1992年,日本名古屋大学K.Mohri等人<1>发现对直径为15~120μm的CoFe SiB非晶丝通以高频电流时,丝两端感生的电压幅值随外磁场发生非常灵敏的变化,这一现象后 被称为巨磁阻抗(GMI)效应。产生GMI效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。最初对巨磁 阻抗效应研究较多的是具有零或负磁致伸缩系数的钴基非晶软磁合金细丝,近年来已扩展到非晶和 纳米晶软磁合金薄带和薄膜<2~4>。与磁通门(FGS)、磁阻元件(MR)和霍耳元件相比 ,利用该效应制作的磁场传感器元件,能够同时满足高灵敏度、快响应速度和小尺寸的要求,这意 味着利用GMI效应可制成小尺寸的高灵敏度磁头和传感器,从而应用于高密度信息存储和磁场检 验等领域,解决信息处理能力的飞速发展与获取信息能力大大落后的矛盾。因此,巨磁阻抗效应引 起了磁学工作者的广泛关注<5,6>。直流焦耳处理是最近发展起来的一种新型处理工艺,是提 高GMI效应的有效方法之一。笔者系统研究了两段式焦耳处理工艺对Co71·8Fe4·9N b0·8Si7·5B15非晶薄带的巨磁阻抗效应的影响,并得到了性能优良的非晶薄带。实验 表明:两段式焦耳处理是在低场范围内获得高灵敏度GMI效应的有效手段。1实验方法实验所用 的Co71·8Fe4·9Nb0·8Si7·5B15非晶薄带采用单辊快淬法制成。淬态样品经X射线鉴定为非晶态。样品宽0·8mm,厚30μm。单段式焦耳处理的工艺如图1图所1示:单电段流式上焦升耳时处间理工为1艺s,处理时间为Fig·1 Schematic of one-step Joule heating treatment22 s,电流密度为35 A/mm2。两段式焦耳处理的工艺如图2所示:第1段处理的电流密度分别采用5A/mm21、5 A/mm2和25 A/mm2,第2段采用单段处理时的最佳电流密度35 A/mm2,两段处理之间间隔10 min。GMI效应的测量采用4端法,正弦交流电流由HP3312A函数发生器产生,测量频率为8 MHz。用DL1520示波仪测量与样品串联的标准电阻的电压和电流得到阻抗。阻抗的相对变化 率定义为:ΔZ/Z=
/Z(0)×100%式中,Z(0)是外磁场为 零时的阻抗;Z(H)是外磁场强度为H时的阻抗。灵敏度定义为最大磁阻抗比除以峰值所对应的磁场。本实验中的磁场由直径为0·1m的亥姆霍兹线圈提供,磁场强度范围为0~10 345·4 A/m,测量时电流沿样品纵向通过并使电流方向平行于磁场方向。测量时通过样品的电流保持为15 mA。所有测量均在室温下进行。2实验结果及讨论图3为3种两段式焦耳处理工艺对GMI效应(ΔZ/Z)的影响。其中,样品J1第1段处理的电流密度采用5 A/mm2,第2段处理的电流密度采用35A/mm2;样品J2第1段处理的电流密度采用15 A/mm2,第2段处理的电流密度采用35 A/mm2;样品J3第1段处理的电流密度采用25 A/mm2,第2段处理的电流密度采用35 A/mm2;从图3可以看出:随着第1阶段处理时的电流密度的增加,GMI效应图2两段式焦耳处理工艺Fig·2 Schematic of two-step Joule heating treatmentFig·3 Influence of three Joule heating treatments on GMI effect先增加,后减少。电流密度为15 A/mm2时出现最大值,其最大磁阻抗比达到305%。图4为3种不同处理工艺对磁阻抗比和灵 敏度的影响。从图4可以看出:随着电流密度的提高灵敏度和磁阻抗比均先增加然后减小,在电流密度为15A/mm2时达到最大值。表1为单段式和两段式焦耳处理后样品性能的比较。从表1可以看出,采 用两段式焦耳处理后样品J2的最大磁阻抗比为305%,比单段式焦耳处理样品J4的最大磁阻 抗比287%高出18%。灵敏度也是前者比后者高。图5给出分别经淬态、单段式焦耳处理和两段式图43种两段式焦耳处理工艺对灵敏度和磁阻抗比的影响Fig·4 Influence of three Joule heat treatments onimpedance ratio and sensitivity表1经单段式和两段式焦耳处理后的样品性能Table 1 Properties of samples treated by one-step andtwo-step Joule heating treatments样品最大磁阻抗比/%灵敏度/(%·A-1·m)J2 305 0·575J4 287 0·550图5 淬态、单段式焦耳处理和两段式焦耳处理后样品的GMI效应Fig·5 GMI effect of sample treated by casting,treated byone-step and two-step Joule heating treatments焦耳处理后样品的GMI效应。可以看出:两段式焦耳处理样品的巨磁阻抗效 应比淬态样品大得多,亦优于单段式焦耳处理样品。结合图3、图4和表1,可综合分析如下:快 速冷却制得的淬态样品内部存在较大的残余应力,故淬态样品的软磁性能较差,因而它的巨磁阻抗 效应不明显。在两段式焦耳处理过程中,第1段焦耳处理的主要目的是为了去除样品内部的残余应 力,第2段焦耳处理可以明显提高样品的软磁性能。由经典电磁理论可知:外加磁场通过改变材料 的有效磁导率而改变交变电流的趋肤深度,由此产生GMI效应。两段式焦耳处理提高了样品的磁 导率,增加了磁场对磁导率的影响程度,降低了交变电流的趋肤深度,从而得到了最大的GMI效应。3结论Co71·8Fe4·9Nb0·8Si7·5B15非晶薄带经第1段电流密度为15A/mm2、第2段电流密度为35 A/mm2的两段式焦耳处理后,得到的最大GMI效应和最高灵敏度分别为305%和0·575 %/(A·m-1),均高于淬态和单段式焦耳处理的薄带。实验结果表明:两段式焦耳处理是提 高材料GMI效应的一种新型而且十分有效的方法。特别是在低场下可以得到如此高的GMI效应 和灵敏度,这显示了两段式焦耳处理的优越性。具有如此优良阻抗性能的材料在低场磁传感器件中 有很大的应用潜力。两段式焦耳处理对Co_(71.8)Fe_(4.9)Nb_(0.8)S i_(7.5)B_(15)非晶薄带巨磁阻抗效应的影响@陈孝文$钢铁研究总院国家非晶微晶合金工程技术研究中心!北京100081
@张德芬$辽宁石油化工大学机械工程学院!辽宁抚顺113001
@李德仁$钢铁研究总院国家非晶微晶合金工程技术研究中心!北京100081
@卢志超$钢铁研究总院国家非晶微晶合金工程技术研究中心!北京100081
@周少雄$钢铁研究总院国家非晶微晶合金工程技术研究中心!北京100081
@周桂琴$东北大学材料与冶金学院!辽宁沈阳110004
@连法增$东北大学材料与冶金学院!辽宁沈阳110004研究了两段式焦耳处理对Co71.8 Fe4.9Nb0.8Si7.5B15非晶薄带巨磁阻抗效应的影响。实验结果表明:经第1段电流密度为15A/mm2、第2段电流密度为35 A/mm2的复合处理后,样品获得了最大的GMI效应。在8MHz的交变电流频率下,最大磁阻 抗比为305%,灵敏度为0.575%/(A.m-1)。两段式焦耳处理是提高材料GMI效应的一种新的而且十分有效的方法。 巨磁阻抗效应;; 热处理;; 非晶薄带<1>MohriK,Kohzawa T,Kawashima K,et al.Magneto-Induc-tive(MI Effect)in Amorphous Wires.IEEE Trans Magn,1992,28(5):3150-3152.
<2>Panina L V,Mohri K,Uchiyama T,et al.Giant Magneto-Impedance in Co-Rich Amorphous Wires and Films.IEEE Trans Magn,1995,31(2):1249-1260.
<3>Sommer R L,CHEN C L.Giant Magneto-Impedance Effectsin Metglas 2705M.Appl Phys,1996,79(8):5139-5141.
<4>CHEN C,Luan K Z,LIU Y H,et al.Giant Magneto-Imped-ance Effects in the Soft Ferromagnet Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9.Phys Rev,1996,54B(9-10):6092-6094.
<5>吴厚政,刘宜华,代由勇,等.磁场退火对CoFeNiNbSiB薄带巨磁阻抗的影响.金属学报,2002,38(10):1087-1090.
<6>钟智勇,张怀武,刘颖力,等.巨磁阻抗效应研究的最近进展.功能材料,2001, 32(1):16-18.提高材料GMI效应的一种新型而且十分有效的方法。特别是在低场下 可以得到如此高的GMI效应和灵敏度,这显示了两段式焦耳处理的优越性。具有如此优良阻抗性 能的材料在低场磁传感器件中有很大的应用潜力。两段式焦耳处理对Co_(71.8)Fe_( 4.9)Nb_(0.8)Si_(7.5)B_(15)非晶薄带巨磁阻抗效应的影响@陈孝文$钢铁研究总院国家非晶微晶合金工程技术研究中心!北京100081
@张德芬$辽宁石油化工大学机械工程学院!辽宁抚顺113001
More abstracts about the 两段式焦耳处理对Co_(71.8)Fe_(4.9)Nb_(0.8)Si_(7.5)B_(15)非晶薄带巨磁阻抗效应的影响