Локальная атомная и магнитная структура аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-B Дмитриева, Татьяна Геннадьевна

Введение к работе

Актуальность. В настоящее время получение и исследование новых металлических ферромагнитных аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-B является интересным и важным направлением современной физики конденсированного состояния. Магнитомягкие аморфные сплавы на основе Fe-B нашли широкое применение в радиотехнике, электронике и автоматике в качестве сердечников трансформаторов, реле, микротрансформаторах и в других устройствах. Однако для поиска новых ферромагнитных аморфных и нанокристаллических сплавов, а также для улучшения их физических свойств необходимо провести исследования, связанные с изучением их локальной атомной и магнитной структуры. Основная причина этого обусловлена тем, что при изучении физических свойств и их природы в веществах обычно реализуется следующая цепь исследования: состав - кристаллическая структура - физическое свойство. В аморфных сплавах эта цепь исследования нарушилась: исчезло второе звено, а именно структура, в данном случае локальная атомная и магнитная структура аморфных сплавов. Изучение физических, в том числе и магнитных свойств, и их связи с локальной структурой является важным этапом для понимания природы свойств этой системы сплавов и разработки новых ферромагнитных сплавов с улучшенными характеристиками.

Многие физические свойства аморфных сплавов, в том числе магнитные, механические и другие, изменяются уже в результате отжига при температурах значительно ниже температуры их кристаллизации. Выбирая температурные режимы отжигов, можно получать особые, частично или полностью закристаллизованные материалы, которые обладают нужными физическими свойствами. Создание таких нанокристаллических сплавов и использование их свойств невозможно без детального понимания процессов, происходящих при кристаллизации аморфных сплавов (особенно на ранних этапах кристаллизации).

В настоящее время установлено, что имеется прямая связь между структурным порядком и магнитными свойствами аморфных и нанокристаллических сплавов. Это говорит о том, что для понимания природы магнитных свойств аморфных и нанокристаллических ферромагнитных сплавов необходимо изучать их магнитные свойства в неразрывной связи с локальной структурой. Однако локальная атомная и магнитная структура аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-B остается практически неизученной.

Аморфные сплавы на основе Fe-B, применяемые в технике, содержат, как правило, дополнительно s-, p-, d-атомы, которые существенно изменяют магнитные свойства материалов. Влияние же таких атомов на локальную атомную и магнитную структуру аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-B практически не исследовалось.

Таким образом, детальные исследования локальной атомной и магнитной структуры аморфных и нанокристаллических сплавов, а также состава локальных фаз в сплавах на основе железа являются актуальной задачей современной физики конденсированного состояния.

Цель работы. Цель работы заключалась в исследовании локальной атомной и магнитной структуры, а также магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа-бор с использованием мёссбауэровской спектроскопии, рентгеновской дифракции и магнитных измерений, а также в исследовании условий формирования наноструктур при нагреве аморфных сплавов и определении фазового состава образующихся при кристаллизации нанокристаллических фаз.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

исследование локальной атомной и магнитной структуры аморфных и нанокристаллических сплавов Feioo_-xB_x (x=13-25) и Fe_85-xCr_xB₁₅ (x = 5-20) методом эффекта Мессбауэра с использованием современных компьютерных программ (MSTools) по восстановлению функций распределения параметров сверхтонких взаимодействий (сверхтонких полей, изомерных сдвигов и квадрупольных расщеплений);

исследование температурных и концентрационных зависимостей параметров сверхтонких взаимодействий в аморфных, аморфно- нанокристаллических и нанокристаллических сплавах Fe_100-xB_x (x=13-25) и Fe₈5-xCrxB15 (x = 5-20);

определение методом эффекта Мессбауэра температур начала формирования нанокластеров с ближним порядком типа a-Fe и тетрагонального борида t-Fe₃B в аморфной матрице в сплавах Fe_100-xB_x (x=13-25) и Fe_85-xCr_xB₁₅ (x = 5-20), определение локальной атомной и магнитной структуры этих нанокластеров.

Научная новизна.

1. 1. Впервые с использованием новых компьютерных программ для обработки экспериментальных мессбауэровских спектров (MSTools) проведены экспериментальные исследования аморфных и нанокристаллических сплавов Fe_100-xB_x (x=13-25) и Fe_85-xCr_xB₁₅ (x = 5-20), восстановлены функции распределения сверхтонких параметров, а также проведена модельная обработка мессбауэровских спектров исследуемых сплавов.

   2. Обнаружено, что кратковременные отжиги аморфных сплавов Fe_100-xB_x (x=13-25) и Fe_85-xCr_xB₁₅ (x = 5-20) при температурах ниже температуры их кристаллизации приводят к образованию в сплавах Fe-B нанокластеров типа a-Fe, o- и t-Fe₃B в аморфной матрице, а в сплавах Fe- Cr-B нанокластеров типа a-Fe(Cr) и t-(Fe,Cr)₃B.

   3. Определена концентрация атомов хрома в кристаллической фазе a-Fe(Cr), возникающей после частичной кристаллизации сплавов Fe₈₅- xCrxBi5 (x = 5-20).

   4. Показано, что появление атомов хрома в первой координационной сфере атомов железа в аморфных и нанокристаллических сплавах Fe₈₅- _xCr_xBi₅ (x = 5-20) существенно возмущает локальные магнитные моменты атомов железа в нанокластерах с ближним порядком типа a-Fe(Cr) и t- (Fe,Cr)3B.

   Практическая ценность работы.

   Полученные в диссертационной работе экспериментальные данные о структуре аморфных и нанокристаллических сплавов Fe_100-xB_x (x=13-25) и Fe_85-xCr_xB₁₅ (x = 5-20) имеют существенное значение для решений одной из фундаментальных проблем физики конденсированного состояния, а именно, дают информацию о локальной атомной и магнитной структуре этих сплавов. Эта информация важна для определения природы физических, в том числе и магнитных свойств, этой системы сплавов, а также для получения новых ферромагнитных сплавов с улучшенными характеристиками.

   Результаты работы позволяют научно обосновать выдвигаемые предположения о том, что аморфные сплавы состоят из нанокластеров, обладающих ближним порядком, аналогичным ближнему порядку фаз, которые формируются при кристаллизации исследуемых аморфных сплавов.

   Основные научные положения, выносимые на защиту:

   1. 4. 1. Аморфные сплавы Fe-B, полученные методом сверхбыстрой закалки из расплава, состоят из нанокластеров с ближним порядком типа a-Fe, o- и t- Fe₃B, причем их количество (объемная доля) зависит от содержания бора в сплаве, а сплавы Fe-Cr-B из нанокластеров типа a-Fe(Cr) и t-(Fe,Cr)₃B.

         2. После частичной кристаллизации аморфных сплавов Fe_85-xCr_xB₁₅ (x=5- 20) выделяется нанокристаллическая фаза a-Fe(Cr), которая содержит несколько состояний железа, различающихся количеством атомов хрома в первой координационной сфере атомов железа.

         3. Атомы хрома в аморфно-нанокристаллических и нанокристаллических сплавах Fe_85-xCr_xB₁₅ (x=5-20) возмущают локальные магнитные моменты атомов железа в нанокристаллической фазе t-(Fe,Cr)₃B.

         Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием калиброванного сертифицированного оборудования и современных специализированных компьютерных программ для обработки и анализа экспериментальных данных, экспериментальные результаты являются воспроизводимыми.

         Соответствие содержания диссертационной работы паспорту специальности, по которой она рекомендуется к защите. Работа соответствует формуле и пункту 2 области исследования специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»: «2. Теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических и органических систем, включая классические и квантовые жидкости, стекла различной природы и дисперсные системы». Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на: Международной НТК «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, Россия, 2008 - доклад отмечен грамотой лауреата конкурсной программы); VII, IX, X Международной НТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» - INTERMATIC (Москва, Россия, 2009,2010,2011); 57-й, 58-й, 59-й, 60-й НТК МИРЭА (Москва, Россия, 2008,2009,2010,2011); XI Международной НТК «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения» (Екатеринбург, Россия, 2009); Московском международном симпозиуме по магнетизму (Москва, Россия, 2011); IV Всероссийской конференции по наноматериалам «Нано-2011» (Москва, Россия, 2011); Seventh Seeheim Workshop on Mossbauer Spectroscopy (Франкфурт, Германия, 2011)

         Публикации и личный вклад автора. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, 9 статей в сборниках трудов международных конференций.

         Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов, подготовке публикаций.

         Лично автором выполнялись кратковременные отжиги аморфных сплавов Fe-B и Fe-Cr-B в широком диапазоне температур, измерения мессбауэровских спектров, а также обработка полученных результатов в рамках специализированного пакета программ MSTools. Рентгенографические измерения и исследование фазового состава образцов, полученных путем кратковременного отжига, были выполнены в ФГУП «ЦНИИЧермет им. И.П.Бардина» под руководством к.ф.-м.н. Дьяконовой Н.Б.

         Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы из 91 наименования. Содержание работы изложено на 162 страницах, включая 67 рисунков и 18 таблиц.

         Похожие диссертации на Локальная атомная и магнитная структура аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Fe-B

         Закономерности формирования структуры и магнитных свойств при напылении магнитно-анизотропных пленок на основе сплава Nd-Fe-BКорнилов, Николай Владимирович

         

         Структура и магнитные свойства сплавов системы R-Fe-B (R- Nd, Pr), подвергнутых интенсивной пластической деформацииГундеров Дмитрий Валерьевич

         

         Трансформация структуры и физико-механических свойств кристаллических и аморфных сплавов систем Nd(Pr)-Fe-B и Ti-Ni, при воздействии интенсивной пластической деформацииГундеров, Дмитрий Валерьевич

         Структура и свойства нанокристаллических сплавов на основе Fe, Co и PdВолкова, Елена Георгиевна

         Структура и физико-механические свойства микрокристаллических сплавов на основе Ni-Fe, полученных закалкой из расплаваЖигалина, Ольга Михайловна

         Компьютерное моделирование структуры и свойств некоторых жидких и аморфных металлов и сплавов на основе Fe, Ag и NiМомчев, Младен Пенев

         

         Структура и свойства массивных аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Zr и Fe Матвеев Данила Викторович

         

         Структура и свойства гидридных порошков системы Nd-Fe-B для анизотропных магнитопластовШумаков Дмитрий Александрович

         Рентгеноэлектронное исследование изменения электронной структуры сплавов на основе железа при температуре ниже температуры хрупкого переходаТеребова, Надежда Семеновна

         

         Магнитная и кристаллическая структура сплавов на основе гамма-марганца Гогуа Леван Дмитриевич