定性，将上述fe
83
b9p3c4nb1合金进行dsc测试。结果表明其起始结晶温度为400℃，说明该合金热稳定性较好。
19.为了研究其磁性能，将上述fe
83
b9p3c4nb1合金分别进行了vsm和ppms测试。结果表明退火前具有完全非晶态结的fe
83
b9p3c4nb1合金的饱和磁感应强度为1.63t，矫顽力为10.68 a/m；执行退火操作后具有纳米晶结构的fe
83
b9p3c4nb1合金的饱和磁感应强度为1.72t，矫顽力为3.83 a/m，居里温度点为702 k。
20.结果表明，经过退火处理后的铁基纳米晶合金薄带其饱和磁感应强度为1.72 t，完全符合python限定的饱和磁感应强度大于1.7 t的条件；经过退火处理后的铁基纳米晶合金薄带其矫顽力为3.83 a/m，完全符合python限定的矫顽力小于4 a/m的条件。而且这种基于python流程筛选而得的铁基纳米晶合金，在具有高饱和磁感应强度的同时还具有低矫顽力，能够满足工业化需求。
21.与现有技术相比，本发明的铁基纳米晶合金具有以下优点：1、本发明的铁基非晶/纳米晶合金的化学配方是从python建立的含有5586000个数据的数据库中逐步筛选出来的，该软磁合金薄带经过退火后饱和磁感应强度为1.72 t，矫顽力为3.83 a/m。这种使用python建立起一个庞大的虚拟数据库，这个数据库包含着某个合金体系所有可能出现的化学配方，然后经过流程筛选出具有最佳软磁性能的化学配方，可以加速设计高性能软磁材料，大大的节省了时间，提高了效率；2、本发明的铁基纳米晶合金不含有贵重的au、w、ag、co等元素，原料成本相对廉
价；且此铁基纳米晶合金不含si元素，在热稳定性可观的情况下大大增加了非晶形成能力；合金中拥有原子半径较大的nb元素，增强了此合金的非晶形成能力；同时合金中含有p元素和c元素，改善了合金的热稳定性能。
22.因此，本发明不同于传统的“试错法”设计材料，使用python建立起庞大的数据库，继而筛选出具有最佳软磁性能的化学配方，可以加速高性能铁基纳米晶合金的设计。
附图说明
23.图1为本发明实施例通过python 3.9.0进行性能筛选的流程图；图2为本发明实施例制备得到的铁基非晶/纳米晶合金的xrd衍射图；图3为本发明实施例制备得到的铁基非晶合金的tem和saed图；图4为本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金的tem和saed图；图5为本发明实施例制备得到的铁基非晶/纳米晶合金的dsc曲线；图6为本发明实施例制备得到的铁基非晶/纳米晶合金的磁性能测试结果图；图7为本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金的ppms测试结果图。
具体实施方式
24.本发明通过实施例，结合说明书附图对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。
实施例
25.一种基于python流程筛选设计制备铁基纳米晶合金方法，包含以下步骤：步骤1，虚拟数据库的建立，限定fe-b-p-c-nb体系中fe元素、b元素、p元素、c元素和nb元素出现的范围和频率，用python建立起虚拟数据库；本实施例python建立起虚拟数据库的条件，即限定元素的范围和频率如下，fe元素的含量限定为77-83 %，步长设置为0.2，此元素共出现了30次；b元素的含量限定为8-15 %，步长设置为0.2，此元素共出现了35次；p元素的含量限定为2-4 %，步长设置为0.1，此元素共出现了20次；c元素的含量限定为0.5-10 %，步长设置为0.5，此元素共出现了19次；nb元素的含量限定为0.6-2 %，步长设置为0.1，此元素共出现了14次；具体数据记录于表1。
26.表1 fe-b-p-c-nb体系中各元素的出现的范围、步长和频率
元素范围步长出现数字出现频率fe[77,83]0.277,77.2,77.4,77.6,77.8,78,78.2,78.4,78.8,79,79.2,79.4,79.6,79.8,80,80.2,80.4,80.6,80.8,81,81.2,81.4,81.6,81.8,82,82.2,82.4,82.6,82.8,8330b[8,15]0.28,8.2,8.4,8.6,8.8,9,9.2,9.4,9.6,9.8,10,10.2,10.4,10.6,10.8,11,11.2,11.4,11.6,11.8,12,12.2,12.4,12.6,12.8,1335p[2,4]0.12,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9,3,3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.6,3.7,3.8,3.9,420c[0.5,10]0.50.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,7.5,8,8.5,9,9.5,1019nb[0.6,2]0.10.6,0.7,0.8,0.9,1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,214
步骤2，流程筛选，首先，筛选掉原子百分比总和不为100的组合；然后，根据需求设定筛选条件；最后，进行人工筛选；筛选流程如图1所示。
[0027]
其中，本实施例筛选条件为：
1、筛选掉饱和磁感应强度小于等于1.7 t的组合；2、筛选掉矫顽力大于等于4 a/m的组合；本实施例经过步骤2筛选的的结果为，软磁合金化学组成为fe
83
b9p3c4nb1。
[0028]
步骤3，筛选结果的制备和验证，根据步骤2的筛选结果，制备铁基纳米晶合金。具体方法为，首先，以单质金属fe、b、nb 和fe2p、fe3c为原料，按照步骤2的软磁合金化学组成为fe
83
b9p3c4nb1进行配料；由于p元素在熔炼的过程中存在损耗，以损耗率为0.05计算，实际称取的fe2p的含量为理论计算的1.05倍；然后，在氩气条件下，以真空度为5*10-3
pa的条件下，进行真空熔炼，在翻转样品、反复熔炼5遍后，即可获得成分均匀的母合金；最后，将母合金进行破碎并在酒精中进行超声清洗后，采用真空甩带机制备合金薄带，即可得到铁基纳米晶合金。真空甩带的具体方法为，将装有母合金的石英玻璃管固定在辊轮上方，抽真空至低于5*10-3
pa，充入氩气作为保护气，将母合金感应熔炼加热到熔融状态，通过喷嘴在氩气所产生的压力作用下喷射到高速旋转的铜棍上进行快速冷却制备出宽度在2毫米，厚度20微米的合金薄带，其中辊轮表面线速度为40m/s。
[0029]
为了证明所得铁基纳米晶合金的成分结构，进行x射线衍射（xrd）测试，测试结果如图2所示。从图中可以看出，铸态样品的xrd图谱在2θ= 45
°
左右时有且仅有一个馒头峰，说明此时样品具有完全非晶态；对铸态样品执行退火操作后，xrd图谱在2θ= 45
°
和2θ= 65
°
左右时均出现了尖锐的晶化峰，说明合金结构中有晶化相析出，析出相为α-fe和一些硬磁相。
[0030]
为了确定淬态样品的相组成，通过对本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金薄带进行透射电镜（tem）和选区电子衍射（saed）测试。如图3所示，铸态样品表面的原子排列长程无序，短程有序，说明此时样品处于完全非晶状态；如图3中saed图为铸态样品表面选中区域的电子衍射花样，可以看见典型的无定形衍射环，无晶体相衍射斑，这进一步说明了该合金为非晶相，与xrd的分析结果相吻合。
[0031]
为了确定退火后样品的相组成，通过对本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金薄带进行透射电镜（tem）和选区电子衍射（saed）测试。如图4所示，铸态样品表面出现了明显的晶格条纹，说明此时样品在非晶基底上析出了纳米晶相；如图4中saed图为铸态样品表面选中区域的电子衍射花样，可以看见典型的晶体相衍射斑，这进一步说明了该合金为不再为非晶相，与xrd的分析结果相吻合。
[0032]
为了测试样品的热稳定性能，采用差示扫描量热法（dsc）对本发明实施例制备得到的铁基非晶合金薄带进行测试，测试结果如图5所示，从图中可得出本发明实施例制备的合金薄带第一起始晶化温度为390.5℃，第二起始晶化温度为485℃，具有良好的热稳定性。
[0033]
为了测试样品的磁性能，采用振动样品磁强计（vsm）对本发明实施例制备得到的铁基非晶合金薄带进行测量，测试结果如图6所示，本发明实施例制备得到的铁基非晶合金的饱和磁感应强度为1.64t，矫顽力为10.68 a/m。
[0034]
为了测试样品的磁性能，采用振动样品磁强计（vsm）对本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金薄带进行测量，本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金的饱和磁感应强度为1.72t，矫顽力为3.83 a/m。
[0035]
为了测试样品的居里温度，采用综合物性测量系统（ppms）对本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金薄带进行测量，本发明实施例制备得到的铁基纳米晶合金的居里温度点为702 k。
[0036]
结果表明，经过退火处理后的铁基纳米晶合金薄带其饱和磁感应强度为1.72 t，完全符合python限定的饱和磁感应强度大于1.7 t的条件；经过退火处理后的铁基纳米晶合金薄带其矫顽力为3.83 a/m，完全符合python限定的矫顽力小于4 a/m的条件。而且这种基于python流程筛选而得的铁基纳米晶合金，在具有高饱和磁感应强度的同时还具有低矫顽力，能够满足工业化需求。