Межзеренное обменное взаимодействие в наноструктурированных сплавах системы РЗМ-3d-металл-бор и его роль в формировании их фундаментальных и гистерезисных магнитных свойств Волегов, Алексей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы

Среди функциональных магнитных материалов особое место занимают магнитот- вердые материалы (МТМ), изделия из которых представляют собой источники постоянных магнитных полей без затрат энергии. Изделия из МТМ - постоянные магниты (ПМ) - нашли самое широкое применение в электродвигателях, генераторах, магнитных муфтах, магнитных сепараторах, магнитных системах фокусировки заряженных частиц и др. Научно-технический прогресс и связанная с ним миниатюризация исполнительных механизмов технических устройств предъявляют повышенные требования к энергоемкости ПМ и условиям их эксплуатации, обеспечить которые на сегодняшний день могут лишь редкоземельные МТМ.

За длительное время исследования магнетизма редкоземельных интерметаллических соединений накоплено колоссальное количество экспериментального материала и построены теории основных взаимодействий, определяющих их магнитные свойства. На протяжении последних тридцати лет особенно тщательным исследованиям был подвергнут высокоанизотропный интерметаллид Nd₂Fei₄B ввиду его высоких спонтанной намагниченности (M_s) и одноосной магнитокристаллической анизотропии (МКА). Указанные фундаментальные магнитные свойства позволили даже в серийном производстве получать на его основе ПМ с величиной максимального энергетического произведения (BH)_max до 50 МГсЭ. Экспериментально достигнутая величина (BH)_max=59,6 МГсЭ [1] очень близка к теоретическому пределу Tmp(BH)_max= 64 МГсЭ. Принято считать, что дальнейшее увеличение (BH)_max у МТМ может быть достигнуто в результате как нахождения новых магнитных фаз с более высокими чем у фазы Nd₂Fe₁₄B величинами M_s и одноосным типом МКА, так и создания технологий получения МТМ на основе известных магнитотвердой и магнитомягкой фаз с текстурированными обменно-связанными структурными элементами наноразмер- ного масштаба, и в частности интерметаллида Nd₂Fe₁₄B и a-Fe [2].

Перед разработкой такой технологии должен быть решен ряд фундаментальных исследовательских задач:

1. определение зависимости фундаментальных магнитных характеристик (M_s, K, T_c) интерметаллида Nd₂Fe₁₄B от размера зерен и физических причин такой зависимости;

2. разработка физических основ методов оценки энергии межзеренного обменного взаимодействия (МОВ);

3. разработка физических основ технологии получения текстурованных нано- кристаллических сплавов системы Nd-Fe-B достехиометрического по редкоземельному элементу состава относительно стехиометрической пропорции фазы Nd₂Fe₁₄B. Решение первой задачи позволит понять механизмы влияния размера частиц соединения типа Nd₂Fe₁₄B на их фундаментальные магнитные характеристики и, возможно, использовать эти механизмы для целенаправленного их изменения.

Решение второй из указанных задач позволит уточнить представления об обменно- связанных материалах, построить их модель, более адекватную действительности, и, соответственно, с большей точностью рассчитывать параметры петли гистерезиса, которая может быть получена на текстурованном композиционном материале в различных сочетаниях высокоанизотропной фазы, и фазы с более высокой Ms.,

Цель работы и задачи исследования

Цель настоящей работы заключалась в разработке универсального метода регистрации межзеренного обменного взаимодействия (МОВ) в наноструктурированных сплавах; разработке методов оценки величины энергии МОВ в наноструктуриро- ванных сплавах системы Nd-Fe-B; установлении характера зависимости величин фундаментальных магнитных характеристик фазы типа Nd₂Fe₁₄B, формирующейся в быстрозакаленных сплавах (БЗС) такого типа от размеров ее кристаллитов. Для достижения указанных целей в работе ставились и решались следующие задачи:

3. выбор и аттестация исследуемых объектов;

4. исследование гистерезисных свойств наноструктурированных и микрокристаллических сплавов системы Nd-Fe-B в области состава фазы типа Nd₂Fe₁₄B в широких диапазонах магнитных полей и температур;

5. исследование обратимых и необратимых процессов намагничивания и перемаг- ничивания в указанных объектах;

6. установление характера зависимостей температуры спонтанного спин- переориентационного перехода (Т_сп) и температуры Кюри (Т_с) от размера кристаллитов фазы типа Nd₂Fei₄B;

7. анализ возможных механизмов влияния размера кристаллитов на температуры указанных фазовых переходов.

В данной работе были получены и выносятся на защиту:

7. 1. результаты исследования магнитной восприимчивости вдоль и поперек направления остаточной намагниченности наноструктурированных обменно-связанных бы- строзакаленных сплавов (БЗС) системы Nd-Fe-B вблизи состава фазы Nd₂Fe₁₄B при одноосном типе МКА в этой фазе;

   2. результаты исследования температурных зависимостей остаточной намагниченности микро- и наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B вблизи состава фазы Nd₂Fe₁₄B при разной величине энергии МОВ;

   3. метод определения величины параметра МОВ в наноструктурированных сплавах со спонтанным спин-переориентационным переходом (СПП) типа ось легкого намагничивания - конус осей легкого намагничивания по температурным зависимостям их остаточной намагниченности и сопоставлению этих данных с таковыми для микрокристаллических сплавов аналогичного состава;

   4. представление о процессе перемагничивания наноструктурированных обменно- связанных БЗС путем образования квазидоменов и движения квазидоменной стенки;

   5. представление о возрастающем влиянии приповерхностного слоя, имеющего иную по сравнению с внутренним объемом атомную структуру на величину температур СПП и Т_с. при уменьшении размеров зерен интерметаллида R₂T₁₄B,

   Достоверность полученных результатов подтверждается независимыми измерениями магнитных характеристик исследованных образцов в постоянных магнитных полях с помощью вибрационных магнитометров (ВМ) КВАНС-1 и КВАНС-2 и магни- тоизмерительной установки MPMS-XL-7 EC, аттестацией методик измерения и калибровкой оборудования, утвержденными ФГУП УНИИМ. Структура и фазовый состав образцов исследовались независимыми методами рентгеноструктурного анализа, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, электронной микродифракции. Полученные результаты согласуются между собой. Кроме того, высококоэрцитивные, согласно магнитным измерениям БЗС были апробированы в качестве порошковых наполнителей в ПМ с полимерным связующим. Магнитные свойства у полученных ПМ, измеренные в пермеаметре сильных магнитных полей (гистерезисграф ГГ=111) (остаточная индукция (В_г), коэрцитивная сила (H_c), (BH)_max) соответствовали ожидаемым значениям, основанным на измерениях этих характеристик с помощью ВМ и измерительной установки MPMS-XL-7 EC.

   Научная и практическая значимость работы

   Получены экспериментальные данные о гистерезисных магнитных свойствах практически важных наноструктурированных сплавов системы РЗМ-3d-металл-бор во всей области температур магнитоупорядоченного состояния, что позволяет прогнозировать магнитные характеристики МТМ на их основе (магнитопластов и магнито- эластов) и производить их обоснованный выбор для конкретных практических применений. Разработаны и опробованы методики определения плотности энергии МОВ, температуры СПП. Эти методики могут быть рекомендованы для использования другим исследователям в их практической деятельности с целью определения факторов, влияющих на величину МОВ в магнитоупорядоченных сплавах. Определено значение параметра МОВ в серийно производимых БЗС типа MQP и БЗМП, составившее величину ~8 эрг/см .

   Научная новизна

   Впервые получены следующие результаты.

   1. Показана возможность регистрации межзеренного обменного взаимодействия (МОВ), сравнимого по порядку величины с энергией МКА, с использованием результатов экспериментального исследования магнитной восприимчивости вдоль и поперек направления остаточной намагниченности наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B при одноосной МКА в фазе типа Nd₂Fei₄B.

   7. 5. 1. Показано, что рост остаточной намагниченности наноструктурированных сплавов системы Nd-Fe-B ниже температуры СПП в фазе типа Nd₂Fe₁₄B «ось легкого намагничивания» - «конус осей легкого намагничивания» связан с наличием взаимодействия обменного типа между соседними зернами сплава.

         2. Разработан метод определения величины параметра энергии МОВ в наноструктурированных сплавах со спонтанным СПП «ось легкого намагничивания» - «конус осей легкого намагничивания» по температурным зависимостям их остаточной намагниченности и сопоставлению этих данных с таковыми для микрокристаллических сплавов аналогичного состава.

         3. Разработан метод оценки величины параметра энергии МОВ по температурным зависимостям их остаточной намагниченности после охлаждения в размагничивающем поле и сопоставлению этих данных с величиной энергетического барьера, разделяющего оси легкого намагничивания при типе анизотропии «конус осей легкого намагничивания».

         4. Дана трактовка процессам перемагничивания в ансамблях наноразмерных маг- нитоодносных зерен, к каким относятся наноструктурированные сплавы системы Nd-Fe-B вблизи состава фазы типа Nd₂Fe₁₄B, на основе модели квазидоменов и движения границ между ними при изменении величины магнитного поля.

         5. Подтверждены имевшиеся в научной литературе сведения о снижении величин температур Т_с и СПП в фазе Nd₂Fe₁₄B при уменьшении размера ее зерен в наноструктурированных сплавах системы Nd-Fe-B и дано объяснение этим зависимостям из представлений о возрастающей роли приповерхностного слоя, имеющего иные расстояния между атомами и их локальные окружения по сравнению с таковыми во внутреннем объеме нанозерен этой фазы.

         Структура диссертации

         Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации - 160 страниц, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список цитированной литературы из 77 наименований.

         Апробация результатов

         Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе представлены на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах: II Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (4-6 мая 2006 г., Томск); III Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (24-27 апреля 2007 г., Томск); XVI Международной конференции по постоянным магнитам (17-21 сентября 2007 г., Суздаль); VIII Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (19-25 ноября 2007 г., Екатеринбург); XVII Международной конференции по постоянным магнитам (21-25 сентября 2009 г., Суздаль); X Молодежной школе- семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (9-15 ноября 2009 г., Екатеринбург); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи (16-20 ноября 2009 г., Белгород); IV Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism»: Nanospintronics (28 июня - 2 июля 2010 г., Екатеринбург); 21^st Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (29 августа - 2 сентября 2010 г., Блед, Словения); XI Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (15-21 ноября 2010 г., Екатеринбург); Moscow Interanational Symposium on Magnetism (21-25 августа 2011 г., Москва); XVIII Международной конференции по постоянным магнитам (19-23 сентября

         7. 5. 5. 1. г., Суздаль); XII Молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (14-20 ноября 2011 г., Екатеринбург), 22^nd Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications (2-5 сентября

                  2. г., Нагасаки, Япония), V Байкальская международная конференция «Магнитные материалы. Новые технологии» (21-25 сентября 2012 г., Иркутск).

                  По теме диссертации опубликованы 2 научные статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, 9 статей в других рецензируемых изданиях и трудах международных конференций и тезисы 17 докладов.

                  Основные исследования по теме диссертации выполнены в отделе магнетизма твердых тел НИИ физики и прикладной математики Института естественных наук УрФУ. Измерения теплоемкости и нейтронографические измерения выполнены в Институте физики металлов УрО РАН.

                  Настоящая работа выполнена при поддержке госконтрактов №16.552.11.7020, № 01.648.12.3015, №2.1.1/1682, гранта Конкурса молодых ученых УрФУ на проведение научно-исследовательских работ 2011 и 2012 гг.

                  Похожие диссертации на Межзеренное обменное взаимодействие в наноструктурированных сплавах системы РЗМ-3d-металл-бор и его роль в формировании их фундаментальных и гистерезисных магнитных свойств

                  

                  Магнитные свойства цементита и его роль в формировании коэрцитивной силы модельных термически обработанных углеродистых сталей, легированных Mn, Cr или SiБаранова Ирина Андреевна

                  

                  Магнитный гистерезис микрогетерогенных систем на основе 3d- и 4f- переходных металловСеменова Елена Михайловна

                  Магнитные свойства металлоорганических систем с 3d- и 4f- ионамиСтариченко, Денис Владимирович

                  Магнитные свойства тройных систем на основе 4f-3d интерметаллидов с конкурирующими взаимодействиямиКучин, Анатолий Георгиевич

                  

                  Формирование и исследование магнитных тонкопленочных структур с заданными высокочастотными свойствамиСедова Марина Владимировна

                  

                  Магнитные свойства и сверхтонкие взаимодействия в системах на основе железаДобышева Людмила Викторовна

                  

                  Влияние вибронных взаимодействий на структуру, магнитные свойства и процессы образования комплексов примесных d-ионов в кристаллах типа флюорита Уланов Владимир Андреевич

                  

                  Сверхтонкие взаимодействия в магнитотвёрдых сплавах Fe-Cr-Co-W-Ga, интерметаллидах La(FeSiAl)_13 и Ce(FeSi)_2Вершинин Александр Вадимович

                  

                  Теория концентрированных магнитоупорядоченных сплавов с конкурирующими обменными и анизотропными взаимодействиями Медведев Михаил Владимирович

                  

                  Анизотропия кинетических явлений в системе монокристаллических сплавов Ni-Pd Стадник Сергей Илларионович