Введение к работе
Актуальность темы
Работа направлена на решение фундаментальной проблемы физики магнитных явлений – обоснование влияния на структуру и магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов методов термомагнитных и термомеханических воздействий, приводящих к новому уровню функциональных свойств магнитомягких материалов. Аморфные и нанокристаллические магнитные сплавы проявили себя как новые перспективные материалы, привлекающие, с одной стороны, многообразием и необычностью их магнитных свойств и, с другой стороны, новыми возможностями их практического использования
[1–3]. Магнитные свойства этих веществ существенно связаны с их структурными свойствами и химическим составом. Существенное значение в формировании их практически важных свойств имеют такие внешние воздействия, как термомагнитная (в постоянных и переменных полях) и термомеханическая обработки. Они приводят к таким новым физическим явлениям, как изменение характера наведенной анизотропии, сдвиг петли гистерезиса и др. Изучение этих явлений представляет не только научный, но и практический интерес, т.е. является актуальным.
Подбором состава можно получить сплав с нулевой магнитострикцией при нулевой константе магнитокристаллической анизотропии. В результате получают магнитный материал с наилучшими магнитомягкими свойствами. Таковыми являются аморфные магнитомягкие сплавы на основе кобальта [4,5].
Разработка в конце 80-тых годов нового класса магнитомягких материалов с нанокристаллической структурой [6,7] явилась подлинным прорывом в проблеме создания качественно новых магнитомягких материалов, отвечающих потребностям современной техники. Эти сплавы после оптимальной термической обработки имеют гистерезисные магнитные свойства, близкие к свойствам лучших кристаллических (пермаллои) и аморфных сплавов на основе кобальта и с индукцией насыщения Bs, более чем в два раза превышающей Bs аморфных сплавов. Магнитомягкие нанокристаллические сплавы с уникальным сочетанием магнитных свойств получают путем кристаллизации аморфных сплавов на основе железа. Другими словами, аморфное состояние используется как промежуточное для создания принципиально нового состояния – нанокристаллического.
Формирование нанокристаллической структуры в процессе развития кристаллизации аморфной фазы, в первую очередь, определяется составом аморфных сплавов, который должен быть подобран так, чтобы он обеспечивал высокую скорость образования зародышей кристаллизации и задержку роста кристаллитов. Выполнение этих условий приводит к формированию наноструктурного состояния с величиной зерна около 10 нм. В результате в нанокристаллическом сплаве проявляется необычное для традиционных кристаллических материалов фазово-структурное состояние: мелкие зерна, вкрапленные в аморфную матрицу. Необычная мелкость зерна приводит к тому, что эти зерна являются однодоменными. Поворот вектора намагниченности в каждом зерне к своему направлению легкого намагничивания привел бы к большой магнитостатической энергии из-за появления большого числа близко расположенных магнитных зарядов, а также к повышению обменной энергии на границах между зернами. Таким образом, проявление естественной магнитной анизотропии зерен оказывается подавленным и при нулевой константе магнитострикции можно получить предельно магнитомягкий материал в нанокристаллическом состоянии. К тому же нанокристаллические сплавы по сравнению с аморфными, обладают стабильной структурой и более высокой термостабильностью магнитных свойств.
На формировании магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов большое влияние оказывают наведенная магнитная анизотропия различной природы [8,9]. Именно она во многих случаях определяет тип доменной структуры и характер перемагничивания, а, следовательно, и особенности магнитных свойств. Магнитная анизотропия, наведенная путем применения различных обработок : термических, термомагнитных (ТМО) и термомеханических (ТМхО), неодинаковым образом сказывается на магнитных свойствах в разных системах аморфных и нанокристаллических сплавов.
Одной из важных задач исследований аморфных и нанокристаллических магнитомягких сплавов является необходимость увязывания изменения их магнитных свойств с изменением их структурных особенностей. Это оказывается непростой задачей, если учесть, что представления о микронеоднородном строении этих сплавов имеют широкий спектр: от динамической кластерной структуры до микрогетерофазной и микрокристаллической. Чувствительность используемых в настоящее время методов прямого структурного анализа оказывается меньше чувствительности ряда физических свойств к структурным изменениям магнитомягких материалов. Интерпретация изменений этих свойств в структурных терминах часто оказывается неоднозначной. Для более глубокого понимания физики магнитных явлений в этих материалах и в особенности понимания природы влияния внешних воздействий на магнитомягкие свойства, необходимо комплексное проведение экспериментальных работ в этой области магнетизма.
Результаты исследований позволят прогнозировать магнитные свойства новых составов. Это очень важно для нужд электроэнергетики, электроники, где требуются магнитомягкие материалы с широким спектром магнитных свойств: это и материалы с максимальной магнитной проницаемостью (прямоугольные петли гистерезиса), и материалы с низкими потерями на перемагничивание, и материалы с высокой начальной проницаемостью, и материалы с постоянной магнитной проницаемостью в широком интервале магнитных полей (наклонные петли гистерезиса).
Исследования по теме диссертации выполнены по проблеме 1.2.3. (физика магнитных явлений ), по теме “ Спин” № г.р. 01.2.006 13391, по госконтракту № 02.513.11.3053, по проекту РФФИ №04-02-17674. по теме “Исследование физических явлений в аморфных и нанокристаллических ферромагнетиках и выяснение возможности их применения “, при поддержке проектов РФФИ № 17, 04-02-96069, 05-02-17704, 96-02-16000, 99-02-16279, РФФИ Урал 01-02-96442 и программы ОФН РАН “Новые материалы и структуры “
Цель работы. Целью работы является выяснение физической природы изменения магнитных свойств, приобретаемых аморфными и нанокристаллическими ферромагнетиками в результате применения различных термических, термомагнитных и термомеханических воздействий на стадии структурной релаксации, на стадии появления структурных и микрокристаллических неоднородностей и при изменении состава сплавов. Определение на основе этих исследований параметров воздействий с целью получения оптимальных магнитных свойств магнитомягких материалов и выработка рекомендаций для целенаправленного создания новых функциональных материалов для современной техники.
Сформулированы следующие задачи:
1. Исследование физической природы изменения магнитных свойств сплавов на основе кобальта Fe–Co–Si–B с практически нулевыми константами магнитокристаллической анизотропии и магнитострикции, а также сплавов на основе железа Fe–Si–B с практически нулевой константой магнитокристаллической анизотропии в результате применения различных термических, термомагнитных и термомеханических воздействий и изменения состава сплава.
2. Исследование дестабилизации доменной структуры аморфных и нанокристаллических сплавов под влиянием внешних воздействий и разработка новых способов дестабилизации с целью получения в этих сплавах наилучших магнитных свойств: наибольших значений начальной или максимальной магнитных проницаемостей, наименьшей коэрцитивной силы, минимальных электромагнитных потерь.
3. Исследование влияния термомагнитных и термомеханических воздействий на магнитную проницаемость магнитомягких материалов на основе железа и кобальта, полученных быстрой закалкой из расплава и разработка физических принципов получения материала с постоянством магнитной проницаемости в широком интервале магнитных полей.
4. Экспериментальное обнаружение сдвига петель гистерезиса. Выяснение природы этого явления и установление возможностей регулирования величины сдвига.
5. Разработка новых способов усиления магнитной текстуры с целью
снижения электромагнитных потерь на перемагничивание в аморфных сплавах на основе железа системы Fe–Si–B.
6. Комплексное исследование магнитных свойств нанокристаллических сплавов в результате применения различных воздействий в аморфном и нанокристаллическом состояниях, а также во время перехода из аморфного в нанокристаллическое состояние. Выяснение возможностей регулирования размеров нанокристаллического зерна с целью существенного улучшения свойств магнитомягких материалов.
7. Исследование физической природы термостабильности магнитных свойств, приобретаемых магнитомягкими сплавами на основе железа и кобальта в результате различных внешних воздействий.
Научная новизна
Научную новизну работы определяет ряд впервые полученных важных результатов:
1. Установлены физические закономерности влияния индуцированной магнитной анизотропии различного происхождения на комплекс магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов на стадии их структурной релаксации и на стадии фазового расслоения.
2. Предложен новый способ дестабилизации доменной магнитной структуры путем термомагнитной обработки в высокочастотном магнитном поле, приводящий к получению рекордных магнитомягких свойств аморфных и нанокристаллических сплавов.
3. Обнаружено, что в ленточных образцах с поперечной магнитной анизотропией, наведенной термомеханической обработкой или отжигом на начало кристаллизации, получаются наклонные петли гистерезиса с постоянной магнитной проницаемостью в широкой области изменения внешних магнитных полей. Разработан метод получения магнитомягких материалов, обладающих указанными свойствами.
4. Экспериментально обнаружен сдвиг петель гистерезиса в аморфных и нанокристаллических сплавах на основе железа и кобальта (FeCoCuNbSiB), возникающий в результате их термомагнитной обработки в постоянных магнитных полях. Установлено, что сдвиг связан с выделением кластеров -Со, -Со и нанофаз (Fe,Со)3Si и (Fe,Co)2B.
5. Выявлен механизм сильного снижения магнитных потерь на перемагничивание посредством комбинированной текстурующей обработки ленты сплава на основе железа, включающей последовательно операции формирования магнитоактивного (растягивающего) покрытия, промежуточную термообработку, отжиг и охлаждение в продольном переменном магнитном поле. Снижение потерь составляет 35-45% по сравнению с образцами, непрошедшими комбинированной обработки.
6. Впервые получена поперечная (поперек оси ленточного образца) магнитная анизотропия за счет термомеханической обработки нанокристаллического сплава на основе железа. Показано, что физический механизм этой анизотропии связан с появлением областей с отрицательной константой магнитострикции в выделениях Fe100-xSix при изменении содержания Si.
7. Выяснена физическая природа температурно–временной стабильности магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов на основе железа и кобальта, подвергнутых термомагнитным и термомеханическим воздействиям. Даны рекомендации по улучшению термостабильности и временной стабильности этих сплавов.
Научная и практическая ценность работы:
1. Работа вносит вклад в развитие физических представлений о связи магнитных свойств с особенностями структуры аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов, изменяемых с помощью термических, термомагнитных и термомеханических воздействий. Существенное научное значение имеет также выяснение природы магнитной анизотропии, наводимой благодаря указанным воздействиям, на стадии структурной релаксации и на стадии фазового расслоения сплава.
2. Полученные результаты являются физической основой для оптими-зации магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов с целью практического применения в различных областях техники.
Научные предложения, выносимые на защиту:
1. Установленные физические механизмы влияния термических, термомагнитных и термомеханических воздействий на структурные особенности и магнитные свойства аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов на основе железа и кобальта.
2. Установленные физические механизмы воздействия индуцированной магнитной анизотропии различной природы на комплекс магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов на стадии структурной релаксации и на стадии фазового расслоения.
3. Разработанные новые способы и полученные аморфные и нанокристаллические материалы с рекордными магнитомягкими свойствами, привлекательными для практического применения.
4. Разработанный новый способ дестабилизации магнитной доменной структуры, заключающийся в использовании высокочастотного магнитного поля (вместо постоянного) в процессе отжига образцов при температурах близких к температуре Кюри. Полученное на основе этой обработки существенное улучшение свойств магнитомягких материалов.
5. Экспериментально обнаруженный эффект возникновения за счет термомеханической обработки нанокристаллических лент на основе Fe поперечной (ось анизотропии поперек ленточного образца) наведенной магнитной анизотропии и выясненную физическую природу этого эффекта.
6. Природа возникновения сдвига петель гистерезиса в аморфных и нанокристаллических сплавах на основе железа и кобальта при определенных концентрациях Со в сплавах, прошедших термомагнит-ную обработку в постоянном магнитном поле.
7. Найденная природа повышения температурно–временной стабильности магнитных свойств аморфных и нанокристаллических сплавов, приобретаемых в результате применения различных внешних воздействий.
7. Личный вклад автора.
Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в кооперации с сотрудниками лабораторий микромагнетизма, ферромагнитных сплавов, механических свойств, прикладного магнетизма, прецизионных сплавов, электромагнетизма (ИФМ УрО РАН), сотрудниками ведущих центров России (УрГУ), ИФТ УрО РАН (Ижевск), ИГФ, ИХ УрО РАН. Личный вклад автора включает выбор темы исследования, постановку цели и задач диссертационной работы, формирование комплекса методик исследований, обеспечивающих решение поставленных задач, усовершенствование установок для получения аморфных и нанокристаллических материалов, измерения магнитных характеристик, анализ полученных результатов в публикациях и отчетах по проектам, разработка предложений по практическому использованию полученных результатов.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены и доложены на следующих конференциях и симпозиумах:
на Международном Симпозиуме EASTMAG (Екатеринбург 2001, Казань 2007): на Международной конференции HYSTERESIS MODELING AND MICROMAGNETICS 2007 (ITALY); на Научной сессии ИФМ УрО РАН по итогам (Екатеринбург, 1988, 1999, 2002, 2003, 2004, 2005); на III-ем объединенном европейском магнитном симпозиуме JESM’06 (Испания, Сан-Себастьян); на международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (2002,2004,2006, Москва); на 6-ой Европейской конференции по магнитным сенсорам и активаторам EMSA’06, (Испания, Бильбао); на Совещании по программе ОФН РАН «Новые материалы и структуры» (Москва, Черноголовка, декабрь 2006); на Международной научно-практической конференции « Нанотехнология - технология XXI века » (2006, МГОУ, Москва); на Международной конференции «Функциональные Материалы» - ICFM’2005 (Украина, Крым, Партенит); на Moscow International Symposium on Magnetism (Russia, Moskow, 2005); на Х Международном семинаре «Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов» – Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов «ДСМСМС-1999,2002,2005» (Россия, Екатеринбург); на 2-ой научно-практической конференции “Нанотехнологии — производству 2005.г. (Россия. Московская обл. г.Фрязино); на II -ой Байкальской Международной конференции "Магнитные материалы"(BICMM – 2003) (Иркутск, Россия); на Международной конференции «Быстрозакаленные метастабильные материалы» (2002,) Оксфорд, Великобритания; на Байкальской Международной научно – практической конференции «Магнитные материалы» (2001, Иркутск); на 14-ой Международной конференции по мягким магнитным материалам (SMM 13,14,15,16) (1997, Гренобль, Франция; 1999, Венгрия; 2001 Бильбао, Испания; 2003, Дюссельдорф, Германия); на VII Европ. конф. «Магнитные материалы и их применение» (1998,Сарагоса, Испания); VIII международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам (1997, Брауншвейг, Германия; 1999, Италия, Павиа). На международной конференции “6-й Металлургический Симпозиум по Цветным Металлам” (1989, Венгрия, Балатоналига); На совещаниях руководителей проектов по программе « Новые Материалы и структуры» отделения физических наук РАН ( 2004,2005,2006 г.г., Черноголовка).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 59 публикациях в журналах, включенных ВАК в Перечень ведущих рецензируемых журналов и в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 306 страниц, включая 135 иллюстраций, 30 таблиц и списка литературы из 222 наименований.
