CC BY
0ISSN 1606-867Х (Print) ISSN 2687-0711 (Online)
Конденсированные среды и межфазные границы
https://journals.vsu.ru/kcmf/
Оригинальные статьи
Краткий обзор УДК 621.318:538
https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11472
Естественный ферромагнитный резонанс в микропроводе и его применения. Краткий обзор
С. А. Баранов1'2^
1Молдавский государственный университет, Институт прикладной физики, ул. Алексея Матеевича, 60, Кишинев MD-2028, Молдова
2Приднестровский госуниверситет им. Т.Г. Шевченко,
ул. 25 Октября, 128, Тирасполь 33000, Приднестровская Молдавская Республика Аннотация
Проанализированы технологические аспекты метода Тейлора-Улитовского при изготовлении микропровода различной структуры.
Теоретически и экспериментально изучен естественный ферромагнитный резонанс (ЕФМР) в литых аморфных магнитных микро- и нанопроводах со стеклянной оболочкой. Явление ЕФМР обязано большим остаточным напряжениям, которые возникают в сердечнике микропровода в процессе литья. Эти напряжения вместе с магнитострик-цией определяют магнитоупругую анизотропию. Помимо остаточных напряжений на частоту ЕФМР влияют внешние напряжения, приложенные к микропроводу или к композиту, содержащему так называемый стресс-эффект (СЭ). Зависимость частоты ЕФМР от деформации и внешних напряжений для микропроводов предлагается использовать при дистанционной диагностике в медицине.
Ключевые слова: литой аморфный микро- и нанопровод в стеклянной оболочке, магнитострикция, естественный ферромагнитный резонанс
Источник финансирования: Работа выполнена при поддержке Молдавского национального проекта и проекта Приднестровского государственного университета имени Шевченко.
Для цитирования: Баранов С. А. Естественный ферромагнитный резонанс в микропроводе и его применения. Краткий обзор. Конденсированные среды и межфазные границы. 2023;25(4): 581-586. https://doi.org/10.17308/ kcmf.2023.25/11472
For citation: Baranov S. A. Natural ferromagnetic resonance in microwire and its application. Brief review. Condensed Matter and Interphases. 2023;25(4): 581-586. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11472
И Сергей Алексеевич Баранов, e-mail: sabaranov07@mail.ru © Баранов С. А., 2023
:) ij.) Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
С. А. Баранов Естественный ферромагнитный резонанс в микропроводе и его применения
1. Введение
Цели настоящей работы - обратить внимание на возможность решения ряда технологических проблем, связанных с применением микро- и нанопроводов.
Одна из рассматриваемых проблем может быть связана с повышением механической прочности окон в промышленных зданиях и жилых домах. Другая проблема связана с электромагнитным экранированием. Обе эти проблемы связаны с защитой от террористических актов, поскольку террористы используют концентрированные электромагнитные импульсы для уничтожения компьютеров или другого электронного оборудования.
Эти задачи могут быть решены путем изготовления оконных стекол, армированных литыми аморфными микро- и нанопроводами в стеклянной оболочке (ЛАМНСО), имеющими специальный состав и структуру, что, с одной стороны, повышает их прочность на разрыв при механическом разрушении, а также придает им, с другой стороны, экранирующие свойства от электромагнитного излучения.
Предложенные идеи связаны с технологией производства литого аморфного микро- и на-нопровода в стеклянной оболочке. Технология производства литого аморфного микро- и на-нопровода в стеклянной оболочке (ЛАМНСО), изготовленного методом Тейлора-Улитовского, представлена, например, в [1-4] (см. ниже). Явление естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР) для литых микро- и нанопроводов с магнитной жилой в стеклянной оболочке (ЛАМНСО) изучено многими научными группами (основные результаты представлены в работах [3-7]).
В последнее время ЕФМР привлекает с точки зрения использования для бесконтактной диагностики деформации удаленных объектов [7]. Это возможно благодаря стресс-эффекту (СЭ) в ЕФМР. СЭ приводит к изменению частоты ЕФМР при деформации контролируемого объекта и, соответственно, механически связанной с ним магнитной жилы в ЛАМНСО. Изменение частоты ЕФМР может быть обнаружено при помощи высокочастотного приема отраженного сигнала радаром вблизи частоты ЕФМР по его отклонениям от первоначального значения [7]. Предлагаемое здесь дистанционное тестирование позволит осуществлять контроль указанных деформаций и напряжений.
В работе [7] нами предполагалось, что эти объекты могут быть объектами инфраструктуры, а
именно: мосты, плотины, дамбы, башни ветряных генераторов, высотные дома и трубы тепловых электростанций, набережные и т. д. Диагностика применима также и к перемещающимся объектам: это автомобили, самолеты, дроны, ракеты и т.д. Всем им могут грозить разрушения вследствие природных, или техногенных, а также и технологических катаклизмов (включая повторные или долговременные воздействия напряжений и деформаций). В настоящее время на данную тему, а именно, на возможность реализации предлагаемого метода контроля, нами проведены более подробные исследования. Были проанализированы СЭ конкретно к практическому применению (согласно [7]) в медицине. Исследованы изменения частоты естественного ферромагнитного резонанса (ЕФМР), которые определялись радаром по изменению поглощения электромагнитной волны на объекте с ЛАМНСО. Эти эффекты возникали от приложенных внешних механических напряжений. Экспериментально было исследовано поглощение композитных материалов в виде экранов со встроенными отрезками из ЛАМНСО. Выполнены и теоретические исследования, которые показали, что значительная доля поглощения может быть отнесена и к геометрическому резонансу [3, 4, 7-10]. Наибольший эффект ожидается также для нанопроводов, когда радиус жилы соизмерим с толщиной скин-слоя.
В научной литературе существуют параллельные исследования по использованию гигантского магнитного импеданса (ГМИ) для измерений подобных СЭ. (см., например, [8]). Однако использование эффекта ГМИ не технологично (этот вопрос уже освещался в [7]) и здесь рассматриваться не будет. Отметим, что влияние СЭ на ГМИ исследовалось и в [9].
Ценность предложенного здесь метода заключена в простоте его осуществления (см. ниже). Микропровод, если его использовать для диагностики напряжений внутри костной системы, должен быть помещен внутри исследуемого объекта. С помощью СВЧ сканирования и анализа сигнала приемного устройства (радара) можно будет определять напряжения и деформацию костного объекта. Чтобы не облучать весь организм СВЧ излучением, ЛАМНСО можно использовать в поглощающих материалах для экранирования остальной части организма.
2. Технология производства микропровода
Известно, что ЛАМНСО изготовляется модифицированным методом Тейлора-Улитовско-
го (см. [1-4]). Напомним, что для изготовления ЛАМНСО металлический сплав (в форме тонкого прутка) помещается в стеклянную трубку. Благодаря тому, что он разогревается до плавления стекла, а потом и металла в высокочастотном индукторе (см. рис. 1), часть стеклянной трубки, прилегающая к расплавленному металлу, размягчается, обволакивая металлическую каплю. Из капли вытягивают капилляр, заполняемый жидким металлом из сплава. Металл образует жилу микропровода, а стенки капилляра из силикатного стекла - ее стеклянную оболочку (которая часто служит и изоляцией). В зависимости от состава металлической капли (которая расположена в расплавленном состоянии в микрованне из силикатного стекла) и от скорости литья ЛАМНСО, структура жилы микро- и нанопровода может быть моно- или поликристаллической, аморфной и нанокристал-лической (причем, возможно совмещение этих структур в жиле).
В [3] получена формула для радиуса микропровода Rc (внешний радиус стеклянной оболочки), который оценивается по формуле:
Кс~Лц2-%ко1-к, (1)
где к - параметр, зависящий от скорости разливки (0 < к <1); Л ~ 1/р, р - средняя плотность микропровода; УА - скорость разливки; - поверхностное натяжение; п - динамическая вязкость стекла:
Л ~ Л0 ехр{АНЩТ + с[ехр(е/ЯТ)-1]},
где е ~ 2-10 кДж/моль, ДЯ ~ 102 кДж/моль, Я -универсальная газовая постоянная, л0 - начальная вязкость стекла и с (с ~ 0.4-0.9) - материальные постоянные.
Формула (1) предполагает следующее асимптотики:
1. Если значение скорости вытягивания микропровода предельно маленькая, то значение Яс велико, и мы получаем формулу:
Яс ~ л5/%1/3а2/3, (1а)
где к = 1/3.
2. Если скорость разливки достаточно высока, то для Яс получаем:
Яс~ л4/3^2'Х/3, (1Ь)
где к = 2/3.
2. В пределе чрезвычайно высокой скорости разливки, при к ^ 1, получаем:
Яс ~ ас
Эти формулы подтверждены экспериментом.
Рис. 1. Процесс литья микропровода: 1 - стеклянная трубка; 2 - капля металла; 3 - индуктор; 4 -вода; 5 - микропровод со стеклянным покрытием; 6 - вращающаяся катушка для приема
Приведем простейшее решение задачи расчета остаточных напряжений (на поверхности между силикатным стеклом и металлом) для ЛАМНСО, которое уже рассматривалось, например, в [3]. Формулы для радиальной - аг,п„ тангенциальной - а^(0) и осевой - < пряжений имеют вид [3]:
w
компонент на-
S r(0) = Sj(0) = P = sm i
kx
+ 1
x+
4'
S Z(0) = P
x =
4 "
\RmJ
(k + 1)x + 2 kx +1 :
-1,
(2)
ат = еЕ1, е = (а - а2)(Т *-Т) ~ 5 ■ 10-3, а. - коэффициенты термического расширения (КТР) металла (г = 1) и стекла (г = 2); Т* - температура застывания композита в области контакта металла и стекла (Т* -800-1000 К); Т - температура, при которой проводится эксперимент; Ят -радиус металлической жилы микропровода (йт = 2Ят); Яс - внешний радиус стеклянной оболочки микропровода фс = 2Яс):
k = Е2~(0.3 п 0.5), Е1
Е. - модули Юнга (металла (г =1) и стекла (г = 2)).
Для упрощения приведенных формул коэффициенты Пуассона для стекла и металла взяты
3
~ 1/3. Согласно (1) наибольшим напряжением является продольное напряжение:
аг(0) ~ (2*3)Р
2(0) то есть:
s > s
а максимум величины Р определится как: Р ^ 0.5а ~ 109 Па.
т
При дополнительной продольной деформации, имеющей место в случае, когда микропровод внедрен в твердую матрицу, которая сама деформируется под действием внешних воздействий, в выражение для остаточного осевого натяжения в металлической жиле добавляется член:
s =
ez 5га (kx +1)'
(2,а)
s
s„
1 - bl ^ r
V У
'i + * ^ r
V У
(2b)
где P-1'
P
1 Rm )
P « P.
где Р0 - это приложенная сила к композиту и, соответственно, к жиле микропровода; Бт = кЯ2т -площадь сечения жилы микропровода; к - отношение модуля Юнга оболочки к модулю Юнга микропровода; х - отношение площади оболочки к площади микропровода (см. (1).
Приведем также формулы для напряжений внутри области металла (они представлены в [3]):
Эти формулы подтверждаются экспериментально.
3. Предпосылки к применению высокочастотных свойств микропровода
Теория НФМР представлена в работах [3-7]. Для ферромагнитного металлического цилиндра (с малым радиусом Ят), находящегося в ЛАМНСО, глубина скин-слоя определяется:
8 ~ [ю^^А]-172 ~ ад;172, (3)
где (тт0)е - эффективная высокочастотная магнитная проницаемость, а Х2 - электропроводность микропровода, ю - частота СВЧ.
В случае ЛАМНСО относительная высокочастотная магнитная проницаемость может достигать величины ~ 103 в диапазоне частот ~ 9-10 ГГц; в этом случае глубина скин-слоя уменьшается до 1-2 мкм.
Известно (см. [3-5]), что если Ят> 8, то общее выражение для частоты ферромагнитного резонанса (ФМР или для ЕФМР) ю равно:
(ю/у)2 = (Нк + 4пМ)-Нк, (3а)
где М5 - намагничивание насыщенности и у -гиромагнитное отношение [3, 7]. Величина анизотропии оценивается, как Нк ~31а/М$, где 1 -постоянная магнитострикция, и а - эффективные механические напряжения в металлической жиле ЛАМНСО.
СО
х>
к •5
I
<и -10
>
m
■15
5
н
и
0 1 -20
?
о
2 ■2Ъ
01
S
I
ф 30
?
о
с;
■35
О
с
Нет приложенного напряжения
iyv
Есть приложенное напряжение
Ю 11 1? 13
Частота, GHz
Рис. 2. 1 - средние поглощающие способности экрана, содержащего микропровода с ЕФМР в микроволновых частотах в пределах 10-12 ГГц для микропроводов из Fe68C4B16Si10Mn2 (Rm ~ 5 мкм, x ~ 5); 2 - гипотетическая кривая поглощения в случае внешнего давления
Для частоты ФМР и ЕФМР можно получить:
w(GHz) « w 0
0.4 х
s„.
- + -
0.4 х +1 s
6 >2 = 1.5(10 l) .
(4)
0
где ю 0(GHz) •
Таки образом, изменение геометрических параметров ЛАМНСО, приложенного внешнего напряжения и, главное, за счет магнитострикции позволяет перекрывать частотный диапазон от 1 до 12 ГГц, что создает предпосылки для применения ЛАМНСО для предложенных выше целей.
4. Заключение
В статье отражены основные результаты теории и эксперимента для производства литых микропроводов со стеклянной оболочкой. Метод непрерывного литья микропроводов со стеклянным покрытием (метод Тейлора-Улитовского) имеет некоторые ограничения, определяемые физическими свойствами металла и стекла. Диапазон рабочих температур литья специфичен для данного состава металлического сплава и определенного типа стекла, т. е. для каждой пары металлический сплав — стекло.
Предложены простые аналитические выражения для остаточных напряжений в металлической сердцевине микропровода, которые наглядно показывают их зависимость от отношения радиуса микропровода к радиусу металлического ядра и от соотношения модулей Юнга стекла и металла (см. формулы (1) и (2)). Теоретическое моделирование в соответствии с теорией термоупругой релаксации показывает, что остаточные напряжения возрастают от оси микропровода до поверхности его металлического сердечника, что соответствует полученным ранее экспериментальным данным. Таким образом, при изготовлении литых микропроводов методом Тейлора-Улитовского остаточные напряжения достигают максимальных значений на поверхности металлического сердечника.
Особенностью этих литых микропроводов является наличие остаточных напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов теплового расширения металлического сплава и стеклянного покрытия. Эта особенность является основным фактором, определяющим физические свойства таких микропроводов, в частности, их магнитные свойства.
Для ЛАМНСО частота ЕФМР зависит от остаточных напряжений и приложенных внешних механических напряжений. Явление ЕФМР, ко-
торое открыто нами в ЛАМНСО [3, 7], позволяет создавать новые материалы, работающие в области СВЧ с широким диапазоном частот. Существенное свойство ЕФМР в ЛАМНСО характеризуется тем, что в ЛАМНСО существует стресс-эффект (СЭ). Этот СЭ может быть использован для бесконтактной диагностики деформаций в отдаленных объектах. Эти объекты будут периодически сканироваться радаром (с плавающей частотой), чтобы определять отклонения от начальной частоты NFMR. Таким способом, можно отследить потенциально опасные деформации и напряжения у любых исследуемых объектов.
Рассмотрено применение микропроводов в композитах для улучшения поглощающих характеристик экранирования.
Конфликт интересов
Автор заявляет, что у него нет известных финансовых конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.
Список литературы
1. Taylor G. F. A method of drawing metallic filaments and a discussion of their properties and uses. Physical Review. 1924;23(5): 655-660. https://doi. org/10.1103/physrev.23.655
2. Vazquez M. Soft magnetic wires. Physica B: Condensed Matter. 2001;299( 3-4): 302-313. https:// doi.org/10.1016/S0921-4526(01)00482-3
3. Baranov S. A., Larin V. S., Torcunov A. V. Technology, preparation and properties of the cast glass-coated magnetic microwires. Crystals. 2017;7(6): 1-12. https://doi.org/10.3390/cryst7060136
4. Peng H. X., Oin F. X., Phan M. H. Ferromagnetic microwires composites: from sensors to microwave applications. Springler: 2016. 245 p. https://10.1007/ 978-3-319-29276-2
5. Starostenko S. N., Rozanov K. N., Osipov A. V. Microwave properties of composites with glass coated amorphous magnetic microwires. Journal of Magnetism and Magnetic Materials.2006; 298 (1): 56-64. https:// doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.03.004
6. Yildiz F., Rameev B. Z., Tarapov S. I., Tagi-rov L. R.,Aktaç B. High-frequency magnetoresonance absorption in amorphous magnetic microwires. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002;247(2): 222-229. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(02)00187-7
7. Adar E., Yosher A. M., Baranov S. A. Natural ferromagnetic resonance in cast microwires and its application to the safety control of infrastructures. International Journal of Physics Research and Applica-
С. А. Баранов Естественный ферромагнитный резонанс в микропроводе и его применения
tions. 2020;3(1): 118-122. https://doi.org/10.29328/ journal.ijpra.1001028
8. Nematov M. G., Adam A. M., Panina L.V., ... Oin F. X. Magnetic anisotropy and stress-magneto-impedance (S-MI) in current-annealed Co-rich glass-coated microwires with positive magnetostriction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019;474: 296-302. https://doi.org/10.1016/j-jmmm.2018.11.042
9. Buznikov N. A., Kim C. O. Modeling of torsion stress giant magnetoimpedance in amorphous wires with negative magnetostriction. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007;315(2): 89-94. https:// doi.org/10.1016/j.jmmm.2007.03.186
Информация об авторе
Сергей Алексеевич Баранов, д. ф.-м. н., в. н. с. Молдавского государственного университета, Института прикладной физики, лаборатории электрической и электрохимической обработки материалов (Кишинев, Молдова); доцент Приднестровского госуниверситета им. Т. Г. Шевченко (Тирасполь, Приднестровская Молдавская Республика).
sabaranov07@mail.ru
Поступила в редакцию 28.09.2023; одобрена после рецензирования 10.10.2023; принята к публикации 16.10.2023; опубликована онлайн 25.12.2023.
