Диссертация (1102846), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Толщина стеклянной оболочки может изменяться от 0,5 до30 мкм. Диаметр металлической жилы, диаметр всего микропровода в стеклянной оболочке иаморфностьсостоянияопределяются,втомчисле,технологическимипараметрамиизготовления. Так, изменяя расстояние от начала вытягивания микропровода до водянойохлаждающей струи можно менять структурные свойства микропровода от аморфного донанокристаллического состояния, сохраняя при этом химический состав металлической жилы игеометрические параметры микропровода постоянными [28].Основными преимуществами данного метода являются дешевизна и возможностьполучать микропровода длиной в несколько километров. Однако, во время процессавытягивания микропровода, его геометрические параметры могут быть нестабильны иварьироваться на несколько микрометров.
Рисунок 1.2 иллюстрирует изменение диаметраметаллической жилы и диаметра всего микропровода в стеклянной оболочке по его длине. Дляустранения, хотя и не полностью, данного недостатка, метод Улитовского-Тэйлора былмодифицирован. Модифицированный метод отличается своей непрерывностью, которая11обеспечивается поддержанием постоянного количества металла с помощью металлическогостержня, помещенного в стеклянную трубку [29].Рис 1.2 Изменение диаметра металлической жилы (Metal) и диаметра всего микропровода встеклянной оболочке (Glass) по его длине [29].1.2 Распределение внутренних механических напряжений по радиусу микропроводаИзготовление микропроводов в стеклянной оболочке методом Улитовского-Тэйлораприводит к возникновению в микропроводе упругих механических напряжений [30-32].
Вслучае аморфности металлической жилы внутренние механические напряжения, являяськомпонентоймагнитоупругойэнергии,вносятзначительныйвкладвформированиемикромагнитной структуры микропровода.Существует два механизма возникновения внутренних механических напряжений вмикропроводе. Первый механизм появления напряжений связан с процессом быстрогоостывания материалов микропровода. Появление внутренних механических напряжений вмикропроводе в результате данного механизма происходит в два этапа [30]. Первый этапвключает в себя стеклование металла, которое обычно для простоты оценки считаетсяпротекающим одновременно с затвердеванием стеклянной оболочки при температуре 1000 К.На этом этапе внутренние напряжения возникают в процессе затвердевания металла,происходящего от поверхности к центру микропровода.
Второй этап заключается в охлаждениисистемы металл-стекло от температуры стеклования до комнатной температуры. На второмэтапе напряжения появляются из-за разности коэффициентов теплового расширения дляметалла и стекла, что приводит к различной величине их сжатия при остывании. Второймеханизм появления напряжений связан с процессом вытягивания микропровода.Распределение температуры по радиусу микропровода через различные промежуткивремени с начала процесса затвердевания, представленное на рисунке 1.3, было рассчитано12авторами статьи [30]. Как видно, наиболее резкое изменение температуры происходит награнице системы металл-стекло.Рис.1.3 Распределение температуры по радиусу микропровода через различные промежуткивремени после начала процесса затвердевания [30].Существование напряжений, возникающих как в процессе остывания, так и из-запроцесса вытягивания микропровода приводит к определенному распределению по радиусуметаллической жилы трех компонент тензора механических напряжений: аксиальной (σzz),радиальной (σrr) и циркулярной (σθθ).
Величина внутренних механических напряженийсоставляет доли и единицы гигапаскалей. Распределение всех трех типов напряжений порадиусу микропровода с учетом процесса затвердевания, изображенное на рисунке 1.4а, былорассчитано группой из Румынии и опубликовано в работах [30, 31]. График распределениянапряжений по радиусу микропровода состоит из двух основных областей: область, гдеаксиальная компонента положительна, то есть оказывает растягивающее воздействие, и имеетнаибольшее значение, и область, в которой циркулярная компонента напряжений отрицательна(сжимающее воздействие) и имеет наибольшее абсолютное значение. В тех же работахпредставлены результаты расчетов внутренних напряжений в микропроводе с учетом разностикоэффициентов теплового расширения для металла и стекла (Рис.1.4б). Как видно, различие13коэффициентов теплового расширения металла и стекла оказывает влияние на величинунапряжений: аксиальная компонента увеличивается по амплитуде примерно в два раза, в то жевремя величина циркулярных сжимающих напряжений на периферии немного уменьшается.а)б)Рис.1.4 Распределение компонент тензора внутренних механических напряжений– аксиальной,радиальной и циркулярной – по радиусу микропровода в стеклянной оболочке составаFe77.5Si7.5B15 с диаметром металлической жилы 3,65 мкм и толщиной стекла 7,50 мкм а) сучетом процесса затвердевания, б) с учетом процесса затвердевания и разности коэффициентовтеплового расширения металла и стекла [30, 31].Наличие напряжений, связанных с процессом вытягивания микропровода, также вносяткоррективуввеличинуираспределениемеханическихнапряженийпорадиусумикропровода [31].
Распределение напряжений с учетом процесса вытягивания микропроводапредставлено на рисунке 1.5а. Максимальное значение аксиальных напряжений с учетомпроцесса вытяжки микропровода составляет примерно 3,8 ГПа, тогда как при учете толькопроцесса остывания микропровода это значение равно примерно 1,5 ГПа. Авторы работ [31, 32]также смоделировали распределение напряжений по радиусу микропровода после снятиястеклянной оболочки, график которого представлен на рисунке 1.5б. Для микропровода встеклянной оболочке (Рис 1.5а) распределение напряжений имеет только две области –внутреннюю, в которой преобладают аксиальные растягивающие напряжения, и внешнюю, вкоторой преобладают периферические сжимающие напряжения.
В случае микропровода соснятой стеклянной оболочкой (Рис. 1.5б) график распределения напряжений делится на триобласти - внутреннюю с аксиальными напряжениями, внешнюю с периферическими14циркулярными и аксиальными, и область, в которой преобладают растягивающие радиальныенапряжения.Рис.1.5 Распределение компонент тензора внутренних механических напряжений – аксиальных,радиальных и циркулярных – по радиусу микропровода в стеклянной оболочке составаFe77.5Si7.5B15 с диаметром металлической жилы 3,65 мкм и толщиной стекла 7,50 мкм а) сучетом процесса затвердевания, разности коэффициентов теплового расширения металла истекла и процесса вытягивания, б) после снятия стеклянной оболочки [31, 32].Параллельнорасчетвнутреннихмеханическихнапряженийтакжепроводилсяисследователями из Молдавии [33 - 35].
Используя теорию термопластичных релаксаций, былиописаны процессы пластической релаксации внутри металлической жилы аморфногомикропровода, а также процессы намагничивания и явление остаточной намагниченности. Порезультатам расчетов было определено, что остаточные напряжения увеличиваются от центрамикропровода к его поверхности. В статье коллектива во главе с А.С. Антоновым [36] наоснове теории вязкоупругого состояния были проведены расчеты компонент остаточныхнапряжений в аморфных микропроводах в стеклянной оболочке.
Теоретические расчетыкомпонент напряжений для микропровода с отрицательным коэффициентом магнитострикциибыли подтверждены экспериментально исследованием магнитных свойств.Вработах,опубликованныхвначале2000ыхгодов,авторырассматривалиформирование магнитной анизотропии, непосредственно зависящее от распределениявнутренних механических напряжений по радиусу металлической жилы микропровода [37, 38].Расчеты были проведены для микропровода состава Fe77.5Si7.5B15 с положительнымкоэффициентом магнитострикции, диаметром металлической жилы 25 мкм и толщиной стекла1515 мкм (Рис.1.6а). Также было оценено изменение аксиальной анизотропии при изменениигеометрических параметров (Рис.1.6б).а)б)Рис.1.6 а) Распределение механических напряжений по радиусу аморфного микропроводасостава Fe77.5Si7.5B15 с диаметром металлической жилы 25 мкм и толщиной стекла 15 мкм; навставке: распределение константы анизотропии по радиусу микропровода [37, 38], б)Зависимость аксиальной компоненты константы анизотропии микропровода составаFe77.5Si7.5B15 от диаметра металлической жилы и толщины стеклянной оболочки [38].В работе [39] был проведен расчет механических напряжений в аморфныхмикропроводах после отжига постоянных током.
По результатам расчетов было получено, чтомаксимальное значение аксиальных напряжений после отжига больше, чем для неотожженныхмикропроводов, и разница составляет около 450 МПа. Циркулярные и радиальные напряженияпри этом уменьшаются на величину 220 и 210 МПа, соответственно.Влияние растягивающего аксиального напряжения Tex, возникающего при вытяжкемикропровода и зависящего от скорости вытягивания микропроводов, было оценено в работе[40] (Рис.1.7). По рисунку 1.7 можно видеть, что технологические параметры играютзначительную роль в формировании величины и распределения напряжений по радиусумикропровода. А, следовательно, имеют существенное влияние и на микромагнитнуюструктуру.16а)б)в)Рис.1.7 Распределение внутренних упругих напряжений в металлической жилемикропровода в стеклянной оболочке по его радиусу в зависимости от величинырастягивающего напряжения, возникающего при вытяжке микропровода: a) Tex =100 МПа,б) Tex =220 МПа, в) Tex =350 МПа [40], где Tex – растягивающие аксиальные напряжения.1.3 Коэффициент магнитострикции насыщения микропроводовЕсли рассматривать магнитостатическую энергию как постоянную величину (она будетменятьсянезначительноприизменениидиаметраметаллическойжилыпридлинемикропровода более нескольких миллиметров), то микромагнитную структуру микропроводаопределяет магнитоупругая энергия, состоящая из двух вкладов – упругих механическихнапряжений и магнитострикции.
Исследования коэффициента магнитострикции насыщения (вдальнейшем и везде по тексту – коэффициент магнитострикции) для аморфных микропроводови лент начались еще в 80ых годах прошлого столетия [41-43]. Исследование коэффициентамагнитострикции микропроводов проводится не прямым методом, в ходе которого проводитсяизмерениеначальнойпроницаемости,χi,инамагниченностинасыщения,M s,сприкладываемыми к микропроводу растягивающими напряжениями, σ, после чего величинакоэффициента магнитострикции находится по формуле, полученной в работе [41]: = − (0 2) (−1 )/3При этом считается, что коэффициент магнитострикции определяется химическимсоставом металлической жилы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
