Как показывают исследования [10], проведенные на образцах состава Co77Fe8B15, предварительно отожженных под действием механических напряжений, с ростом величины упругих деформаций растяжения вдоль образца наблюдается рост поперечной магнитной проницаемости и уменьшение поля анизотропии. Это видно по полевым зависимостям импеданса и петель гистерезиса (рис. 1). Так как в образцах при отжиге наведена поперечная ось легкого намагничивания, уменьшение поля анизотропии можно объяснить наведением магнитоупругой анизотропии вдоль длины образца, что можно описать выражением:
,(6)
где Hko – поле анизотропии в отсутствие упругих растягивающих напряжений; Ms – намагниченность насыщения; λs – константа магнитострикции насыщения.
Рис. 1 Петли гистерезиса и полевые зависимости импеданса фольг состава Co77Fe8B15 при различных значениях упругих растягивающих напряжений.
Различный характер влияния упругих растягивающих напряжений на магнитные свойства аморфных фольг был обнаружен при исследовании аморфных фольг двух составов: Co69Fe2Cr7Si8B14 (с отрицательной константой магнитострикции) и Сo67Fe4Cr7Si8B 14 (с положительной константой магнитострикции) [11]. Из петель гистерезиса хорошо видно, что с ростом величины упругих растягивающих напряжений для состава с отрицательной константой магнитострикции наблюдается уменьшение магнитной проницаемости и рост поля анизотропии (рис. 2а), для состава с положительной константой магнитострикции – увеличение магнитной проницаемости и уменьшение поля анизотропии (рис. 2б).
а) б)
Рис. 2 Петли гистерезиса при различных нагрузках для: а) состава с отрицательной магнитострикцией; б) состава с положительной магнитострикцией.
Влияние упругих растягивающих напряжений на эффект магнитного импеданса аморфных фольг состава Fe4Co67Mo1,5Si16,5B11 (Vitrovac 6025Z) исследовались в работе [9]. Образцы были вырезаны перпендикулярно длине исходной ленты. Ось легкого намагничивания в исходной ленте направлена вдоль оси прокатки, поэтому у образцов она будет ориентирована поперек длины. Полученный характер частотных зависимостей ГМИ-эффекта от величины упругих растягивающих напряжений в основном обусловлен поведением максимального импеданса Zm. Это иллюстрируется зависимостями начального Z0 и максимального импеданса Zm от упругих напряжений на различных частотах переменного тока (рис. 3). Как видно, во всем частотном диапазоне упругие напряжения слабо влияют на Z0 и Zm. Однако, следует отметить, что на частотах менее 4 МГц с ростом упругих напряжений наблюдается слабое уменьшение Zm, начальный импеданс Z0 при этом практически не изменяется. На частотах более 4 МГц рост упругих напряжений приводит к увеличению Zm и небольшому уменьшению Z0.
Рис. 3. Зависимость начального Z0 и максимального импеданса Zm фольг Vitrovac 6025Z от величины упругих растягивающих напряжений в диапазоне частот переменного тока от 0,5 МГц до 10 МГц при температуре 20°C. Упругие растягивающие напряжения приложены вдоль длины образца.
При температурах от комнатных до 45ºС рост упругих растягивающих напряжений приводит к небольшому росту максимального импеданса Zm на частотах больших 4 МГц и его незначительному падению на частотах меньших 4 МГц (рис. 4). При температурах от 45ºС до 110ºС увеличение упругих растягивающих напряжений приводит к росту Zm во всем частотном диапазоне. Важно отметить, что при температурах больших 70ºС во всем частотном диапазоне наблюдается уменьшение величины ГМИ-эффекта с ростом упругих растягивающих напряжений (рис. 5). При температурах порядка 110ºС и выше увеличение упругих растягивающих напряжений приводит к исчезновению ГМИ-эффекта. При этом, чем выше температура, тем при меньшем значении упругих растягивающих напряжений это наблюдается.
В работе [9] предложено объяснение полученным результатам, согласно которому изменение характера влияния упругих растягивающих напряжений обусловлено сменой знака константы магнитострикции с ростом температуры.
Рис. 4 Зависимость максимального импеданса фольг Vitrovac 6025Z от величины упругих растягивающих напряжений при различных температурах на частоте переменного тока 10 МГц. Упругие растягивающие напряжения приложены вдоль длины образца.
Рис. 5 Зависимость величины ГМИ-эффекта в фольгах Vitrovac 6025Z от величины упругих растягивающих напряжений при различных температурах на частоте переменного тока 10 МГц. Упругие растягивающие напряжения приложены вдоль длины образца.
1.2.2 Температурная зависимость магнитного импеданса
Известно, что магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры, следовательно, величина эффекта ГМИ также должна зависеть от температуры.
Были исследованы температурные зависимости магнитных свойств и фазовые переходы в аморфных лентах состава Fe4Co67Mo1,5Si16,5B11 (Vitrovac 6025) [12]. Исследовались образцы в аморфном состоянии и отожженные до нанокристаллического состояния. Измерения проводились в диапазоне температур от 30К до температур порядка 1000К. Большой интерес представляют представленные в данной работе температурные зависимости магнитной проницаемости (рис. 5) и намагниченности (рис. 6). На основе данных зависимостей можно сделать вывод о поведении магнитоимпеданса при различных температурах. Из анализа зависимостей магнитной проницаемости и намагниченности следует, что температура Кюри данного сплава для аморфного состояния составляет 502К, для нанокристаллического – 515К. Можно предположить, что при приближении к температуре Кюри будет наблюдаться падение импеданса до некоторого минимального значения. При температурах, выше температуры Кюри зависимость импеданса от внешнего магнитного поля и от механических напряжений, вероятно, наблюдаться не будет. Появление намагниченности в интервале температур от 820К до 1000К связано с выделением кристаллической ферромагнитной фазы.
Рис. 5 Температурная зависимость магнитной проницаемости для лент Vitrovac 6025Z в нанокристаллическом (nanostructured) и аморфном (as received) состояниях.
Рис.6. Температурная зависимость намагниченности лент Vitrovac 6025 в аморфном (as received) и нанокристаллическом (nanostructured) состояниях.
В работе [9] был установлен характер поведения начального импеданса Z0 и и максимального импеданса Zm при изменении температуры в отсутствие внешних упругих растягивающих напряжений для различных частот переменного тока. (рис. 7.) Во всем частотном диапазоне при увеличении температуры от 20ºС до 190ºС величина начального импеданса Z0 возрастает. С дальнейшим ростом температуры магнитный импеданс образцов уменьшается. Температурное поведение максимального значения импеданса Zm зависит от частоты переменного тока, протекающего по образцу. Для частот 6-10 МГц с увеличением температуры наблюдается сначала небольшой рост, а затем падение Zm. Для частот меньших 6 МГц после начального роста Zm происходит его уменьшение до температуры 160ºС, а затем вновь наблюдается небольшой рост Zm до температур порядка 190ºС, который сменяется падением.
Рис. 7 Зависимость начального Z0 и максимального импеданса Zm фольг Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10МГц.
Зависимости ГМИ-эффекта от температуры для различных частот переменного тока имеют отличия (рис. 8). Для частот 6-10 МГц наблюдается уменьшение ГМИ-эффекта с ростом температуры, для меньших частот наблюдается сначала небольшое увеличение ГМИ-эффекта, а потом его резкое падение.
Рис. 8. Зависимость величины ГМИ-эффекта в фольгах Vitrovac 6025Z от температуры в диапазоне частот переменного тока от 0,5МГц до 10 МГц
2. Методика исследования магнитного импеданса
Для исследования влияния внешних факторов на импеданс ферромагнитных материалов была разработана и изготовлена специализированная установка, блок схема которой изображена на рис. 9. Данная установка позволяет исследовать влияние на импеданс проволок и фольг величины и направления магнитного поля, упругих растягивающих напряжений, температуры. Основным достоинством установки является возможность исследования совместного влияния вышеперечисленных факторов.
Рис. 9 Блок-схема установки: 1 – измерительная ячейка; 2 – кольца Гельмгольца; 3 – воздуховод; 4 – электронагревательный элемент; 5 – электронагреватель; 6 – три пары компенсационных колец Гельмгольца; 7 – термопары.
Основной частью данной установки является прецизионный анализатор импеданса Agilent 4294A, краткие технические характеристики которого таковы:
1. Частотный диапазон 40Гц – 110МГц с разрешением 1мГц;
2. Интервал измеряемых значений импеданса 3мОм – 50МОм;
3. Возможность измерения активной и реактивной компонент импеданса;
4. Пробный сигнал: сила тока 200мкА с разрешением 20мкА; напряжение – 1В с разрешением 1мВ;
5. Стабилизация по току и по напряжению;
6. Напряжение смещения ±40В, ток смещения ±100мА;
7. Основная погрешность не выше 0,1%.
Анализатор импеданса позволяет производить компенсацию собственного импеданса измерительной ячейки. Это операция становится необходимой при измерении импеданса на частотах порядка десятков мегагерц, потому что на этих частотах импеданс самой измерительной ячейки становится соизмерим с импедансом образца.
Исследуемые образцы изготавливаются по следующей технологии. От исследуемой проволоки (ленты) нужного состава отрезается необходимой длины заготовка, которая затем тщательно обрабатывается. Для хорошего контакта заготовки с зажимами держателя края тщательно зачищаются с помощью мелкой наждачной бумаги. Для того, чтобы не повредить исследуемый образец наждачной бумагой, его обработка проводится вращением вокруг собственной оси. С каждой стороны образца обрабатывается расстояние равное ~1мм, т.е. это то расстояние, которое закрепляется в зажимах.
