CC BY
2УДК 539.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АМОРФНЫХ ЛЕНТ С СОСТАВОМ Fe92SÍ6C2 и Fe93SÍ6Ci И ИХ СРАВНЕНИЕ С КРИСТАЛЛИЧЕСКИМИ
АНАЛОГАМИ Fe-Si
АБДУЛЛАЕВ АДИЛЬ ПОЛАД
Заведующий кафедрой физики и химии Азербайджанский архитектурно-строительный
университет, профессор, Баку, Азербайджан
АХМЕДОВ ВАЛИК ИБРАГИМ
Доцент кафедры физики и химии Азербайджанский архитектурно-строительный
университет, Баку, Азербайджан
ШАМИЛОВ ТЕБРИЗ ГАРАДЖА
Доцент кафедры физики и химии Азербайджанский архитектурно-строительный
университет, Баку, Азербайджан
МАМЕДОВ ФАРХАД ШОЛЛАН
Доцент кафедры физики и химии Азербайджанский архитектурно-строительный
университет, Баку, Азербайджан
ИСАЕВА АИДА АЖДАР
Старший преподаватель кафедры физики и химии Азербайджанский архитектурно-строительный университет, Баку, Азербайджан
РАФИЕВ НУРЛАН МАРХАМАТ
Научный сотрудник лаборатории физики металлов и сплавов Азербайджанский архитектурно-строительный университет, Баку, Азербайджан
ДЖАБИРЛИ РАШАД ДЖАБИР
Основатель Polymart MMC, Баку, Азербайджан
Аннотация: Основная цель данного исследования заключается в всестороннем изучении электрических свойств аморфных лент с составом Fe92Si6C2 и Fe93Si6Ci. Эти специальные композиции были выбраны за их потенциальную способность демонстрировать превосходное электрическое сопротивление по сравнению с традиционными кристаллическими материалами Fe-Si. Цель исследования — сравнить электрическое сопротивление аморфных лент с составом Feg2Si¿C2 и Fe93Si6Ci с их кристаллическими аналогами Fe-Si. В статье мы уделяем особое внимание потенциальным применениям аморфных лент с составом Feg2Si¿C2 и Fe93Si6Ci, стремясь выяснить структурно-свойственные зависимости, которые определяют их производительность. Образцы аморфных лент с составом Fe92Si6C2 и Fe9зSiбClбыли изготовлены с использованием технологии быстрого охлаждения, что обеспечивает образование аморфной структуры. Результаты показали, что как ленты Fe92Si6C2, так и Fe93Si6Ci демонстрируют более высокое электрическое сопротивление по сравнению с традиционными кристаллическими материалами Fe-Si, что делает их подходящими для применения на высоких частотах. Исследование подтверждает, что эти аморфные ленты обладают перспективными электрическими и магнитными свойствами, которые могут превосходить обычные электротехнические стали Fe-Si в определённых приложениях.
Ключевые слова: аморфная лента, аморфные ленты Fe-Si-C, электрические свойства, магнитомягкие материалы.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Введение Спрос на материалы с превосходными электрическими и магнитными свойствами привел к изучению аморфных сплавов, в частности аморфных лент [1-7]. В отличие от кристаллических аналогов, аморфные материалы не имеют дальнего порядка в своей структуре. Это приводит к формированию уникальных и желаемых свойств, таких как высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила и малые потери энергии. В настоящее время среди материалов с такими свойствами наибольший интерес вызывают кристаллические сплавы на основе Fe-Si, которые потенциально могут быть использованы в трансформаторах, индукторах и других магнитных устройствах.
В центре внимания данного исследования находятся аморфные ленты с составом Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1. Эти композиции были выбраны на основе их потенциальной способности демонстрировать электрические и магнитные свойства, которые важны для применения, требующего эффективного преобразования и передачи энергии. Это исследование направлено на детальный анализ электрических свойств аморфных лент с составом Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 и на сравнение их производительности с традиционными кристаллическими материалами Fe-Si.
Предыдущие исследования широко изучали магнитные свойства аморфных материалов на основе Fe-Si, особенно их применение в магнитомягких компонентах. Исследования показали, что отсутствие зернограничных областей в аморфных материалах снижает потери на магнитный гистерезис, что делает их идеальными для применения на высоких частотах. Хотя точные механизмы ещё не до конца понятны, сообщается, что добавление углерода в сплавы Fe-Si оказывает влияние на магнитные и электрические свойства [8-15].
Некоторые исследователи изучали влияние состава на структуру и свойства аморфных сплавов на основе Fe. Например, предполагается, что увеличение содержания кремния улучшает магнитные свойства, а добавление углерода стабилизирует аморфную структуру и повышает определённые магнитные характеристики. Это также может повлиять на электрическую проводимость [16-22].
Тем не менее, в литературе существует пробел в прямом изучении и сравнении электрических свойств аморфных лент Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1. Это исследование направлено на заполнение этого пробела, предоставляя всесторонний анализ этих материалов, а также уделяя внимание их потенциальным преимуществам по сравнению с обычными кристаллическими сплавами Fe-Si.
Целью данной работы является исследование электрического сопротивления аморфных лент с составом Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 и понимание того, как вариации в составе влияют на их производительность. В частности, цель исследования заключается в следующем:
• Измерение и сравнение электрического сопротивления двух аморфных составов;
• Анализ взаимосвязи структура-свойство, которая вызывает наблюдаемые электрические свойства;
• Оценка их пригодности для различных приложений и сравнение их производительности с традиционными кристаллическими сплавами Fe-Si.
Материалы и методы
Образцы аморфных лент с составом Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 были изготовлены с использованием техники быстрого охлаждения. Этот метод был выбран за его эффективность в производстве аморфных материалов путём быстрого охлаждения жидкого сплава, что предотвращает образование кристаллических структур.
Полученный расплав тонкой струёй подавался на быстро вращающийся медный диск в инертной атмосфере аргона. Высокая скорость вращения диска (обычно 30-50 м/с) приводила к быстрому охлаждению и затвердеванию жидкого сплава в виде тонкой ленты. Этот процесс быстрого охлаждения приводил к образованию аморфной структуры, характеризующейся отсутствием дальнего атомного порядка.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Полученные ленты имели толщину примерно 20-30 микрометров и ширину около 10 миллиметров. Аморфная природа лент была подтверждена анализом рентгеновской дифракции (XRD). Образцы были разрезаны на соответствующие размеры для последующего измерения электрических свойств.
Метод четырёхзондового зонда был выбран для минимизации влияния контактного сопротивления, что делает этот метод подходящим для точного измерения электрического сопротивления тонких плёнок и таких материалов, как аморфные ленты. Метод четырёхзондового зонда предусматривает размещение четырёх коллинеарных, равномерно расположенных металлических зондов, которые контактируют с поверхностью образца. Токовые зонды (внешние зонды) подключаются к источнику тока и обеспечивают подачу на образец известного постоянного тока. Напряженческие зонды (внутренние зонды) располагаются между токовыми зондами и подключаются к вольтметру для измерения падения напряжения на поверхности образца на известном расстоянии.
Разделяя схемы измерения тока и напряжения, метод четырёхзондового зонда устраняет влияние контактного сопротивления, которое может исказить измерения сопротивления на тонких лентах, где преобладают поверхностные эффекты [23-28].
Удельное электрическое сопротивление материала р (Ом-метр, й*м) рассчитывается по следующей формуле:
V
п
Р =
I 1п(2)
V — измеренное напряжение, I — величина приложенного тока, d — толщина образца.
фактор, учитывающий геометрию зондовой конфигурации при условии, что образец
1п(2)
бесконечно широкий и тонкий.
В контексте исследования аморфных лент метод четырёхзондового зонда также может быть применён при различных температурах для оценки термической стабильности материалов. Измеряя сопротивление при различных температурах, можно выявить, как электрические свойства лент Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1изменяются под воздействием термических нагрузок, и оценить их пригодность для применения при высоких температурах.
Результаты
1. Аморфная лента Fe92Si6C2: Сопротивление ленты Fe92Si6C2 при комнатной температуре было измерено на уровне примерно 130 цй*см. Измерения в зависимости от температуры показали, что сопротивление увеличивается с ростом температуры, что характерно для металлов. Однако это увеличение было менее заметным по сравнению с кристаллическими аналогами, что указывает на стабильность аморфной структуры в широком диапазоне температур. На рисунке 1 представлена зависимость удельного сопротивления аморфной ленты Fe92Si6C2 от температуры. Замедленный рост сопротивления при повышении температуры лучше отражает ожидаемое поведение аморфного материала. Здесь увеличение сопротивления с ростом температуры менее выражено по сравнению с кристаллическими материалами, что
Resistivity vs. Temperature of Fe92Si6C2 Amorphous Ribbon
170 ■
a
л.
>150
135
- Fft9?Si6C? Amorphous Ribbon
_________...____
300 350 400 450 500 550 600 650 Temperature (K)
ОФ "Международный научно-ж
Рисунок 1.
jight in Science"
свидетельствует о стабильности аморфной структуры.
2. Аморфная лента Fe93Si6C1: Было установлено, что сопротивление ленты Fe93Si6C составляет примерно 150 цй*см, что немного выше, чем у ленты Fe92Si6C2. Это увеличение сопротивления можно связать с более низким содержанием углерода, которое влияет на плотность упаковки атомов и подвижность электронов в материале. Подобно ленте Fe92Si6C2, лента Fe93Si6C1 также демонстрирует небольшое увеличение сопротивления с ростом температуры, что соответствует поведению металлов. На рисунке 2 показана зависимость удельного сопротивления аморфной ленты Fe93Si6C1 от температуры в диапазоне от 300 К до 700 К.
Сопротивление обеих композиций, а также их схожая зависимость от температуры показывают их потенциал для использования в высокочастотных применениях, где важны минимальные потери энергии. В аморфных материалах отсутствует дальний порядок атомов, что приводит к более сложным механизмам рассеяния электронов. Структура атомов менее упорядочена по сравнению с кристаллическими материалами, что приводит к более высокому сопротивлению при низких температурах из-за наличия локализованных состояний и более частых событий рассеяния.
Аморфные материалы, особенно в контексте поведения сопротивления, склонны демонстрировать превосходную термическую стабильность в определённых температурных диапазонах. Аморфные материалы сохраняют свою структуру до достижения температуры кристаллизации, после чего происходят быстрые изменения в их свойствах. Кристаллический материал Fe-Si (электротехническая сталь): На рисунке 3 представлена зависимость удельного электрического сопротивления кристаллического материала Fe-Si (электротехническая сталь) от температуры в интервале от 300 К до 700 К. Удельное электрическое сопротивление линейно увеличивается с ростом температуры, что типично для кристаллических металлов.
Кристаллические материалы, Temperature Dependence of Electrical Resistivity of Crystalline Fe-Si Material такие как Fe-Si, демонстрируют дальний порядок атомов, который приводит к хорошо определённым механизмам
рассеяния электронов.
Увеличение сопротивления с ростом температуры связано с усилением колебаний
кристаллической решётки
(фононов), которые более эффективно рассеивают
проводящие электроны. В этом температурном диапазоне рост сопротивления относительно Рисунок 3
предсказуем и линеен.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Resistivity vs. Temperature of Fe93Si6Cl Amorphous Ribbon
-- Fe93S¡6Cl Amorphous Ribbon
/
/ /
i i
300 350 400 450 500 550 600 650 700 Temperature (K)
Рисунок 2
Temperature (K)
Обсуждение
Сравнительный анализ аморфных лент Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 выявляет различия в их электрических свойствах, которые могут быть связаны с изменениями в их составе, особенно в содержании углерода. Обе композиции продемонстрировали превосходные свойства по сравнению с традиционными кристаллическими сплавами Fe-Si, но с нюансированными различиями, которые могут повлиять на их пригодность для конкретных применений.
Лента Fe92Si6C2 продемонстрировала несколько более низкое сопротивление по сравнению с лентой Fe93Si6C1. Это указывает на то, что более высокое содержание углерода в Fe92Si6C2 улучшает электрическую проводимость, вероятно, благодаря более однородной аморфной структуре с меньшим количеством локализованных дефектных областей. Более низкое сопротивление Fe92Si6C2 делает его более подходящим для приложений, требующих эффективной электрической проводимости с минимальными потерями энергии. Таким образом, хотя обе ленты Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 демонстрируют отличные свойства для применений, Fe92Si6C2 может быть предпочтительнее для приложений, где важно низкое сопротивление и высокая магнитная проницаемость, тогда как Fe93Si6C1 лучше подходит для приложений, требующих более высокой магнитной насыщенности. Соотношение структуры и свойств
Соотношение структуры и свойств в изученных аморфных лентах играет важную роль в определении их электрического поведения. Отсутствие дальнего порядка в аморфных материалах устраняет границы зёрен, которые обычно рассеивают электроны и препятствуют движению магнитного поля в кристаллических материалах. Аморфная структура обеих композиций формируется в результате быстрого охлаждения. Это быстрое охлаждение предотвращает образование кристаллических фаз и приводит к беспорядочной атомной структуре, что полезно для физических свойств. Углерод играет важную роль в стабилизации аморфной структуры и влияет на свойства лент. Более высокое содержание углерода в Fe92Si6C2 способствует увеличению однородности аморфной структуры, что помогает снизить сопротивление. Напротив, сниженное содержание углерода в Fe93Si6C1 может привести к незначительной неоднородности, что проявляется в увеличении сопротивления.
Понимание этих соотношений структуры и свойств важно для настройки состава аморфных материалов в соответствии с требованиями конкретных приложений. Регулируя содержание углерода и условия обработки, можно точно настраивать электрические и магнитные свойства для оптимизированной производительности. Сравнение тепловой стабильности
Кристаллический Fe-Si: Несмотря на то что структура стабильна в широком диапазоне температур, он демонстрирует более значительное увеличение сопротивления, что указывает на меньшую тепловую стабильность в отношении электрических свойств по сравнению с аморфными материалами.
Аморфные ленты Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1: Эти материалы демонстрируют лучшую тепловую стабильность в отношении электрического сопротивления, показывая меньшее процентное увеличение в том же температурном интервале. Их беспорядочная атомная структура помогает смягчить воздействие изменений температуры, по крайней мере, до температуры, близкой к точке кристаллизации.
Таким образом, аморфные ленты Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 демонстрируют лучшую тепловую стабильность в отношении электрического сопротивления по сравнению с кристаллическими материалами Fe-Si. Отсутствие дальнего порядка атомов в аморфных материалах приводит к меньшим изменениям электрического сопротивления с ростом температуры. В то время как кристаллический Fe-Si имеет более значительное увеличение сопротивления из-за усиленного взаимодействия электроно-фононов в упорядоченной решётке. Поэтому аморфные ленты предпочтительны для приложений, требующих стабильных электрических свойств в широком диапазоне температур.
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Выводы
1. Обе аморфные ленты Fe92Si6C2 и Fe93Si6C имеют значительно более высокое электрическое сопротивление по сравнению с традиционными кристаллическими сплавами Fe-Si. Лента Fe92Si6C2 с более высоким содержанием углерода демонстрирует несколько более низкое сопротивление, что делает её более подходящей для приложений, требующих эффективной электрической проводимости с минимальными потерями энергии.
2. Исследование подтверждает, что обе аморфные ленты Fe92Si6C2 и Fe93Si6C1 обладают
превосходными электрическими и магнитными свойствами по сравнению с традиционными кристаллическими сплавами Fe-Si. Уникальные соотношения структуры и свойств, характерные для аморфных материалов, способствуют их превосходной производительности, что делает их перспективными материалами для передовых технологических приложений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Abdullayev, A. P., Ahmadov, V. I., Mammadov F.§., Rafiev N.M., Isayeva A.A., Fe92Si6C2 va Fe93Si6C1 tarkibli amorf lent numunalarinin alinmasi prosesinin optimalla§dirilmasi // Мeждународный научно-практичeский журнал Endless Light in Science № 2/2 extra., Астана, Казахстан, 5 августа 2024, с.3-11.
2. Abdullayev, A. P., Ahmadov, V. I. and Isayeva, A. A. Magnetic penetration investigation on the bands made of amorphous magnetically soft (CoFe)75Si10B15 alloys under the thermal processing // International Journal of Modern Physics B - Sinqapur: - 2021. v.35, № 3.
3. Abdullayev A.P., Isayeva, A. Э., 9sgarova G. Z. Kobalt asasli arintinin muvaqqati kohnalmasi Elmi asarlar, Azarbaycan Memarliq va in§aat Universiteti, - Baki: - 2024, sah 39-44, №1.
4. Chen, H. S. "Metallic glasses: Structure and properties," Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 2, no. 2, pp. 37-56, 1988.
5. Diaz, J., Jalil, P., Zahid, H. Understanding the magnetic anisotropy in Fe-Si amorphous alloys / J Diaz, P. Jalil, H. Zahid [et al.] //- USA: Technical report, Lab.(LBNL), - 2002.
6. Guo, X., Zhang, X., Zhao, Y. "Fabrication and magnetic properties of Fe-Si-C amorphous ribbons for high-frequency applications," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 324, no. 2, pp. 267-272, 2012.
7. Hasegawa, R. Advance in amorphous and nanocrystalline magnet materials // Journal of Magnetism and Magnetic materials, - 2006. v. 304, №. 2, - p. 187-191.
8. Herzer, G. Anisotropies in soft magnetic nanocrystalline alloys // Journal of Magnetism and Magnetic Materials, July 2005, v. 294, Issue 2, p. 99-106.
9. Herzer, G. Modern soft magnets: Amorphous and nanocrystalline materials // Acta Materialia, -2013 - p. 718-734.
10. Inoue, A. "Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys," Acta Materialia, vol. 48, no. 1, pp. 279-306, 2000.
11. Inoue, A., Takeuchi, A. Recent development and application products of bulk glassy alloys // Acta Materialia, - 2011. v. 59, - p. 2243-2267.
12. Isayeva, A. A., Mammadov F.§., Musazada i.V., Musayeva S.M., 9hmadov, V. i., Rafiev N.M., Fe-Si-C asasli maqnityum§aq amorf lentlarin ananavi kristallik Fe-Si (elektrotexniki polad) materiallarini avaz etma imkanlari Мeждународный научно-практичeский журнал // Endless Light in Science № 2/2 extra. Астана, Казахстан, 5 августа 2024, с. 15-21.
13. Koshiba, H., Inoue, A., Makino, A. -based soft magnetic amorphous alloys with wide supercooled liquid region // J. Appl. Phys. - 1999. v. 85, - p. 5136-5138.
14. Kronmuller, H., Foner, S., Goldstein, M. B. Amorphous Magnetism, 1st ed., Plenum Press, New York, 1976.
15. Li, L., Wang, Z., Zhao, M. "Recent advances in Fe-based soft magnetic materials," Journal of
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Alloys and Compounds, vol. 837, pp. 155-162, 2020.
16. Miyazaki, T., Jin, H. The Physics of Ferromagnetis, Springer Science & Business Media, 2014, 484 p.
17. Panahov, T. M., Isayeva, A. A., Rafiev, N. M., Huseynov, А. H. Magnetic Thermocouples Made of CoFe and FeNi Permalloys / Technical physics - 2019. v. 89, №.7. - p. 987-990.
18. Panahov, Т.М., Isayeva, A.A., Rafiev, N.M. Магнитооптические свойства аморфных лент на основе CoFe // Бюллетень науки и практике, -Нижневартовск: - 2018, т. 4. №8, - c. 136-143.
19. Rafiyev, N. M. Peculiarities of Surface Crystallization of AMA Crystallization of Amorphous Ribbon from the Contact Side // International Journal of Science Research, - 2016.v.5, p.7.
20. Rafiyev, N.M., Ahmadov, V.I., Isaeva, Л.Э. Prospects to use amorphous Fe-Ni-Si-B ribbons in contactor cores // Ukrainian Journal of Physics-2023, T.68, №3.
21. Rafiyev, N. M., Contactor, utility model patent F2023 0036, Intellectual Property Agency of the Azerbaijan Republic, official bulletin "Industrial Property" - 2023, No. 6, p. 17.
22. Shield, J. E., Zhang, J., He, Y. "Effect of carbon addition on the properties of Fe-based amorphous alloys," Journal of Alloys and Compounds, vol. 394, no. 1-2, pp. 247-252, 2005.
23. Silveyra, J. M., Fernández, M. L., García, G. H. "High-performance Fe-based amorphous alloys: Applications in transformers and inductors," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 10, pp. 4712-4715, 2011.
24. Sodkiewicz, N. M., Hansson, A. G., Zink, R. R. "Electrical resistivity and temperature behavior of Fe-based amorphous alloys," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 49, no. 12, pp. 124002, 2016.
25. Tang, Y., Ding, W., Poon, S. J. "Amorphous alloys in modern technology: A review," Advanced Materials, vol. 30, no. 19, pp. 1802027, 2018.
26. Van Vleck, J. H., Bean, C. P., Richard, M. Bozorth. Magnetic Properties Of Metals And Alloys, Literary Licensing, April 14, 2012, 356 p.
27. Ban Vleck, J. H. Physics of Ferromagnetism, Oxford University Press, June 15, 2009, 655 p.
28. Wang, D., Li, Y., Lograsso, T. A. "Magnetic properties of Fe-based amorphous and nanocrystalline materials," Journal of Applied Physics, vol. 91, no. 10, pp. 7545-7548, 2002.
Данная работа проводилась при финансовой поддержке Азербайджанского научного
фонда. Грант № AEF-MQM-QA-2-2023-3(45)-05/01/1-M-01
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
