熔體抽拉Co基非晶絲的磁化及GMI效應(yīng)研究.pdf

1、軟磁材料的巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)是指其阻抗隨外加直流磁場(chǎng)而敏感變化的現(xiàn)象，由于其具有靈敏度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在磁傳感器、磁存儲(chǔ)中具有重要的應(yīng)用。迄今為止，非晶絲材是 GMI效應(yīng)最出色的軟磁功能材料，可直接應(yīng)用于磁傳感器等敏感元件的制備。本文以熔體抽拉 Co68Fe4.5Si15B12.5非晶絲為研究對(duì)象，測(cè)試了非晶絲的軟磁性能和磁化過(guò)程，主要研究了不同激勵(lì)電流下的磁化和GMI效應(yīng)、絲材長(zhǎng)度和直徑對(duì)GMI效應(yīng)的影響、非晶絲之間的磁交互作用

2、、退火處理和機(jī)械拉應(yīng)力影響GMI效應(yīng)的基本機(jī)制和規(guī)律。
　　采用橫向Kerr效應(yīng)分析了不同交流激勵(lì)下非晶絲的磁化過(guò)程及其與GMI效應(yīng)的關(guān)系。研究表明頻率主要是通過(guò)渦流阻尼和趨膚效應(yīng)影響非晶絲的環(huán)向磁化過(guò)程和GMI效應(yīng)。低頻下，環(huán)向磁化以疇壁位移為主，頻率升高，渦流阻尼增強(qiáng)，磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)成為主要的磁化過(guò)程，而趨膚效應(yīng)有利于表層環(huán)向疇的環(huán)向磁化，因而 GMI效應(yīng)隨頻率升高而逐漸增強(qiáng)；但渦流阻尼的存在，矯頑力升高，等效各向異性場(chǎng)Hm逐漸升高

3、。激勵(lì)電流幅值則是通過(guò)其產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)影響非晶絲在直流磁場(chǎng)作用下的環(huán)向磁化過(guò)程，進(jìn)而影響 GMI效應(yīng)。低頻下激勵(lì)電流幅值增加，直流磁場(chǎng)下的環(huán)向磁化強(qiáng)度和GMI效應(yīng)減??；在0.2MHz-1MHz范圍內(nèi)，存在最佳幅值Ip激勵(lì)時(shí)，直流磁場(chǎng)作用下的GMI效應(yīng)最強(qiáng)，且Ip隨著交流頻率升高而逐漸升高。頻率升高，趨膚效應(yīng)成為影響磁化過(guò)程的主要因素，電流幅值對(duì)GMI效應(yīng)的影響逐漸降低，頻率大于15MHz后，激勵(lì)電流幅值對(duì)GMI效應(yīng)的影響可以忽略。

4、>　　分析非晶絲長(zhǎng)度對(duì) GMI效應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)：低頻下，隨樣品長(zhǎng)度減小退磁場(chǎng)增加，有效磁場(chǎng)降低，GMI效應(yīng)逐漸減小，1MHz時(shí)，隨樣品長(zhǎng)度由20mm減小到4mm，其阻抗變化率ΔZ/Z由8.07％減小到1.03%。而中等頻率時(shí)，一方面，樣品長(zhǎng)度減小，閉合疇的邊界效應(yīng)增強(qiáng)并成為影響磁化轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的主要因素；另一方面，長(zhǎng)度減小，電阻減小有利于GMI效應(yīng)，這兩方面作用使得存在一個(gè)最佳值時(shí)GMI效應(yīng)最強(qiáng)。直徑34μm的非晶絲、長(zhǎng)度為7mm時(shí)，其 GM

5、I效應(yīng)最強(qiáng)，8MHz時(shí)ΔZ/Z達(dá)到86.1%。
　　利用高分辨透射電鏡觀察了不同直徑金屬絲的微觀結(jié)構(gòu)，并測(cè)試了其軟磁性能及其 GMI效應(yīng)。隨絲材直徑增加，凝固冷卻速率降低，非晶基體內(nèi)短程有序轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螤畹拈L(zhǎng)程有序或納米晶，局域各向異性提高，軟磁性能降低，GMI效應(yīng)降低。而直徑較小的非晶絲，快的凝固冷卻速度導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力分布不均勻、絲材表面質(zhì)量下降，GMI效應(yīng)相對(duì)較低。直徑35μm左右的非晶絲既具有非晶態(tài)合金優(yōu)異的軟磁性能，又保證一定

6、的凝固時(shí)間，內(nèi)應(yīng)力分布均勻，GMI效應(yīng)較強(qiáng)。
　　對(duì)平行排列非晶絲的軟磁性能和GMI效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，兩絲距離小于8mm時(shí)，兩絲之間存在強(qiáng)的磁相互作用，導(dǎo)致兩絲磁化不同步，磁滯回線上存在兩個(gè)Barkhausen跳躍，GMI曲線出現(xiàn)雙峰。另外，由于非晶絲對(duì)電磁場(chǎng)有屏蔽作用，非晶絲數(shù)量增加，有效磁場(chǎng)降低；另一方面，磁交互作用下兩絲形成閉合磁路，有利于獲得大的環(huán)向磁導(dǎo)率。因而，兩絲距離增加，磁交互作用減弱，有效磁場(chǎng)提高，GMI效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，

7、距離為8mm時(shí)，GMI效應(yīng)最強(qiáng)，10MHz時(shí)，單根絲ΔZ/Z為74.7%，并聯(lián)后達(dá)到172.4%。繼續(xù)增加樣品之間的距離到12mm，磁交互作用消失，兩絲磁化完全同步，GMI效應(yīng)相對(duì)降低。增加并聯(lián)樣品數(shù)量有利于進(jìn)一步提高低頻GMI效應(yīng)，頻率升高，屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)，兩絲并聯(lián)時(shí)GMI效應(yīng)更強(qiáng)。但三絲并聯(lián)，對(duì)稱磁交互作用使得 GMI多峰不明顯，因而提高了磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度，0.2MHz時(shí)達(dá)到0.81%/(A/m)。
　　對(duì)Co基非晶絲進(jìn)行了不同工

8、藝的退火調(diào)制處理，發(fā)現(xiàn)通過(guò)磁場(chǎng)或者應(yīng)力場(chǎng)提高其環(huán)向疇體積，有利于獲得大的GMI效應(yīng)，而適當(dāng)?shù)臋C(jī)械拉應(yīng)力(<100MPa)是提高GMI效應(yīng)及其磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度的有效方法。應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生環(huán)向磁場(chǎng)作用下，磁疇重組，環(huán)向疇體積增加，因而其各向異性和GMI效應(yīng)大大提高。低頻時(shí)，84.5 MPa拉應(yīng)力可獲得最好的GMI效應(yīng)，如0.6MHz時(shí)，磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度達(dá)到4.2%/(A/m)。頻率升高，雖然ΔZ/Z逐漸升高，由于等效各向異性場(chǎng)Hm升高，小的拉應(yīng)力更適