多場(chǎng)耦合Fe 基合金巨磁阻抗效應(yīng)調(diào)控機(jī)制*

張建強(qiáng) 秦彥軍 方崢 范曉珍 馬云 李文忠 楊慧雅 鄺富麗 翟耀 師應(yīng)龍 黨文強(qiáng)葉慧群 方允樟?

1) (浙江師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,金華 321004)

2) (天水師范學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,天水 741001)

3) (浙江師范大學(xué),浙江省固態(tài)光電器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,金華 321004)

4) (浙江旅游職業(yè)學(xué)院,杭州 311231)

Fe 基合金性能優(yōu)異,是首選的“雙綠色”節(jié)能材料,在電力電子信息領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.本文對(duì)單輥快淬制備的Fe64.8Co7.2Nb4Si4.8B19.2 非晶薄帶實(shí)施多場(chǎng)耦合熱處理(電流張應(yīng)力退火),采用阻抗儀和磁力顯微鏡觀測(cè)薄帶縱向驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗效應(yīng)及磁疇結(jié)構(gòu),結(jié)合X 射線衍射、隨機(jī)各向異性模型和數(shù)值擬合分析薄帶的磁晶各向異性和應(yīng)力各向異性,提出磁各向異性競(jìng)爭(zhēng)因子k,從磁各向異性角度研究合金帶巨磁阻抗效應(yīng)調(diào)控機(jī)制.結(jié)果表明,k≤0.147 的薄帶展現(xiàn)出“單峰”和“穹頂”狀的巨磁阻抗效應(yīng),且具有較規(guī)則的橫向磁疇結(jié)構(gòu);而 k＞0.147 的薄帶展現(xiàn)出“尖刺+穹頂”狀巨磁阻抗效應(yīng),同時(shí)在較不規(guī)則的橫向疇疇壁處觀測(cè)到新疇的形核和分裂,這為磁各向異性的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用提供了佐證.因此,本研究認(rèn)為多場(chǎng)耦合熱處理Fe64.8Co7.2Nb4 Si4.8B19.2 合金薄帶展現(xiàn)出良好的應(yīng)力敏感特性可由磁各向異性的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用解釋,它是材料巨磁阻抗效應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)控的主要原因,在調(diào)制優(yōu)化材料磁性能方面具有良好的應(yīng)用前景.

1 引言

自1960 年Duwez 等[1]發(fā)明快淬技術(shù)制備非晶態(tài)合金以來,由于其優(yōu)異的磁學(xué)性能而備受矚目[2,3].1994 年,Panina 和Mohri 等[4-8]第一次在Co 基非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗(giant magneto-impedance,GMI)效應(yīng)后,利用GMI 效應(yīng)開發(fā)高靈敏磁傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注.后來?xiàng)罱樾诺萚9]和Gong等[10]在Fe 基合金中報(bào)道了縱向驅(qū)動(dòng)巨磁阻抗(longitudinally driven giant magneto-impedance,LDGMI)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)磁阻抗變化幅值比傳統(tǒng)橫向驅(qū)動(dòng)GMI 效應(yīng)[4]高2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上.由于LDGMI 效應(yīng)具有驅(qū)動(dòng)電流不直接通過材料而避免了異質(zhì)材料間的焊接和熱效應(yīng)問題[11],有益于提高傳感器的穩(wěn)定性和可靠性.因此,在實(shí)際應(yīng)用中LDGMI 效應(yīng)可能具有更加誘人的潛在優(yōu)勢(shì).

高磁導(dǎo)率和低矯頑力是鐵磁性材料具備優(yōu)異軟磁性能的先決條件,磁各向異性 (magnetic anisotropy,MA) 可有效調(diào)制材料LDGMI 效應(yīng)或磁滯回線形狀以滿足不同的應(yīng)用要求[12].通常MA由磁晶各向異性(magneto-crystalline anisotropy,MCA)、磁彈性各向異性和感生MA(如磁場(chǎng)、應(yīng)力退火)等組成.MCA 與材料晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)稱性有關(guān),磁彈性各向異性主要來源于材料內(nèi)應(yīng)力(或退火應(yīng)力)與其磁致伸縮間的磁彈耦合效應(yīng)[13],感生MA 與材料成型或熱處理?xiàng)l件相關(guān),如外加應(yīng)力或磁場(chǎng).已有研究報(bào)道通過熱處理方法可實(shí)現(xiàn)材料磁性能的調(diào)控,如電流退火、磁場(chǎng)退火和張應(yīng)力退火等[12,14-17],較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為,張應(yīng)力退火在感生MA 方面更為高效和顯著,且較磁場(chǎng)感生MA 大2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)[13,18].目前,在Co 基合金中報(bào)道了最大的應(yīng)力感生MA (18.9 kJ/m3)[19].LDGMI效應(yīng)或磁滯回線是磁化過程材料MA 的宏觀體現(xiàn)[20-24],Fe 基合金GMI 效應(yīng)的優(yōu)化強(qiáng)烈地依賴于熱處理工藝,然而關(guān)于熱處理工藝對(duì)GMI 效應(yīng)調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不夠深入.因此,本文采用多場(chǎng)耦合 (multi-field coupling,MFC) 熱處理工藝實(shí)現(xiàn)了Fe64.8Co7.2Nb4Si4.8B19.2(Fe 基) 合金薄帶LDGMI效應(yīng)和磁疇結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控.此外,結(jié)合X 射線衍射(X-ray diffraction,XRD)、隨機(jī)各向異性模型(random anisotropy model,RAM)、雙峰高斯數(shù)值擬 合 (double-peaks Gaussian fitting,DPGF)和LDGMI 效應(yīng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)了合金帶MA 的量化分析.討論了MA 對(duì)材料GMI 效應(yīng)的調(diào)制作用,提出MA 競(jìng)爭(zhēng)抑制作用是MFC 熱處理工藝實(shí)現(xiàn)材料GMI 效應(yīng)調(diào)制的原因,對(duì)理解MA 的競(jìng)爭(zhēng)作用機(jī)制和調(diào)控優(yōu)化材料磁性能具有指導(dǎo)意義.

2 實(shí)驗(yàn)與方法

單輥快淬制備寬1.2 mm、厚30 μm 的Fe64.8Co7.2Nb4Si4.8B19.2非晶合金薄帶,截取長(zhǎng)度200 mm的合金帶,大氣氛圍實(shí)施MFC 熱處理,即電流熱效應(yīng)加熱薄帶同時(shí)沿帶軸向施加張應(yīng)力,又稱電流張應(yīng)力退火,其中電流密度為40 mA/mm2,加熱時(shí)間15 min,張應(yīng)力分別為0,94,180,260,339,421,503 MPa,制備不同熱處理工藝參數(shù)的合金薄帶.采用Y-2000 型X 射線衍射儀分析退火薄帶樣品的相組成、晶粒尺寸和晶化體積分?jǐn)?shù),其中衍射源為Cu Kα,波長(zhǎng)為1.4506 ? (1 ?=10—10m).

由直徑?=0.1 mm 的銅漆包線繞制內(nèi)徑1.5 mm、長(zhǎng)10 mm 的驅(qū)動(dòng)線圈,將長(zhǎng)度15 mm 的Fe 基合金薄帶插入線圈組成等效阻抗元件,置于直徑?=200 mm 的Helmholtz 線圈所提供的直流勻場(chǎng)區(qū),保證與地磁場(chǎng)垂直的同時(shí)使樣品軸向與直流磁場(chǎng)平行.在幅值10 mA 的正弦激勵(lì)信號(hào)和外加直流磁場(chǎng)作用下,采用4294A 型阻抗儀測(cè)量MFC 熱處理薄帶樣品的LDGMI 效應(yīng).

磁疇結(jié)構(gòu)表征樣品的制備.首先,將0,94,339 MPa 退火薄帶樣品自由面經(jīng)粗細(xì)不同金相砂紙打磨,拋去一定厚度表面層.然后,采用金屬拋光膏進(jìn)行精細(xì)拋光處理,再將拋光樣品浸入濃度為36%—38%的濃鹽酸溶液中腐蝕15 min,消除打磨拋光引入的殘存內(nèi)應(yīng)力.最后,經(jīng)超聲波空化去除樣品表面殘留雜質(zhì).在室溫和大氣環(huán)境下,將鍍有Fe/Ni 的磁性探針沿豎直方向均勻磁化后裝配于P47H 型原子力顯微鏡,采用動(dòng)態(tài)的相位檢測(cè)模式進(jìn)行表面磁疇結(jié)構(gòu)表征.

文中LDGMI 效應(yīng)磁阻抗比定義為[9]

式中,Zx和Zmax分別為任意和最大外加直流磁場(chǎng)下的阻抗值.典型退火樣品 (“單峰”狀和“穹頂”狀LDGMI 效應(yīng)) MA 的等效場(chǎng)用求半高寬的方法測(cè)量,測(cè)量關(guān)系式為

其中,H+和H-分別為L(zhǎng)DGMI 曲線最大值一半處所對(duì)應(yīng)的正向和反向直流磁場(chǎng).

晶粒尺寸D用Debye-Scherrer 公式計(jì)算:

其中,K=0.89 為Scherrer 常數(shù),λ=1.4506 ?為X 射線波長(zhǎng),βT為XRD 譜衍射峰半高寬度,θ為衍射角(衍射峰位2θ角的一半).使用Origin 軟件對(duì)XRD 譜實(shí)施峰分析及擬合處理,析出相晶化體積分?jǐn)?shù)x用下式計(jì)算:

式中,Scr表示晶化峰的積分面積,St為總積分面積.

3 結(jié)果與討論

3.1 LDGMI 效應(yīng)

圖1(a)為MFC 熱處理Fe 基合金薄帶在驅(qū)動(dòng)頻率為550 kHz 下的LDGMI 效應(yīng).圖1(b)為在0 MPa退火樣品中觀察到“單峰”狀的LDGMI 效應(yīng),可知磁阻抗比值隨外加磁場(chǎng)的增大先快速減小后趨于飽和.大應(yīng)力退火樣品(339,421,503 MPa)中觀察到寬化的、“穹頂”狀的LDGMI 效應(yīng),磁阻抗比值隨磁場(chǎng)的增大先緩慢減小后趨于飽和,如圖1(d)所示.然而,在張應(yīng)力為94,180,260 MPa樣品中觀察到具有奇特形狀的LDGMI 效應(yīng),如圖1(c)所示,LDGMI 曲線由呈尖峰狀的“尖刺”與呈穹頂狀的“基底”兩部分組成,磁阻抗比值在隨外加磁場(chǎng)增大而減小的變化過程中發(fā)生了兩次較明顯的突變 (外加磁場(chǎng)分別用H1和H2表示),且經(jīng)歷了三個(gè)階段.第一階段 (H＜H1) 磁阻抗比值從零場(chǎng)開始快速減小,這與0 MPa 退火樣品的LDGMI效應(yīng)具有相似的變化特征;第二階段和第三階段(H1＜H＜H2,H＞H2) 其值先緩慢減小后趨于飽和,這與大應(yīng)力退火樣品具有相似的變化特征,且這種相似性隨退火張應(yīng)力的增大而增加.可見,MFC 熱處理制備的Fe 基合金薄帶具有良好的應(yīng)力敏感特性,熱處理過程可通過調(diào)控張應(yīng)力實(shí)現(xiàn)合金帶LDGMI 效應(yīng)的有效調(diào)制.

圖1 Fe 基合金LDGMI 效應(yīng) (a) 0-503 MPa 退火;(b) “單峰”狀;(c) “尖刺+穹頂”狀;(d) “穹頂”狀Fig.1.LDGMI effect of Fe-based alloy: (a) Annealed with different tensile stress (0-503 MPa);(b) single peak shape;(c) spike and dome shape;(d) dome shape.

圖2 為Fe 基合金薄帶最大磁阻抗比和磁場(chǎng)靈敏度(0—69.76 A/m)與退火張應(yīng)力σ關(guān)系圖,可見兩者隨退火張應(yīng)力以先增大后減小的規(guī)律變化.當(dāng)退火張應(yīng)力為94 MPa 時(shí)兩者同時(shí)出現(xiàn)極大值,最大磁阻抗比的變化幅值較靈敏度更大,且當(dāng)張應(yīng)力為94 MPa 時(shí)樣品展現(xiàn)出最佳的LDGMI 效應(yīng).以上表明,對(duì)Fe 基合金薄帶實(shí)施MFC 熱處理工藝可實(shí)現(xiàn)其LDGMI 效應(yīng)的有效調(diào)控.

圖2 Fe 基合金最大磁阻抗比及磁靈敏度與退火應(yīng)力關(guān)系Fig.2.Maximum magneto-impedance ratio and magnetic sensitivity of Fe-based alloys ribbons as a function of annealing tensile stress.

3.2 磁晶各向異性和應(yīng)力各向異性

通常與材料磁化過程密切相關(guān)的MA 是決定材料軟磁性能的主要因素.本文將磁彈性各向異性和應(yīng)力感生的MA 統(tǒng)稱為應(yīng)力各向異性(stress anisotropy,SA),在不考慮形狀各向異性和電流自感應(yīng)場(chǎng)感生MA 的情況下,MA 由均勻一致分布的SA 和隨機(jī)分布的MCA 組成.研究表明,Fe 基合金納米晶化退火形成隨機(jī)取向的納米晶鑲嵌于非晶基底的雙相結(jié)構(gòu),納米晶間通過鐵磁交換耦合使MCA 被極大平均化,這種平均化作用機(jī)制由Herzer 的RAM 描述[13].當(dāng)納米晶尺寸D小于鐵磁相干長(zhǎng)度L0時(shí)(D＜L0),磁相干長(zhǎng)度范圍內(nèi)的納米晶通過磁交換耦合作用迫使磁矩平行排列,從而導(dǎo)致MCA 最小化,表示為

其中,K1為MCA 常數(shù),x為納米晶晶化體積分?jǐn)?shù),L0=為最小的鐵磁交換長(zhǎng)度,A為交換耦合強(qiáng)度,β=0.4 為反映晶體立方對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)常數(shù)[13].

圖3 為Origin 軟件多峰擬合后Fe 基合金薄帶的XRD 圖譜,在(110),(200)和(211)晶面出現(xiàn)衍射增強(qiáng)的晶化峰,表明有結(jié)晶相α-Fe (Si,Co)析出.比較不同張應(yīng)力退火合金帶XRD 譜的衍射強(qiáng)度、衍射峰半高寬及衍射峰位角,發(fā)現(xiàn)并無明顯差異,表明本研究所選XRD 并未觀察到張應(yīng)力對(duì)析出相晶體學(xué)織構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)的影響,這可能與XRD 的測(cè)量精度有關(guān).利用Origin 軟件對(duì)0 MPa樣品的XRD 譜實(shí)施峰分析和擬合處理,由(110),(200)和(211)晶面衍射峰擬合參數(shù)(衍射角、半高寬和積分面積),結(jié)合(3)式和(4)式計(jì)算析出相晶粒尺寸D和晶化體積分?jǐn)?shù)x,如表1 所列[25,26].將析出相結(jié)構(gòu)參數(shù)D和x代入(5)式,并結(jié)合Hk=2〈K1〉/Js(飽和磁極化強(qiáng)度Js=1.24 T)[25]關(guān)系計(jì)算MCA 的等效場(chǎng)為13.48 A/m.然而,此理論估算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值 (92.50 A/m) 有較大偏差,表明未加張應(yīng)力MFC 熱處理制備的Fe 基合金帶形成納米雙相結(jié)構(gòu)的同時(shí)導(dǎo)致材料內(nèi)應(yīng)力的弛豫和重新分布,進(jìn)而產(chǎn)生了單軸的SA.本文僅考慮SA 和MCA 的情況下,將MA 的等效場(chǎng)表示為

圖3 MFC 熱處理Fe 基合金帶的XRD 譜Fig.3.XRD pattern of Fe-based alloy heated with MFC method.

其中,Hσ和Hk分別為SA 場(chǎng)和MCA 場(chǎng).如表1,由(6)式計(jì)算0 MPa 退火Fe 基合金薄帶的SA 場(chǎng),并求得MCA 場(chǎng)和SA 場(chǎng)的比值約為0.147,定義該值為MA 競(jìng)爭(zhēng)因子,用k=Hk/Hσ表示.表明合金薄帶的磁化曲線主要受SA 場(chǎng)的控制,可能是熱處理過程合金薄帶內(nèi)外層具有不同冷卻速率而導(dǎo)致殘余內(nèi)應(yīng)力的重新分布所致.然而,對(duì)于94,180,260 MPa 熱處理薄帶樣品,采用常規(guī)半高寬的方法難以在實(shí)驗(yàn)上獲知有效MA 場(chǎng)的大小.因此,采用DPGF 法分析“尖刺+穹頂”狀LDGMI效應(yīng),將其等效分解為“尖刺”狀LDGMI 曲線和“穹頂”狀LDGMI 曲線,如圖4 (c),(d)所示.同時(shí),假設(shè)“尖刺”狀LDGMI 效應(yīng)代表MCA 場(chǎng)對(duì)磁化曲線的貢獻(xiàn),“穹頂”狀LDGMI 效應(yīng)代表SA 場(chǎng)對(duì)磁化曲線的貢獻(xiàn).

圖4 “尖刺+穹頂”狀LDGMI 曲線高斯擬合 (a) 180 MPa 退火合金帶LDGMI 效應(yīng)擬合;(b)總擬合曲線;(c)“尖刺”狀;(d)“穹頂”狀Fig.4.Gaussian fitting of “spike and dome” like LDGMI effect curve: (a) Fitting curve of LDGMI effect for Fe-based alloy ribbon annealed with tensile stress of 180 MPa;(b) the whole fitting curve;(c) spike shape;(d) dome shape.

表1 未加張應(yīng)力退火Fe 基合金帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁學(xué)量參數(shù)Table 1. Structural and magnetic parameters of Fe-based alloy annealed without tensile stress.

基于以上假設(shè),對(duì)94,180,260 MPa 樣品LDGMI 效應(yīng)實(shí)施DPGF 并采用常規(guī)求半高寬的方法估算MCA 場(chǎng)和SA 場(chǎng),結(jié)果如表2 所列.其中,W1和W2表示擬合曲線半高寬,R為擬合度,可見SA場(chǎng)和MCA 場(chǎng)均隨退火張應(yīng)力增大,且SA 場(chǎng)的增大趨勢(shì)更為顯著.對(duì)于SA 場(chǎng),可由其物理作用機(jī)制理解它與張應(yīng)力間的變化關(guān)系.然而,對(duì)于MCA場(chǎng),納米晶粒間的交換耦合作用受晶間非晶層厚度及其磁學(xué)性質(zhì)的影響.MFC 熱處理過程張應(yīng)力導(dǎo)致非晶基底發(fā)生滯彈性形變,使納米晶間非晶相原子間平均距離在平行應(yīng)力方向增大,而在垂直應(yīng)力方向減小,同時(shí)由于納米晶相的析出導(dǎo)致非晶相中Fe 原子濃度的降低,這種原子間平均距離和Fe 原子濃度的改變最終導(dǎo)致了納米晶間磁交換耦合強(qiáng)度的變化.通常情況,磁交換耦合強(qiáng)度A與原子間平均距離成反比例關(guān)系[27]:

表2 MFC 熱處理Fe 基合金帶LDGMI 效應(yīng)曲線擬合DPGF 參數(shù)和磁學(xué)參數(shù)Table 2.DPGF parameters of LDGMI effect curves and magnetic parameters of Fe-based alloy heated by MFC method.

其中,J為交換積分,S為原子自旋值,a為原子間平均距離.所以由(7)式知,磁交換耦合強(qiáng)度的改變導(dǎo)致MCA 的平均化作用機(jī)制被削弱,這可能是MCA 場(chǎng)隨張應(yīng)力的變化稍有增大的原因.

將0,94,180,260 MPa 退火樣品的SA 場(chǎng)和MCA 場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系做線性擬合分析,結(jié)果如圖5所示.由擬合函數(shù)表達(dá)式知張應(yīng)力為339,421,503 MPa 時(shí)樣品的SA 場(chǎng)和MCA 場(chǎng),如圖5 中延長(zhǎng)虛線上的空心點(diǎn)所示.結(jié)合(6)式計(jì)算MA 的等效場(chǎng)分別為752.80,908.49,1066.11 A/m,它們與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值能夠較好地符合(實(shí)驗(yàn)值與擬合估算值的偏差率小于5%),表明DPGF 在量化分析MA方面是一種較為可行的研究方法.文中定義MCA場(chǎng)與SA 場(chǎng)的比值為MA 競(jìng)爭(zhēng)因子k.由表1 和表2知,當(dāng)k≤0.147 時(shí),Fe 基合金帶具有“單峰”和“穹頂”狀的LDGMI 效應(yīng),然而當(dāng)k＞0.147 時(shí),合金帶表現(xiàn)出“尖刺+穹頂”狀的LDGMI 效應(yīng).由MA 競(jìng)爭(zhēng)因子的定義,認(rèn)為Fe 基合金的LDGMI 效應(yīng)具有優(yōu)異的應(yīng)力敏感特性是MCA 場(chǎng)和SA 場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.

圖5 應(yīng)力各向異性場(chǎng)和磁晶各向異性場(chǎng)與應(yīng)力關(guān)系Fig.5.Stress anisotropy field and the magneto-crystalline anisotropy field of Fe-based alloy ribbons as a function of annealing tensile stress.

3.3 MA 的競(jìng)爭(zhēng)作用

Fe 基合金的LDGMI 效應(yīng)與其磁疇結(jié)構(gòu)密切相關(guān),為證明MFC 熱處理合金薄帶中存在MA 的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用,本文對(duì)0,94,339 MPa 退火Fe 基合金薄帶表面磁疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,結(jié)果如圖6 所示.由磁力顯微鏡工作原理知,相位圖中明、暗區(qū)代表了易磁化方向相反的兩種磁疇結(jié)構(gòu)[28,29].圖6(a)為0 MPa 樣品表面相位圖,可見具有較規(guī)則的趨于帶橫向的磁疇結(jié)構(gòu),且觀察到有磁疇的分叉和分支現(xiàn)象存在(圖中圓圈標(biāo)注區(qū)),這可能是MFC 熱處理引起內(nèi)應(yīng)力重新分布進(jìn)而誘導(dǎo)感生了MA,它和納米晶結(jié)構(gòu)的MCA 相互競(jìng)爭(zhēng)最終導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分叉或分支.圖6(b)為94 MPa 樣品表面相位圖,可見在磁疇邊緣(疇壁處)觀察到新疇的形核和分裂(圖中圓圈所示).同時(shí),仍然觀察到趨于帶橫向的磁疇結(jié)構(gòu),表明隨機(jī)分布的MCA 較0 MPa 樣品作用更強(qiáng),出現(xiàn)新疇的形核和分裂是MCA 場(chǎng)和SA 場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.然而,339 MPa樣品中觀察到磁化方向趨于帶橫向的規(guī)則磁疇結(jié)構(gòu),且有少許磁疇的分叉或分支現(xiàn)象存在(見圖6(c)圓圈),但未觀察到新疇的形核和分裂.由SA 的作用機(jī)制可知,熱處理過程大的張應(yīng)力誘導(dǎo)感生了大的MA,它在與MCA 的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位,由此幾乎控制了材料的磁化過程,這可能是大應(yīng)力樣品中未觀察到新疇形核和分裂現(xiàn)象的主要原因.因此,以上結(jié)果進(jìn)一步表明MFC 熱處理的Fe 基合金薄帶中存在有MCA 和SA 的競(jìng)爭(zhēng)作用.

圖6 不同退火應(yīng)力下,MFC 熱處理Fe 基合金磁疇結(jié)構(gòu)圖 (a) 0 MPa;(b) 94 MPa;(c) 339 MPaFig.6.Domain structure patterns of Fe-based alloy ribbons heated by MFC under different tensile stress: (a) 0 MPa;(b) 94 MPa;(c) 339 MPa.

綜上所述,MFC 熱處理制備的Fe 基合金薄帶,無論是外在的宏觀LDGMI 效應(yīng)還是內(nèi)在的介觀磁疇結(jié)構(gòu),都無一例外為MA 的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象提供了證據(jù).本文忽略形狀各向異性和場(chǎng)感生MA 的情況下,將MA 量化分解為MCA 和SA,認(rèn)為宏觀上體現(xiàn)材料磁學(xué)性能的LDGMI 效應(yīng)和與之密切相關(guān)的磁疇結(jié)構(gòu)是由兩者的競(jìng)爭(zhēng)作用所致,其物理模型如圖7 所示.SA(等效場(chǎng)為Hσ)在大于鐵磁交換長(zhǎng)度的范圍內(nèi)形成單軸各向異性,如圖7 豎直放置的雙箭頭所示,在鐵磁交換耦合長(zhǎng)度范圍內(nèi)(大圓圈),易磁化隨機(jī)分布的納米晶(內(nèi)嵌雙箭頭的小圓圈)通過晶粒間的交換耦合作用迫使各自晶粒的易磁化方向平行排列進(jìn)而導(dǎo)致MCA(等效場(chǎng)為Hk)的平均化.SA 和MCA 此消彼長(zhǎng),相互競(jìng)爭(zhēng),MA 競(jìng)爭(zhēng)因子k隨張應(yīng)力的增大以先增大后減小的規(guī)律演變.當(dāng)MA 競(jìng)爭(zhēng)因子k≤0.147 時(shí),SA 能成為系統(tǒng)總自由能的主要項(xiàng),Fe 基合金薄帶展現(xiàn)出“單峰”和“穹頂”狀的LDGMI 效應(yīng),體現(xiàn)了SA為主導(dǎo)的磁化過程,此外,規(guī)則且趨于橫向的磁疇結(jié)構(gòu)是SA 場(chǎng)和MCA 場(chǎng)之間相互競(jìng)爭(zhēng)且SA 場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)作用的必然結(jié)果;當(dāng)k＞0.147 時(shí),Fe 基合金薄帶具有“尖刺+穹頂”狀的LDGMI 效應(yīng),是MCA 和SA 相互競(jìng)爭(zhēng)且MCA 作用增強(qiáng)后對(duì)磁化過程的體現(xiàn),同樣在橫向疇疇壁處觀察到新疇的形核和分裂,這也是SA 場(chǎng)和MCA 場(chǎng)之間相互競(jìng)爭(zhēng)的必然結(jié)果.因此,MFC 熱處理Fe 基合金薄帶通過調(diào)控MA 競(jìng)爭(zhēng)因子來達(dá)到調(diào)控優(yōu)化GMI 效應(yīng)的目的,這種競(jìng)爭(zhēng)作用為解答Fe 基合金薄帶具備良好的應(yīng)力敏感特性提供了參考.

圖7 Fe 基合金磁各向異性競(jìng)爭(zhēng)抑制作用模型示意圖Fig.7.Schematic diagram of the competing inhibition model of magnetic anisotropy in Fe-based alloys.

4 結(jié)論

基于MFC 熱處理工藝,觀察Fe 基合金薄帶LDGMI 效應(yīng)及磁疇結(jié)構(gòu),結(jié)合RAM 和DPGF 分析合金帶的MCA 和SA,從MA 角度討論合金薄帶GMI 效應(yīng)調(diào)控作用機(jī)制.

1) Fe 基合金薄帶展現(xiàn)出良好的應(yīng)力敏感特性,隨退火張應(yīng)力的增大,LDGMI 效應(yīng)先由“單峰”狀轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹獯?穹頂”狀,再轉(zhuǎn)變?yōu)椤榜讽敗睜?

2)提出MA 競(jìng)爭(zhēng)因子的概念,當(dāng)k≤0.147 時(shí),觀察到規(guī)則且趨于帶橫向的磁疇結(jié)構(gòu),當(dāng)k＞0.147時(shí),在橫向疇疇壁處觀察到新疇的形核和分裂.

3) LDGMI 效應(yīng)和磁疇結(jié)構(gòu)特征表明MFC 熱處理Fe 基合金薄帶中強(qiáng)烈地存在MA 的競(jìng)爭(zhēng)抑制作用,這種競(jìng)爭(zhēng)抑制作用是MFC 熱處理工藝實(shí)現(xiàn)材料LDGMI 效應(yīng)有效調(diào)制的主要原因.

本研究認(rèn)為MFC 熱處理可通過調(diào)制MA 競(jìng)爭(zhēng)因子來實(shí)現(xiàn)Fe 基合金GMI 效應(yīng)的有效調(diào)控,這在調(diào)制優(yōu)化材料磁性能方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.