Влияние дейтерия на эффект Баркгаузена в аморфном сплаве Fe 78b 12Si 9ni 1 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2003 Физика Вып. 1

Влияние дейтерия на эффект Баркгаузена в аморфном сплаве Ге78В12819№1

Н. Е. Скрябина, Л. В. Спивак, А. А. Шадрин

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Изучено влияние электролитического насыщения дейтерием аморфного металлического сплава (АМС) 2НСР (Ре78В|2819Н11) на амплитудно-частотный спектр шумов Баркгаузена. Обнаружен изотопический эффект водорода в изменении величины ЭДС Баркгаузена и амплитудно-частотном спектре скачков Баркгаузена. Данный эффект обладает многократной обратимостью. При сравнимых условиях насыщения влияние дейтерия выражено в меньшей степени, чем протия. Высказано предположение, что различия в поведении аморфных сплавов при насыщении протием и дейтерием связаны, в первую очередь, с различными коэффициентами диффузии изотопов водорода в аморфных сплавах и заметно большим эффективным диаметром атомов дейтерия по сравнению с атомами протия.

1. Введение

Магнитные свойства АМС обусловлены наличием в сплаве атомов типичных ферромагнетиков и их взаимодействием.

Ранее (см. [1-2]) показано, что при введении в АМС водорода имеет место значительное изменение магнитных свойств сплава. Однако быстрота самопроизвольного дегидрирования АМС после его насыщения водородом затрудняет исследование изменений, происходящих в материале. Это относится как к традиционным структурным методам, так и к определению его физических характеристик, продолжительность измерения которых должна быть мала, чтобы не внести существенных погрешностей, связанных с временной нестабильностью состояния насыщенного водородом АМС.

Оказалось, что для этого удобно использовать наблюдение за эффектом Баркгаузена, измерение параметров которого хорошо себя зарекомендовало при изучении различных сплавов, как кристаллических, так и аморфных.

Цель данной работы состояла в изучении возможности существования изотопического эффекта в изменении магнитных свойств при насыщении изотопами водорода аморфных сплавов. В качестве основной методики регистрации изменений в состоянии сплавов было выбрано наблюдение за эффектом Баркгаузена.

2. Методика исследований

Объектом исследования являлась аморфная лента сплава 2НСР (Ре78В |2819Ы10 толщиной 30 мкм и длиной 30-50 мм.

Насыщение АМС водородом (НВ) проводили в течение 10 мин из кислого электролита (Ш Н2804 в Н20 + АБгОз). Плотность катодного тока -50 А/м2. Образцы сплава 2НСР служили катодом, в качестве анода использовалась платиновая проволока. Концентрация водорода не измерялась, поскольку сразу после насыщения водородом последний начинал покидать материал.

Насыщение АМС дейтерием (НД) производили из кислого электролита (Ш 02504 в 020 + А520:,) в течение 5 мин при той же плотности катодного тока. Последующее наблюдение за образцами проводилось в течение 5 сут. Затем следовали повторное НВ или НД и выдержка при 20 °С. Такие циклы осуществляли 3-4 раза. После НВ или НД образцы подвергались отжигу в нейтральных средах (дистиллированная вода, машинное масло) при температурах 40, 60, 80, 100, 120 °С. После выдержки при данной температуре в течение 5 мин вновь проводилось измерение эффекта Баркгаузена.

ЭДС Баркгаузена (еБ) и частотный спектр измеряли с помощью специально разработанной установки. Датчик ЭДС Баркгаузена состоял из накладного электромагнита, наводящего магнит-

© Н. Е. Скрябина, Л. В. Спивак, А. А. Шадрин, 2003

21

ное поле в объеме образца, и измерительной катушки, улавливающей магнитный поток от скачков Баркгаузена (СБ). Частота переключения магнитного поля составляла 50 Гц. Перемагничивание в объеме образца было однородным. Магнитное поле менялось от -100 А/м до +100 А/м с постоянной максимальной амплитудой. Импульсы ЭДС от СБ с помощью широкополосного усилителя с малым уровнем шума усиливались до величины, позволяющей их дальнейшую регистрацию и обработку. Прибором наблюдения и регистрации служил осциллограф РС5641. Экспериментальные данные обрабатывались по специальной программе. В качестве эталона использовали ленту сплава 2НСР в состоянии поставки.

Величина ЭДС Баркгаузена бралась в условных единицах относительно величины ЭДС для эталона. Погрешность экспериментов составляет 10 - 15 %, что, в первую очередь, было обусловлено неоднородностью исследуемого материала.

3. Экспериментальные результаты

Уже первые эксперименты по дейтерированию сплава 2НСР выявили, что сплав становится более хрупким, чем при тех же режимах насыщения сплава протием. Именно это обстоятельство обусловило различную продолжительность насыщения АМС водородом и дейтерием. Критерием служило сохранение сплавом после его насыщения водородом или дейтерием определенного запаса пластичности, позволяющего проводить на образцах многократные измерения эффекта Баркгаузена. Этим же условиям отвечало достижение максимального эффекта при введении изотопов водорода в данный АМС.

Исследования показали, что введение дейтерия вызывает в сплаве 2НСР эффекты, аналогичные введению водорода, однако, в отличие от последнего, они выражены в заметно меньшей степени. Увеличение еБ после 5 циклов НД приводит к возрастанию вБ не более чем в 2 раза по сравнению с исходным значением, тогда как при насыщении водородом £Б возрастало не менее чем в три раза. С увеличением числа циклов НД - дегазации практически не наблюдается рост остаточных изменений в величине бб.

На рис. 1 показана структура СБ при одном значении намагничивающего поля. Перемагничи-вание в исходном состоянии совершается практически одним гигантским скачком (рис. 1, а) как при нарастании, так и при убывании магнитного поля. Намечены аномальные скачки Баркгаузена, обусловленные смещением доменной стенки в на-

правлении, противоположном направлению магнитного поля.

Введение водорода (рис. 1, б) существенно осложняет наблюдаемую картину. Увеличивается не только число скачков Баркгаузена, но и диапазон намагничивающего поля, в котором фиксируются такие скачки (по оси абсцисс отложено время развертки намагничивающего поля). Насыщение дейтерием приводит к промежуточным результатам (см. рис. 1, в). Поскольку эффект Баркгаузена носит стохастический характер, проводилось осреднение результатов измерения за 30 циклов пере-магничивания. Типичная ситуация представлена на рис. 2. Она отражает уже отмеченные выше закономерности.

Пики на рис. 2 представляют собой результат наложения единичных скачков Баркгаузена. Для аморфных сплавов в исходном состоянии характерны узкие пики в отличие от кристаллических веществ, обладающих широким спектром скачков по амплитуде и по полю.

Для исследуемых сплавов характерно симметричное расположение областей малых СБ относительно гигантских скачков. Распределение амплитуд скачков по полю в рассмотренных пиках позволяет сделать предположение, что в исследуемых образцах существуют препятствия на пути движения доменной границы. Часть скачков, в том числе и “гигантские”, можно связать с внутренними напряжениями. При введении в АМС водорода или дейтерия заметно возрастает ширина рассматриваемых пиков. Значительно увеличивается число “гигантских” скачков по сравнению с исходным состоянием (см. рис. 1,2).

Теоретически все перемагничение в магнитомягких АМС должно идти одним скачком, так как петля гистерезиса аморфного сплава имеет прямоугольную форму. Если при СБ существуют препятствия для движения доменных стенок, следовательно, будет наблюдаться набор скачков. Менее сильно закрепленные границы начинают движение при относительно более слабом магнитном поле, более сильно закрепленные - при более сильном поле. Таким образом, можно наблюдать спектр СБ.

Водород в данном случае может быть локальным источником поля напряжений. Поскольку насыщение сплава водородом или дейтерием проводится в далеких от равновесия условиях, то практически сразу же после прекращения электролитического введения изотопов водорода система стремится к более равновесному состоянию, что, в частности, происходит за счет естественной эвакуации изотопов водорода из материала.

2У

1т$

г і { г— г~

•} I {

! 1 і і

і —

_ г

I ...

| 1

: II-- . Т ._...

2У

Іпгк

гБ, уел. ед. 300

150

700

Рє78В125І9МІ1

900

1100 і, мс

^Б' уел. ед.

Рис. 1. Структура СБ при одном значении намагничивающего поля: а - исходное состояние; б - после НВ; в - после НД

єя,усл. ед.

в

Рис. 2. Спектральный шум Баркгаузена в АМС 2НСР: а - сплав в исходном состоянии, б - сразу после НВ, в - сразу после НД

Этому процессу сопутствует изменение эффекта Баркгаузена при вылеживании сплава при комнатной температуре (см. рис. 3). Здесь показано изменение числа скачков Баркгаузена, И, в зависимости от времени выдержки. Причем, по оси абсцисс отложен (ш, где I - время выдержки после насыщения при 20 °С.

Представленные данные свидетельствуют о двустадийном характере возврата параметров эффекта Баркгаузена. Линейность зависимости 2) является косвенным свидетельством того, что обе стадии возврата контролируются диффузионными процессами, поскольку диффузионный путь » (Ог)1/2, где О - коэффициент диффузии изотопа водорода. Однако, как это имеет место и при НВ, полный возврат свойств происходит только после нагрева сплава выше 120 °С. Увеличение скорости возврата после НД хорошо заметно уже при нагреве сплава до 40 °С (см. рис. 4).

Методом электрохимической экстракции были определены коэффициенты и энергия активации диффузии изотопов водорода в данных АМС. Показано, что коэффициент диффузии дейтерия заметно меньше коэффициента диффузии протия. В этом, по-видимому, заключается одна из возможных причин различия в динамике изменения свойств АМС при их насыщении изотопами водорода.

Таким образом, сравнительный анализ влияния двух изотопов водорода на характеристики спектра шумов Баркгаузена и связанные с ним макроскопические характеристики показывает качественно подобное действие протия и дейтерия на выбранную характеристику АМС. Однако во всех случаях влияние дейтерия на изменение ЭДС Баркгаузена выражено в меньшей степени. Отмечена большая склонность к охрупчиванию АМС при НВ.

Влияние водорода и дейтерия на магнитные характеристики АМС и кинетику их изменения может быть обусловлено двумя факторами -коэффициентом диффузии и размером внедряемых атомов. Коэффициент диффузии для дейтерия теоретически в 1.4 раза меньше, чем для водорода. Следовательно, при одинаковой продолжительности насыщения образца дейтерия в материал попадет меньше, чем водорода. Однако атомы дейтерия имеют больший размер по сравнению с атомами водорода. Поэтому при введении дейтерия структура сплава должна подвергаться большим нарушениям. Искажения структуры, в свою очередь, снижают подвижность стенок Блоха, а, следовательно, уменьшают длину СБ [2]. Следует отметить, что проведенные нами подобного типа эксперименты на кристаллическом железе и его сплавах с кремнием не привели к обнаружению аналогичных явлений.

Зависимость числа импульсов от амплитуды положительных (со знаком “+”) СБ для образцов

сплава 2НСР в исходном состоянии, сразу после НВ и сразу после НД, показана на рис. 5.

N

Рис. 3. Влияние продолжительности выдержки после НД АМС 2НСР на число скачков Баркгаузена

гЕ, уел. ед.

Рис. 4. Влияние температуры выдержки образца (°С) сплава 2НСР после НВ (10 мин) и НД (5 мин) на величину ЭДС Баркгаузена (время выдержки при нагреве - 5 мин)

N

Аб, уел. ед.

Рис. 5. Зависимость числа импульсов от амплитуды С Б для 2НСР

Все представленные на рис. 5 зависимости носят общий характер. Однако при насыщении сплава 2НСР дейтерием наблюдаемый эффект выражен менее ярко, чем при насыщении водородом. По мере эвакуации водорода или дейтерия из сплава, наблюдается возврат числа импульсов (СБ) к их количеству в исходном состоянии образца. Существующее небольшое отклонение после дегазации образца в течение 3 сут от числа импульсов в исходном состоянии может быть связано с некоторым остаточным количеством водорода в образце.

Процесс восстановления ЭДС Баркгаузена (уменьшения внутренних напряжений) при дегазации контролируется диффузией водорода (дейтерия). Выход водорода (дейтерия), по-видимому, проходит в два этапа - быстрый и длительный, что соответствует выходу водорода (дейтерия) сначала с поверхности образца, затем из объема. В данной работе показано, что изменение числа импульсов (СБ) в этом сплаве может быть также достигнуто его отжигом при 300 - 400 °С. Однако, даже при температурах, приближающихся к температуре кристаллизации аморфной ленты 2НСР, число импульсов не увеличивается столь сильно, как при насыщении водородом. Нагрев сплава до таких температур влияет на его структуру, приводит к необратимым изменениям в сплаве. Это находит свое отражение в постоянном значении характеристик эффекта Баркгаузена после такой обработки АМС. Влияние водорода существенно превышает по своему воздействию на магнитную структуру сплава отжиг последнего до 400 °С.

Однако, в отличие от влияния отжига, влияние водорода на магнитную подсистему является транзиентным, т.е. зависящим от времени, прошедшего с момента окончания насыщения материала водородом. Последнее показывает, что воздействие водорода в первую очередь обусловлено его присутствием в сплаве, и как только его концентрация становится ниже критической, магнитные свойства (еб для исходного состояния, коэрцитивная сила) материала возвращаются к значению, близкому к исходному. Интересно, что уже после первого акта НВ наблюдается потеря пластичности аморфного сплава, однако магнитные свойства оказываются нечувствительными к факторам, отвечающим за потерю пластичности материала. Это весьма существенно, поскольку свидетельствует об отсутствии прямой связи между влиянием водорода на деструктивные процессы в материале и магнитные характеристики сплава.

Изменение магнитных свойств аморфного металлического сплава при насыщении его изотопами водорода может быть обусловлено:

а) тривиальным увеличением внутренних на- 3. пряжений при попадании водорода в материал;

б) взаимодействием водорода с границами домена, закреплением этих границ, увеличением поля старта и, как следствие, ускорением движения границ от одного состояния равновесия к другому;

в) насыщением водородом, которое приводит к изменению электронной подсистемы металла, что должно оказать влияние, прежде всего, на вектор спонтанной намагниченности домена.

Не исключая важного влияния первых двух аспектов взаимодействия водорода с АМС, совокупность представленных результатов позволяет отдать предпочтение предположению о влиянии изотопов водорода на электронную подсистему АМС.

4. Выводы

1. Обнаружен изотопический эффект во влиянии изотопов водорода на характеристики спектра шумов Баркгаузена.

2. Показана многократная обратимость эффекта, связанная с эвакуацией водорода и повторным насыщением сплава 2НСР водородом.

3. Приведены доказательства в пользу предположения о том, что кинетика изменения магнитных характеристик АМС 2НСР обусловлена диффузионной подвижностью атомов водорода.

4. Показано, что влияние дейтерия на изучаемые характеристики выражено значительно слабее, чем в случае введения в аморфный сплав водорода. Этот факт обусловлен меньшей растворимостью дейтерия в АМС и меньшим коэффициентом диффузии по сравнению с водородом.

5. Изложены соображения в пользу предположения о том, что введение в АМС водорода и дейтерия вызывает возмущение электронной подсистемы содержащих изотопы водорода аморфных сплавов на основе железа.

Авторы выражают признательность Министерству образования РФ за поддержку исследований в этом направлении (грант Е00-3.4.-19).

Список литературы

1. Скрябина Н. Е., СпивакЛ. В., Хоминский В. А., Вылежнев В. П., Ладьянов В. И. II Физика металлов и металловедение. 1997. Т. 83, № 3. С. 139,

2. Скрябина Н. Е., Спивак Л. В., Кинев А. С., Барской Б. Н., Вылежнев В. П., Савельева Т. Ю.П Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, вып. 21. С. 26.

Cengia L, Kovac F. II Journal of materials science. 2001. Vol. 36. P. 4125.