熔体抽拉Co基非晶丝的磁化及GMI效应研究

摘要

软磁材料的巨磁阻抗(GMI)效应是指其阻抗随外加直流磁场而敏感变化的现象，由于其具有灵敏度高、响应快等特点，在磁传感器、磁存储中具有重要的应用。迄今为止，非晶丝材是 GMI效应最出色的软磁功能材料，可直接应用于磁传感器等敏感元件的制备。本文以熔体抽拉 Co68Fe4.5Si15B12.5非晶丝为研究对象，测试了非晶丝的软磁性能和磁化过程，主要研究了不同激励电流下的磁化和GMI效应、丝材长度和直径对GMI效应的影响、非晶丝之间的磁交互作用、退火处理和机械拉应力影响GMI效应的基本机制和规律。
　　采用横向Kerr效应分析了不同交流激励下非晶丝的磁化过程及其与GMI效应的关系。研究表明频率主要是通过涡流阻尼和趋肤效应影响非晶丝的环向磁化过程和GMI效应。低频下，环向磁化以畴壁位移为主，频率升高，涡流阻尼增强，磁矩转动成为主要的磁化过程，而趋肤效应有利于表层环向畴的环向磁化，因而 GMI效应随频率升高而逐渐增强；但涡流阻尼的存在，矫顽力升高，等效各向异性场Hm逐渐升高。激励电流幅值则是通过其产生的环向磁场影响非晶丝在直流磁场作用下的环向磁化过程，进而影响 GMI效应。低频下激励电流幅值增加，直流磁场下的环向磁化强度和GMI效应减小；在0.2MHz-1MHz范围内，存在最佳幅值Ip激励时，直流磁场作用下的GMI效应最强，且Ip随着交流频率升高而逐渐升高。频率升高，趋肤效应成为影响磁化过程的主要因素，电流幅值对GMI效应的影响逐渐降低，频率大于15MHz后，激励电流幅值对GMI效应的影响可以忽略。
　　分析非晶丝长度对 GMI效应的影响发现：低频下，随样品长度减小退磁场增加，有效磁场降低，GMI效应逐渐减小，1MHz时，随样品长度由20mm减小到4mm，其阻抗变化率ΔZ/Z由8.07％减小到1.03%。而中等频率时，一方面，样品长度减小，闭合畴的边界效应增强并成为影响磁化转动过程的主要因素；另一方面，长度减小，电阻减小有利于GMI效应，这两方面作用使得存在一个最佳值时GMI效应最强。直径34μm的非晶丝、长度为7mm时，其 GMI效应最强，8MHz时ΔZ/Z达到86.1%。
　　利用高分辨透射电镜观察了不同直径金属丝的微观结构，并测试了其软磁性能及其 GMI效应。随丝材直径增加，凝固冷却速率降低，非晶基体内短程有序转变为不同形状的长程有序或纳米晶，局域各向异性提高，软磁性能降低，GMI效应降低。而直径较小的非晶丝，快的凝固冷却速度导致内应力分布不均匀、丝材表面质量下降，GMI效应相对较低。直径35μm左右的非晶丝既具有非晶态合金优异的软磁性能，又保证一定的凝固时间，内应力分布均匀，GMI效应较强。
　　对平行排列非晶丝的软磁性能和GMI效应分析发现，两丝距离小于8mm时，两丝之间存在强的磁相互作用，导致两丝磁化不同步，磁滞回线上存在两个Barkhausen跳跃，GMI曲线出现双峰。另外，由于非晶丝对电磁场有屏蔽作用，非晶丝数量增加，有效磁场降低；另一方面，磁交互作用下两丝形成闭合磁路，有利于获得大的环向磁导率。因而，两丝距离增加，磁交互作用减弱，有效磁场提高，GMI效应逐渐增强，距离为8mm时，GMI效应最强，10MHz时，单根丝ΔZ/Z为74.7%，并联后达到172.4%。继续增加样品之间的距离到12mm，磁交互作用消失，两丝磁化完全同步，GMI效应相对降低。增加并联样品数量有利于进一步提高低频GMI效应，频率升高，屏蔽效应增强，两丝并联时GMI效应更强。但三丝并联，对称磁交互作用使得 GMI多峰不明显，因而提高了磁场响应灵敏度，0.2MHz时达到0.81%/(A/m)。
　　对Co基非晶丝进行了不同工艺的退火调制处理，发现通过磁场或者应力场提高其环向畴体积，有利于获得大的GMI效应，而适当的机械拉应力(<100MPa)是提高GMI效应及其磁场响应灵敏度的有效方法。应力场产生环向磁场作用下，磁畴重组，环向畴体积增加，因而其各向异性和GMI效应大大提高。低频时，84.5 MPa拉应力可获得最好的GMI效应，如0.6MHz时，磁场响应灵敏度达到4.2%/(A/m)。频率升高，虽然ΔZ/Z逐渐升高，由于等效各向异性场Hm升高，小的拉应力更适合获得灵敏的GMI效应。频率高于1MHz时，拉应力18.4MPa下，GMI效应最强，15MHz时灵敏度达到6.7%/(A/m)。另外发现，这类 Co基非晶丝同时具有优异的巨应力阻抗(GSI)效应，10MHz时GSI达到-48.2%。因此，这类丝材是制备磁敏和力敏传感器的理想材料。

目录

熔体抽拉Co基非晶丝的磁化

MAGNETIZATION AND GIANT MAGNETO IMPEDANCE EFFECT STUDY OF MELT EXTRACTED Co-RICH AMORPHOUS WIRES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1课题目的和意义

1.2非晶丝的磁性及GMI效应

1.2.1非晶丝的软磁性能

1.2.2非晶丝之间的磁交互作用

1.2.3非晶丝的GMI效应

1.3GMI效应的影响因素

1.3.1交流频率对GMI效应的影响

1.3.2激励电流幅值对GMI效应的影响

1.3.3非晶丝长度对GMI效应的影响

1.3.4非晶丝的直径对GMI效应的影响

1.4提高GMI效应的退火处理工艺

1.4.1普通退火

1.4.2焦尔退火

1.4.3应力退火

1.4.4磁场退火

1.5存在问题及主要研究内容

第2章 材料制备与实验方法

2.1Co基非晶丝制备

2.1.1母合金制备

2.1.2熔体抽拉法制备非晶丝

2.2非晶丝退火处理

2.2.1普通退火

2.2.2 磁场退火

2.2.3焦耳退火

2.3磁性能测试

2.3.1 感应法磁滞回线测试

2.3.2 磁光Kerr效应法磁滞回线测试

2.3.3 VSM软磁性能测试

2.3.4 GMI效应测试

2.4结构分析

2.4.1 X-射线衍射分析

2.4.2 高分辨透射电镜分析

2.4.3 差热分析

2.5力学性能测试

第3章 不同电流激励下非晶丝的磁化和GMI效应研究

3.1引言

3.2不同频率下非晶丝磁化及GMI效应

3.2.1不同频率下非晶丝的磁化

3.2.2不同频率下的GMI效应

3.3不同交流幅值激励下非晶丝的磁化及GMI效应

3.3.1不同交流幅值激励下非晶丝的低频磁化过程

3.3.2不同交流幅值激励下非晶丝的低频GMI效应

3.3.3不同交流幅值激励下非晶丝的中频磁化过程

3.3.4不同交流幅值激励下非晶丝的中频GMI效应

3.4本章小结

第4章 非晶丝GMI效应的尺寸效应研究

4.1引言

4.2非晶丝长度与GMI效应

4.3熔体抽拉丝直径与GMI效应

4.3.1不同直径丝的结构分析

4.3.2不同直径丝的软磁性能分析

4.3.3丝材直径与GMI效应分析

4.4本章小结

第5章 非晶丝之间的磁交互作用及对GMI效应的影响

5.1前言

5.2不同频率下的磁交互作用与GMI效应分析

5.2.1不同交流频率下非晶丝之间的磁交互作用

5.2.2磁交互作用与GMI效应分析

5.3非晶丝之间的距离对磁交互作用和GMI效应的影响

5.3.1 不同距离时非晶丝之间的磁交互作用分析

5.3.2不同距离时并联非晶丝GMI效应分析

5.4多丝并联时的磁交互作用与GMI效应分析

5.5本章小结

第6章 熔体抽拉非晶丝GMI效应的调制处理

6.1前言

6.2退火处理对非晶丝GMI效应的影响

6.3机械拉应力下Co基非晶丝的软磁性能

6.4拉应力作用下非晶丝的GMI效应

6.4.1不同拉应力下的低频GMI效应

6.4.2不同拉应力下的中频GMI效应

6.5本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历