CC BY
11
И. В. Сычев,
кандидат физико-математических наук, доцент
В. П. Удалов,
кандидат физико-математических наук, доцент
О. Д. Козенков,
кандидат физико-математических наук, доцент
ПОТЕРИ НА МИКРО- И МАКРОВИХРЕВЫЕ ТОКИ В ФОЛЬГАХ АМОРФНОГО СПЛАВА Fe40Co50Zr9Cu1
MICRO- AND MACRO-EDDY CURRENTS LOSSES IN FOILS AMORPHOUS ALLOY Fe40Co50Zr9Cu1
Исследовано магнитоупругое затухание на частотах 102—103 Гц в аморфном сплаве Fe40Co50Zr9Cu1, полученном ионно-плазменным напылением. Установлено, что при малой толщине образцов (~5 мкм) максимум потерь обусловлен микровихревыми токами, возникающими при обратимом смещении 180-градусных доменных границ.
Magnetoelastic damping at frequencies of102—103 Hz in an amorphous Fe40Co5oZrCui alloy obtained by ion-plasma sputtering has been studied. It was found that at a small thickness of the samples (~ 5 ¡¡m), the maximum loss is due to micro-eddy currents arising from a reversible displacement of 180-degree domain boundaries.
Введение. Современные достижения в области новых материалов и технологий открывают новые возможности для повышения характеристик радиотехнических систем безопасности и связи. Одним из перспективных направлений является использование в системах безопасности высокочувствительных сенсоров поля, датчиков напряжений и перемещений на основе ферромагнитных аморфных металлических сплавов (АМС). Кроме того, данные сплавы могут быть эффективно использованы при разработке таких радиотехнических устройств, как ультразвуковые линии задержки, управляемые магнитным полем, магнитострикционные преобразователи, высокостабильные тонкопленочные резисторы, высокоэффективные радиопоглощающие и экранирующие материалы, работающие в мегагерцовом диапазоне частот и в качестве метаматериалов. В этой связи изучение магнитоупругих характеристик аморфных ферромагнитных сплавов в плане их практического применения в радиотехнических устройствах вызывает
несомненный интерес. Весьма информативным в исследовании ферромагнитных аморфных металлических сплавов является метод внутреннего трения (ВТ).
Основная часть. Известно, что в магнитострикционных АМС, полученных закалкой из жидкого состояния, основной вклад в магнитные потери на частотах до 105 Гц связан с магнитомеханическим гистерезисом — необратимым движением 90° доменных границ [1]. В отличие от аморфных лент, закаленных этим способом и имеющих преимущественно лабиринтную доменную структуру (ДС), фольга сплава Fe4oCo5oZr9Cul, полученная ионно-плазменным напылением (ИНН), имеет полосовую доменную структуру со 180° доменными границами. Нрирода магнитоупругого затухания в таких фольгах АМС на частотах 102—103 Гц изучена недостаточно. В настоящей работе методом изгибных колебаний консольно закрепленного образца исследовано влияние амплитуды деформации 8 и внешнего магнитного поля Н на ВТ в аморфном сплаве Fe4oC05oZr9Cul в диапазоне 0,2—1 кГц. Доменную структуру изучали методом Акулова — Биттера. Фольги толщиной 5—30 мкм получены методом ИНН. Структуру контролировали на рентгеновском дифрактометре ДР0Н-2.0. Для исследований вырезали образцы длиной 4—10 мм, шириной ~ 1 мм. Относительная погрешность измерения ВТ составляла не более 3%, амплитуды деформации — не более 15%, абсолютная погрешность определения напряженности магнитного поля Н не превышала 8 А/м. На рис. 1 представлена зависимость ВТ от величины внешнего магнитного поля для трех различных толщин фольги. Магнитное поле прикладывали вдоль длины образца перпендикулярно границам полосовых доменов. Нри толщине h = 5 мкм наблюдается пик Q-1 в поле Н = 320 А/м (кривые 1 и 2 на рис. 1, а). С увеличением толщины образцов этот пик уменьшается по величине и появляется второй при Н = 3,6 кА/м (рис. 1, б). Нри толщине 30 мкм на кривой Q-1 (Н) остается лишь один пик вблизи Н = 3,6 кА/м (рис. 1, в). Наблюдаемые пики ВТ обусловлены магнитоупругим затуханием. Известно, что внутреннее трение в ферромагнитных материалах (за вычетом фона немагнитной природы) складывается из потерь на магнитомеханический гистерезис, макровихревые и микровихревые токи [1]. С необратимым движением доменных границ при воздействии механических напряжений связано магнитомеханическое гистерезисное затухание. ВТ при этом не зависит от частоты механических колебаний (до ~ 100 кГц [1]), но сильно зависит от их амплитуды. Нотери на макровихревые токи возникают в поле приложенных напряжений при изменении величины намагниченности всего образца в целом. Максимум макровихревого затухания наблюдается при намагничивании образца до уровня, составляющего приблизительно половину от величины намагниченности насыщения [2]. В размагниченном состоянии приложенное напряжение не может вызывать изменения суммарной намагниченности, однако необходимо учитывать демпфирование на внутридоменном уровне (потери на микровихревые токи). Микровихревые токи индуцируются при этом в результате локальных изменений магнитной индукции при обратимом смещении границ или вращении векторов намагниченности отдельных доменов. Основной вклад в потери на магнитомеханический гистерезис вносит необратимое смещение 90° доменных границ. Так, например, в никеле магнитомеханическое затухание, обусловленное движением 180° границ доменов, составляет лишь 5—10% от величины ВТ, связанного со смещением 90° доменных стенок [3]. Наш исследуемый сплав имеет полосовую доменную структуру со 180° границами. Это обстоятельство позволяет предположить, что магнитомеханический гистерезис вносит небольшой вклад в магнитное ВТ данного сплава. Действительно, доказательством является отсутствие явной (с учетом погрешности измерений) амплитудной зависимости ВТ в фоль-гах толщиной 17 мкм и 30 мкм, показанное на рис. 2. В образце с h = 5 мкм наблюдается
140
максимум Q"1 (8) (кривые 1 и 1' на рис. 2), однако величина амплитудозависимого магнитного затухания (разность кривых 1 и 1') составляет не более 7% от полного ВТ.
АМС Fe4oCo5oZr9Cui толщиной 5 мкм (а), 17 мкм (б) и 30 мкм (в) при амплитудах механических колебаний: а) 1 — s = 0,910-5; 2 — s = 3,410-5; б) 1 — s = 5,5 10-5;
2 — s = 23 10-5; в) 1 — s = 5,510-5; 2 — s = 15,410-5
Таким образом, увеличение ВТ при H=320 А/м может быть обусловлено либо магнитомеханическим гистерезисом, либо микровихревыми токами (потери на макро-вихревые токи возникают в больших полях).
Наблюдение ДС показало, что в малых магнитных полях (напряженностью до 480 А/м) происходит обратимое смещение 180° доменных границ у края исследуемой фольги при наложении внешнего магнитного поля, направленного вдоль длины образца. Кроме того, зависимость положения пика от частоты и его уменьшение с ростом амплитуды деформации (кривая 2 на рис. 1 а) указывают на то, что данный максимум затухания (вблизи Н = 320 А/м) обусловлен именно микровихревыми токами, а не магнитомеханическим гистерезисом. Между тем известно [1], что из-за малого вклада в общее магнитоупругое затухание потерь, связанных с микровихревыми токами, в чистом видев АМС не наблюдали. Появление максимума потерь за счет микровихревых токов, на наш взгляд, связано со следующим обстоятельством. Особенностью AMC Fe4oC05oZr9Cui, является большая ширина полосовых доменов, порядка 50 - 60 мкм при h=5 мкм (с увеличением толщины фольги ширина доменов уменьшается и составляет 30—40 мкм для h = 30 мкм), что примерно в 10 раз больше, чем в других исследованных нами сплавах, полученных напылением. Из-за того, что число доменных стенок на единицу объема в образце мало, а вследствие этого скорость смещения одной стенки
при намагничивании велика, величина потерь, приходящаяся на микровихревые токи, возрастает [4]. При увеличении толщины образца относительный вклад микровихревых токов уменьшается.
Ю 20 30 8-10
Рис. 2. Зависимость ВТ от амплитуды деформации 8 для фольги сплава Ее4оСо5о2г9Сщ толщиной: 1 — И=5 мкм (измерения в магнитном поле Н=0); 1' — И=5 мкм (измерения в магнитном поле Н=2,4 кА/м); 2 — И=17 мкм; 3 — И = 30 мкм
Пик внутреннего трения, обусловленный микровихревой релаксацией, появляется вблизи частоты fm ~ Db /d2 [2], где d — средний размер домена, Db= 109р / (4n^r.), р — электросопротивление, Цг обратимая магнитная проницаемость, Частота пика макро-вихревых потерь fm, зависит от толщины образца h и не зависит от размера домена fm ~ Db/h2 [2]. Отсюда следует, что при d>>h пик микровихревой релаксации может наблюдаться на меньшей частоте, чем максимальное затухание от макровихревых токов. Пик макровихревых потерь наблюдается на частоте fм ~ 300 кГц для образца с h = 5 мкм и d = 50 мкм, тогда частота пика ВТ, обусловленного микровихревыми токами, будет в d2/h2 = 100 раз ниже, т.е. fm ~ 3 кГц. В связи с этим микровихревые потери в частотном диапазоне 0,1—1 кГц достаточно велики для того, чтобы максимум ВТ при Н = 320 А/м стал заметным на уровне вклада остальных процессов в общие потери. Его величина
снижается с ростом толщины образца (рис. 1б), а при h=30 мкм пик полностью исчезает (рис. 1в). При намагничивании «толстых» (~30 мкм) образцов до уровня, составляющего приблизительно половину от величины намагниченности насыщения, возникает максимум макровихревого затухания вблизи Н = 3,6 кА/м. Его релаксационное происхождение подтверждает частотная зависимость внутреннего трения. В работе [5] показано, что данный пик ВТ обусловлен макровихревой релаксацией, возникающей в результате обратимого вращения векторов намагниченности 180° антипараллельных доменов при продольных колебаниях образца.
Известно, что в настоящее время широко используется электронное слежение за товаром с помощью так называемых 1 -битовых (1 -разрядных) радиометок (этикеток) или транспондеров. Одной из наиболее распространенных технологий изготовления таких радиометок является акустомагнитная технология. Метки состоят из одной (двух, трех) магнитострикционных полосок из аморфного сплава и неподвижной подмагничивающей полоски (постоянный магнит) в корпусе из прочного тонкого пластика (рис. 3). Для обнаружения метки в состав противокражной системы входит передающее устройство и детектор (приемник). Такие антенные системы защиты от краж, основанные на акусто-магнитной технологии, работают на частоте 58 кГц.
Рис. 3. Акустомагнитная метка
В корпусе сформирована область свободного размещения магнитострикционных полосок. Когда этикетка попадает в переменное магнитное поле, свободное положение магнитострикционной полоски позволяет ей совершать свободные механические колебания (вибрировать) под действием магнитного поля. При этом механическая добротность системы на частоте накачки выбирается максимально возможной и полоска продолжает колебаться некоторое время после снятия накачки. Согласно магнитострикционному эффекту теперь уже полоска создаёт переменное
электромагнитное поле, которое и регистрируется антенной. При этом резонансная
частота аморфной ферромагнитной полоски fp ~ ^ гДе I — длина полоски,
Е(В) — модуль Юнга как функция магнитного поля, р — плотность аморфного сплава. Магнитная полоска участвует в механическом резонансе, поэтому эти метки активируются намагничиванием и деактивируются размагничиванием. Поскольку намагничивание является определённым по величине и направлению, повторная активация таких меток не предусмотрена.
Заключение. Таким образом, в Fe4oCo5oZr9Cui, полученном ИПН и имеющем полосовую 180° доменную структуру, потери на магнитоупругое затухание на частотах 102 103 Гц связаны с микро- и макровихревыми токами, которые индуцируются в образце в результате изменений магнитной индукции при обратимом смещении доменных границ и вращении векторов намагниченности доменов. Раздельное наблюдение на полевой зависимости внутреннего трения Q-1(H) пиков макро- и микровихревых потерь обусловлено особенностью доменной структуры данного сплава и возможно, если ширина доменов значительно больше толщины исследуемой фольги. Данный магнито-стрикционный сплав может эффективно применяться в качестве метки с малыми маг-нитоупругими потерями. Результаты работы могут быть использованы для учета физических механизмов потерь, добротности магнитострикционной полоски акустомагнит-ной метки, а также расчета ее резонансной частоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е. Аморфные металлические сплавы // УФН. — Т. 160. — Вып. 9. — С. 75—110.
2. Берри Б. С. Упругое и неупругое поведение стекол // Металлические стекла. — М. : Металлургия, 1984. — С. 128—150.
3. Ильин С. И., Дунаев Ф. Н., Яковлев Г. П. О дополнительном вкладе в магнитоупругое внутреннее трение // Внутреннее трение в металлах и неорганических материалах. — М. : Наука, 1982. — С. 113—116.
4. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма : пер. с япон. — М. : Мир, 1987. —
419 с.
5. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е., Сычев И. В., Шаршаков Д. И. Магнитоупругое затухание и AE-эффект в аморфном и нанокристаллическом сплаве Fe40C050Zr9Cu1 // Физика металлов и металловедение. — 1993. — Т. 76. — Вып. 1. — С. 79—81.
REFERENCES
1. Zolotuxin I. V., Kalinin Yu. E. Amorfny'e metallicheskie splavy' // UFN. — T. 160. — Vyp. 9. — S. 75—110.
2. Berri B. S. Uprugoe i neuprugoe povedenie stekol Metallicheskie stekla. — M. : Metallurgiya, 1984. — S. 128—150.
3. Il in S. I., Dunaev F. N., Yakovlev G. P. O dopolnitelnom vklade v magni-touprugoe vnutrennee trenie // Vnutrennee trenie v metallax i neorganicheskix materialax. — M. : Nauka, 1982. — S. 113—116.
4. Tikadzumi S. Fizika ferromagnetizma : per. s yapon. — M. : Mir, 1987. — 419 s.
5. Zolotuxin I. V., Kalinin Yu. E., Sy'chev I. V., Sharshakov D. I. Magnitouprugoe zatuxanie i AE-effekt v amorfnom i nanokristallicheskom splave Fe40Co50Zr9Cu1 // Fizika metallov i metallovedenie. — 1993. — T. 76. — Vy> 1. — S. 79—81.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Сычев Игорь Валерьевич. Доцент кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат физико-математических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: mail.r.1964@mail.ru
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-55.
Удалов Валерий Петрович. Доцент кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат физико-математических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: uvalery@yandex.ru.
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-57.
Козенков Олег Дмитриевич. Старший преподаватель кафедры физики и химии. Кандидат физико-математических наук, доцент.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия» им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: kozenkov_w@mail.ru
Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54, тел. (473) 278-33-61.
Sychev Igor Valeryevich. Associate Professor of the chair of Physics and Electronics. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: mail.r.1964@mail.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-55.
Udalov Valery Petrovich. Associate Professor of the chair of Physics and Electronics. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: olegnetpro@rambler.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-57.
Kozenkov Oleg Dmitrievich. Senior Lecturer, Department of Physics and Chemistry. Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor.
Military training and research center of the Air force "The air Force Academy" named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin» (Voronezh)
E-mail: kozenkov_w@mail.ru
Work address: Russia, 394064, Voronezh, St. Old Bolsheviks, 54 "A", tel. (473) 278-33-61.
Ключевые слова: микро- и макровихревые токи; акустомагнитная метка; аморфный ферромагнитный сплав; магнитострикция.
Key words: micro- and macro-vortex currents; acoustic magnetic tag; amorphous ferromagnetic alloy; magnetostriction.
УДК 538.213.32
