纳米晶合金介观高频饱和机理的微磁学分析

摘要

随着现代铁磁技术的日益精进及电子设备的小型化、轻量化发展，纳米晶软磁合金作为一种颇具发展前景的新型磁性材料，近年来凭借其优异的综合软磁性能备受关注，被广泛地应用于能源、通信、电气及汽车工业等领域。在实际应用中，纳米晶合金会面临各种不同的工况，可能工作在磁饱和、直流偏磁等特殊条件下，故需要建立更加准确的等效模型。然而目前该合金材料在高频饱和工况下的建模问题由于缺乏基础研究而变得越来越突出。
　　为推进纳米新材料的工程应用，本文以Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶合金为研究对象，以材料的高频饱和特性为研究目标，以微磁学计算为研究手段，分别从介观尺度与宏观尺度定量研究了不同因素对该合金材料高频磁化进程的影响机理，具体工作内容如下:
　　(1)深入研究微磁学计算基本理论，建立了模拟体系的能量方程及磁化强度进动方程。以随机各向异性模型为基础，构建了纳米晶合金材料的球状介观结构模型，并对所建模型的静态磁特性进行了测试对比。结果表明该计算模型矫顽力随晶粒尺寸的变化趋势与理论分析一致，且计算得到的磁性参数接近粉末状纳米晶合金的实验数据，验证了建模思路的正确性。
　　(2)将纳米晶合金材料可能面临的运行工况概括为两种高频饱和磁场:其一是弱偏置的高频交变磁场，称为“动态饱和场”;其二是强偏置的高频交变磁场，称为“静态饱和场”。通过观测不同占比的混合磁场激励下合金材料宏观工作点的变化轨迹实现了不同饱和磁场的定量界定。结果表明直流偏置磁场与交变磁场幅值之比等于90％恰好为两种运行工况的分界点。
　　(3)在介观层面上以磁矩偏转角速度和磁化饱和时间为研究参数，在动态饱和与静态饱和两种特殊高频饱和工况下，研究了与材料工作条件密切相关的外部因素（附加直流偏置磁场、磁化频率）及与材料软磁性能密切相关的内部因素（晶粒尺寸）对纳米晶合金材料高频磁化进程的影响机理。结果表明外部影响因素的作用效果与饱和磁场的类型有关而内部因素的作用效果与饱和磁场的类型无关。
　　(4)在宏观层面上以复数磁导率和磁化速率为研究参数，分析了不同运行工况（变磁场频率、变直流偏置磁场）对纳米晶合金材料高频饱和磁特性的影响机理。结果表明随着磁场频率的增加，材料磁导率实部缓慢递减而虚部快速增加;随着直流偏置磁场的增加，材料的实数磁导率逐渐递减，磁导率虚部虽有减小趋势但并不明显。磁化速率随磁场频率的升高而增大，随直流偏置磁场的增加呈现出先增大后减小的变化趋势。
　　(5)在相同的磁场条件下，分别定量对比了变磁场频率及变直流偏置磁场对纳米晶合金材料磁化速率（宏观参数）与磁矩偏转角速度（介观参数）的影响效果。结果表明，相同外界磁场因素（频率、偏置磁场）变化引起两不同层面上研究参数的变化率接近，即介观层面与宏观层面计算结果一致，实现了双尺度相互验证。
　　本文的研究工作与成果能丰富高频饱和工况下纳米晶合金材料等效建模的理论基础和分析方法，为合金材料的制备提供技术支持。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 纳米晶软磁材料

1．2．1 纳米晶软磁材料的发展

1．2．2 纳米晶软磁材料的优势

1．2．3 纳米晶软磁材料磁学性能的物理起源

1．3 关键问题研究现状

1．3．1 微磁学计算研究现状

1．3．2 宏观磁化特性研究现状

1．3．3 介观磁化特性研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 纳米晶合金材料微磁学计算模型

2．1 微磁学计算中的各种能量项

2．1．1 总吉布斯自由能

2．1．2 交换作用能

2．1．3 磁晶各向异性能

2．1．4 退磁能

2．1．5 塞曼能

2．2 磁化强度进动方程

2．3 微磁学计算软件OOMMF

2．3．1 模拟涉及的主要操作界面

2．3．2 建模涉及的主要功能模块

2．4 纳米晶合金微磁学计算模型的构建

2．4．1 模型构建步骤及计算流程

2．4．2 纳米晶合金球状介观结构模型

2．4．3 模型静态特性参数的计算与对比

2．5 本章小结

第三章 高频饱和机理介观层面定量分析

3．1 纳米晶合金材料高频磁化进程模拟

3．2 磁矩偏转角速度的定义

3．3 磁化频率、附加偏置磁场对磁矩偏转角速度的影响

3．3．1 两种高频饱和磁场的定量界定

3．3．2 动态饱和磁场作用

3．3．3 静态饱和磁场作用

3．4 晶粒尺寸对磁矩偏转角速度的影响

3．4．1 动态饱和磁场作用

3．4．2 静态饱和磁场作用

3．5 本章小结

第四章 高频饱和机理宏观层面定量分析

4．1 两个宏观磁特性参数的计算

4．1．1 复数磁导率的计算

4．1．2 磁化速率的计算

4．2 磁场频率对宏观高频饱和特性的影响

4．2．1 磁场频率对复数磁导率的影响

4．2．2 磁场频率对磁化速率的影响

4．3 附加直流偏置磁场对宏观饱和特性的影响

4．3．1 直流偏置磁场对复数磁导率的影响

4．3．2 直流偏置磁场对磁化速率的影响

4．4 介观／宏观层面计算结果对比

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文