Магнитные свойства микропроводов с аморфной, нанокристаллической и гранулярной структурой, страница 6

Как и в случае исходныхмикропроводов,намагниченность,измереннаявмагнитном полем (FC) и без поля (ZFC), показывала значительное различие.Анализ рентгенограмм позволил нам выявить четыре различных вклада: 1) вклад отстеклянного покрытия с размытым пиком при 2Θ≈22º; 2) вклад от Cu, дающий три пика примежатомных расстояниях, d, соответствующих 2.064, 1.792 и 1.273 Å; 3) вклад отнезначительного количества α-Fe с d=1.979Å и 4) аморфное гало.Такая кристаллическая структура и фазовый состав объясняют форму петельгистерезиса, наблюдаемую в исходном состоянии. Таким образом, магнитно-мягкаяаморфная фаза и вклад отгистерезиса, типичнойкристаллического α - Fe приводят к перетянутой петледля двухфазного состояния. Кроме того, такая многофазнаяструктура вела к появлению магнитосопротивления в этом образце (около 1%), которое,определялось, как отношение:∆R/R(%) = { ( R (Н)– R (0 )/ R(0) } x 100 (5)Аналогично, мы получили и измерили магнитные и магнитотранспортные свойствамикропровода Cu70(Co70Fe5Si10B15)30 (D=28.2 мкм, d= 15.2 мкм).Вчетвёртомпараграфеисследованынанокристаллическиемикропровода,Fe73.4Cu1Nb3.1SixB22.5−x (x = 11.5, 13.5 и 16.5), Fe73.4-xCu1Nb3.1Si13.4+xB9.1 (0≤x≤1.1) иFe79Hf7B12Si2.Магнитно-мягкие нанокристаллические сплавы привлекли повышенный научныйинтерес в связи с тем, что такие материалы демонстрируют чрезвычайно высокие магнитномягкие свойства [8].После первой стадии кристаллизации микропроводов Fe-Cu-Nb-Si-B при отжиге былаполучена структура, состоящая из мелких (10-20 нм) кристаллитов FeSi или Fe,соответственно равномерно распределённых в остаточной аморфной матрице.- 26 -Это было подтверждено изучениями рентгеновской дифракции исходного иотожженного при различных температурах образцов.

Средний диаметр выделившихсякристаллитов, оценённый используя формулу Дебая-Шеррера составил 2; 12 и 14 нм приTотж = 773, 823 и 1023 К, соответственно. Высокие магнитно-мягкие свойства (коэрцитивнаясила около 15 А/м) были получены в микропроводах Fe73.5Cu1Nb3SixB22.5−x (x = 13.5), приадекватных условиях отжига.Как в случае других аморфных микропроводов на основе Fe, коэрцитивная силаобразцов аморфного микропровода Fe72.3Cu1Nb3.1Si14.5B9.1 (в исходном состоянии) заметноувеличивается по мере того как коэффициент ρ уменьшается (Рис.

20).В области температур отжига, Тотж, около 673-723 K наблюдался слабый локальныйминимум Hc (Рис. 20).Слабый рост коэрцитивной силы наблюдался после отжига около 723-773 K, чтоможет быть связано с начальной стадией расстеклования. Геометрия образца влияет навеличину и положение локальных экстремов на зависимости Hc (Tотж) (см. Рис.20). Болееглубокий минимум на зависимости Hc (Tотж) (оптимальные магнитно-мягкие свойства) сдовольно низким значением Hc были получены в образцах, обработанных при Tотж = 773-873K.Скачкообразный рост коэрцитивной силы с ростом Tотж был обнаружен в образцах,отожженных при температуре 873 K.

Начало такого роста коэрцитивной силы должно бытьсвязано с выделением боридов железа (с размером зерна более чем 50 нм), что приводит кмагнитному твердению.В слегка измененном составе Fe72.3Cu1Nb3.1Si14.5B9.1 первый максимум на зависимостиHc(Tотж) появляется при такой же температуре отжига, как и в Fe73.4Cu1Nb3.1SixB22.5−x (x =11.5 и 13.5), но магнитное твердениеρ=0,282ρ=0,359ρ=0,41ρ=0,467ρ=0,646ρ=0,8712500HC(А/м)20001500выражено гораздо сильнее (см. Рис.21).Вслед за этим заметным магнитнымтвердениемFe72.3Cu1Nb3.1Si14.5B9.11000уменьшение(магнитное500300400500600700микропровода8009001000Tотж(K)следуеткоэрцитивнойразмягчение)новоесилыприувеличении Tотж выше 823 K, и новоемагнитное твердение при Tотж > 923K,которое сопровождается механическимРис.20. Зависимость коэрцитивной силы от температурыотжига, Tотж, для микропровода Fe71.8Cu1Nb3.1Si15B9.1 сотношением d/D от 0.282 до 0.646.- 27 -охрупчиванием (Рис.21).С7500ρ=0.385ρ=0.333ρ=0.136ρ=0.093ρ=0.047HC(А/м)600045003000помощьюэлектроннойпросвечивающей микроскопии (ПЭM) вобразцеFe72.3Cu1Nb3.1Si14.5B9.1,отожженном при 823K, было обнаруженонебольшое количество мелких зерен α-Fe, γ-1500Fe, и α-Fe (Si).0400600Tотж(K)800чтооптимальныеобразом,наблюдаемоемагнитное твердение следует связать соРис.21.

Зависимость коэрцитивной силы от температурыотжига микропровода Fe72.3Cu1Nb3.1 Si14.5B9.1 сразличными коэффициентами ρ.Известно,Таким1000структурными эффектами, обусловленнымивыделениеммагнитно-мягкиетонкихсвойствакристаллитов.достигаются,когдананокристаллическая структура состоит из малых зерен α-Fe(Si) и аморфной матрицы исплав имеет околонулевую константу магнитострикции.

Возможно, что даже небольшоеизменение состава сплава не позволяет достигнуть такой околонулевойконстантымагнитострикции. С другой стороны, сильные внутренние напряжения (около 100 МПа идаже выше), наведённые стеклянной оболочкой, могут привести к изменению структурывыделяющихся тонких кристаллитов. Как следствие, начало такого заметного магнитноготвердения, при низких температурах отжига без ухудшения механических свойств, можетбыть связано с некоторыми особенностями первого процесса кристаллизации, под влияниемсильных внутренних усилий, наведенных стеклянным покрытием и разницей в составахсплава.Ввиду того, что Zr взаимодействует со стеклом, вместо нанокристаллического сплавана основе Fe- Zr, для получения микропровода с нанокристалической структурой методомТейлора-Улитовского, мы выбрали другой состав (Fe79Hf7B12Si2), в котором Zr был заменёнHf.

Следует упомянуть, что даже исходные образцы Fe79Hf7B12Si2 имеют частичнокристаллическое строение. Средний размер зерна, оцененный из ширины пика из уравненияДебая – Шеррера, составляетоколо 17 нм. При отжиге размер зерна кристаллитовувеличивался с 17 нм до 35 нм после отжига при873 K.При отжиге значительноеулучшение магнитно-мягких свойств происходило при температурах отжига, Тотж =773-873K, при которых происходит также и увеличение размера зерна, D . Однако, значения Hc0 ≈600А/м и D ≈ 30 нм A/m для образцов отожженных при таких температурах (773-873 K)заметно выше, чем значения обнаруженные ранее в нанокристаллических лентах типа«Finemet» (Hc ≈ 1 А/м, D ≈ 10 нм) на основе Fe. На Рис.22 представлена зависимостьH c 0 − H cS(Hc0 –коэрцитивная сила без нагрузки, HcS коэрцитивная сила под нагрузкой, дляH cS- 28 -исходного и отожжённого микропроводов) от приложенных механических напряжений, σ,измеренная в образцах Fe79Hf7B12Si2.Как можно видеть, в исходных и отожжённых образцах при низких температурах773 K), происходил рост Hc с σ, но при Тотж > 773 K наблюдалосьотжига (Тотж <уменьшение Hc с σ.

Такое поведение можно связать с различным магнитострикционнымхарактером образцов. Общепринято, что эффективная магнитострикция насыщения вмагнитно-мягких нанокристаллических сплавах определяется главным образом балансомдвух вкладов, а именно: первый вклад,возникающий от нанокристаллической фазы ивторой - от остаточной аморфной матрицы. Можно предположить, что при отжигепроисходят изменения концентрации и распределения нанокристаллической и аморфнойфазы с повышением температуры отжига, что и приводит к различной зависимостикоэрцитивной силы от напряжений при разных Тотж.Размер зерна играет заметную роль для объяснения поведения коэрцитивной силы при(Hc0-Hcs)/Hcsотжиге.Действительно,наблюдается4увеличение размера зерна (с 15 до 35 нм) с2одновременным уменьшением коэрцитивной0силы.Крометого,такаязависимостькоэрцитивной силы от размера зерна не-2исходныйT=623KT=723KT=773KT=823K-4-6-802040соответствуетмоделислучайнойанизотропии, предложенной Герцером6080100120нанокристаллических140материаловдлятипа«Finemet» [8].σ (МПа)Рис.22.

Зависимость коэрцитивной силы отприложенных механических напряжений в исходноми отожженном состоянии при разных температурахмикропровода Fe79Hf7B12Si2.Интересная корреляция механическихимагнитныхсвойствнаблюдаласьвмикропроводе Fe73.4Cu1Nb3.1Si13.4B9.1 во времяего нанокристаллизации при отжиге: зависимость предела прочности, σy от температурыотжига коррелирует с зависимостью коэрцитивной силы, Нс(Тотж). Как и в случаезависимости Нс(Тотж), на зависимости σy (Тотж) наблюдался локальный минимум околоTотж = 450 oC. Как Нс так и σy уменьшались с Tотж при Tотж < 450 oC.

Некоторый рост какНс, так и σyнаблюдался при Tотж около 575 oC. В конце концов, заметный рост σyнаблюдался при Tотж > 650oC. Образцы, отожженные Tотж > 700 oC, были весьма хрупкими.При температурах отжига выше 600 oC, характер разрушения образцовменялся.Металлическая жила становилась хрупкой и стеклянное покрытие давало заметный вклад впредел прочности: образец ломался немедленно после разрушения стеклянного покрытия.- 29 -Корреляция механических свойств с магнитным поведением мажет быть связана соструктурными изменениями, наведенными отжигом. Выделение второй кристаллическойфазы приводит к полной кристаллизации образца, наводит сильные внутренние напряженияи изменения в характере химических связей.