Fe76Si7．6B9．5P5C1．9 合金帶的縱向巨磁阻抗效應(yīng)＊

馬 云， 葉慧群， 李文忠， 金林楓， 嚴(yán)維燕， 范曉珍， 方允樟

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江金華 321004)

0 引言

巨磁阻抗由于其在傳感器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，自1992年被Mohri等［1］發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直受到關(guān)注．由于巨磁阻抗效應(yīng)與趨膚效應(yīng)有關(guān)，即與材料的磁導(dǎo)率有關(guān)，這就使得具有優(yōu)異軟磁性能的Fe基非晶材料成為首選．在傳統(tǒng)的易于形成非晶的Fe基材料中，大都含有Co，Nb，Mo，Y等元素［2-7］，這些元素或是戰(zhàn)略資源元素，或是稀有元素，它們提高了原材料的成本．最近，Chuntao等［8］發(fā)現(xiàn)了不含以上元素的Fe76Si7．6B9．5P5C1．9大塊非晶成分，該組分不僅具有良好的非晶形成能力，而且具有良好的軟磁性能，極大地降低了原材料的成本．然而，這種材料的巨磁阻抗效應(yīng)還未見(jiàn)有人研究．本課題組在該組分的鑄態(tài)樣品中發(fā)現(xiàn)了優(yōu)秀的縱向巨磁阻抗性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，該非晶組分的縱向巨磁阻抗效應(yīng)大大提高，在440℃退火后，最大阻抗比達(dá)到1 196%，靈敏度為715%/(A·m－1)．

1 縱向巨磁阻抗產(chǎn)生的原因及測(cè)試原理

巨磁阻抗是指材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)產(chǎn)生明顯變化的現(xiàn)象．當(dāng)合金薄帶的長(zhǎng)l，寬b，厚d滿足l?b?d時(shí)，由麥克斯韋方程可以得出在交流場(chǎng)下樣品的阻抗值Z［9］可表示為

本文重點(diǎn)研究了 Fe76Si7．6B9．5P5C1．9的縱向(合金帶的長(zhǎng)軸方向)巨磁阻抗效應(yīng)，其測(cè)試原理示意圖如圖1所示［10］，將樣品放入連接在HP4294A阻抗分析儀的螺線管中，阻抗儀為螺線管提供的正弦交流電產(chǎn)生沿合金帶軸向的交流的縱向驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，同時(shí)阻抗儀也測(cè)量螺線管兩端的阻抗值．圖1中的直流電源則連接在一對(duì)Helmholz線圈A，B上，為樣品提供外加磁場(chǎng)，改變直流電流的大小就可以得到不同大小的外加磁場(chǎng)，從而測(cè)得不同外加磁場(chǎng)下的阻抗值．

2 實(shí)驗(yàn)

圖1 縱向巨磁阻抗的測(cè)量原理

用單輥快淬法噴制寬 0．35 mm，厚 0．033 mm的Fe76Si7．6B9．5P5C1．9非晶薄帶，氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境中，不同溫度退火1 h，隨爐冷卻到室溫．樣品的縱向阻抗值Z采用HP4294A型阻抗分析儀測(cè)得．測(cè)量時(shí)，截取長(zhǎng)度為15 mm的薄帶，放入一個(gè)線圈內(nèi)組成一個(gè)等效的阻抗元件．用10 mA正弦交流電驅(qū)動(dòng)線圈，對(duì)樣品產(chǎn)生一個(gè)縱向的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)．線圈為線徑0．11 mm漆包線繞制成的100匝內(nèi)直徑0．57 mm的螺線管．外加的直流磁場(chǎng)由Helmholz線圈提供，所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在室溫下獲得．阻抗變化率用以下關(guān)系式得到:

式(2)中，ZHex和ZHmax分別表示任意外加磁場(chǎng)和最大外加磁場(chǎng)下樣品的阻抗值．

3 結(jié)果與討論

圖2為該組分薄帶的DSC曲線．從DSC曲線上可以看出，Tg與Tx的差值較大，樣品具有較好的非晶形成能力．

圖3為鑄態(tài)和不同溫度退火后樣品的XRD曲線．由圖3可以看出:在溫度低于520℃時(shí)，樣品一直處于非晶狀態(tài);當(dāng)溫度高于520℃時(shí)，開(kāi)始晶化，有α-Fe(Si)相長(zhǎng)出．

圖3 樣品鑄態(tài)及不同溫度退火的XRD曲線

圖2 合金薄帶樣品的DSC曲線

圖4 0．3 MHz下不同溫度退火的阻抗比曲線

圖4 為樣品在不同溫度下退火1 h，測(cè)量頻率為0．3 MHz的磁阻抗變化曲線，右上角插圖為最大巨磁阻抗比隨退火溫度的變化關(guān)系．隨著退火溫度的升高，阻抗比曲線的頂端由小臺(tái)階變成尖銳的單峰形狀，這說(shuō)明薄帶樣品的縱向易磁化結(jié)構(gòu)得到了提高．因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)磁化的方向與樣品的易磁化方向都是縱向的情況下，疇壁移動(dòng)和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)都對(duì)磁化有很大的貢獻(xiàn)，一旦同樣沿著軸向的外磁場(chǎng)有一個(gè)微小的變化，就會(huì)對(duì)2種運(yùn)動(dòng)的磁化產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙作用，隨著外場(chǎng)的增加磁導(dǎo)率會(huì)急劇下降，致使磁阻抗比隨外磁場(chǎng)表現(xiàn)為迅速下降的變化［10］．由圖4插圖中的曲線可以看出，隨著退火溫度的升高，最大阻抗比先略微下降，然后增大，在440℃時(shí)達(dá)到最大值1 196%，即此時(shí)材料縱向易磁化結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳值．當(dāng)溫度繼續(xù)升高，阻抗比迅速下降，在485℃時(shí)已出現(xiàn)非對(duì)稱的現(xiàn)象［11］，到490℃阻抗比趨于零．與其他Fe基材料不同［12］，在納米晶形成之前樣品的阻抗比就已經(jīng)達(dá)到了最大;而當(dāng)非晶開(kāi)始晶化時(shí)，阻抗比已經(jīng)趨于零了．這可能與非晶本身結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)［13］，樣品的磁結(jié)構(gòu)在非晶態(tài)的情況下就發(fā)生了變化［14］，導(dǎo)致了阻抗比的變化．

4 結(jié)論

通過(guò)單輥快淬法制得的Fe76Si7．6B9．5P5C1．9非晶薄帶具有良好的巨磁阻抗效應(yīng)，其最大阻抗比為754%．在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下對(duì)樣品進(jìn)行溫度退火，隨溫度升高，樣品最大阻抗比呈先略微下降后增大，最后迅速下降的趨勢(shì)．440℃退火1 h樣品阻抗比達(dá)到最大，在測(cè)量頻率為0．3 MHz時(shí)，靈敏度和最大阻抗比分別為715%/(A·m－1)和1 196%，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鑄態(tài)樣品．

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