Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы материаловедения

12.9. Нанокристаллические магнитные материалы

Нанокристаллическая структура в аморфном сплаве создается путем его кристаллизации. Техника спиннингования, т. е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 106 град/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана, отработана достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Отжиг производится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой.

Кристаллизация аморфных сплавов особенно активно изучается в связи с возможностью создания нанокристаллических ферромагнитных магнитно-мягких сплавов систем Fe—Си—М—Si—В (в которых М: Nb, Та, W, Mo, Zr). Изучение железоникелевых сплавов показало, что свойства магнитомягких материалов улучшаются при уменьшении эффективной магнитокристаллической анизотропии. Уменьшение размера зерен приводит к росту обменного взаимодействия, уменьшению магнитокристаллической анизотропии.

Нанокристаллическую структуру удалось получить на основе кремнийсодержащей электротехнической стали с добавкой меди и переходных металлов IV—VII групп Периодической системы.

Наноструктурное состояние влияет на свойства ферромагнетиков. Доменная структура возникает в результате минимизации суммарной энергии ферромагнетика в магнитном поле. Эта энергия включает в себя энергию обменного взаимодействия, минимальную при параллельном расположении спинов электронов; энергию кристаллографической магнитной анизотропии, обусловленную наличием в кристалле осей легкого и трудного намагничивания; магнитострикционную энергию, связанную с изменением равновесных расстояний между узлами решетки и длины доменов; магнитостатическую энергию, связанную с существованием магнитных полюсов как внутри кристалла, так и на его поверхности. Замыкание магнитных потоков доменов, расположенных вдоль осей легкого намагничивания, снижает магнитостатическую энергию, тогда как любые нарушения однородности ферромагнетика (границы раздела) увеличивают его внутреннюю энергию.

При приближении ферромагнитных частиц к однодоменному состоянию основным механизмом перемагничивания становится когерентное вращение большинства магнитных моментов отдельных атомов. Этому препятствует анизотропия формы частиц, кристаллографическая магнитная анизотропия. При достижении некоторого критического размера частицы становятся однодоменными, что сопровождается увеличением коэрцитивной силы Нс, максимального значения Нс = 2K/Js, где К — константа анизотропии, У, — намагниченность насыщения.

Наибольший размер однодоменных частиц железа и никеля не превышает 20 и 60 нм соответственно. Дальнейшее уменьшение размера частиц приводит к резкому падению коэрцитивной силы до нуля вследствие перехода в суперпарамагнитное состояние. Исходя из соотношения неопределенностей Гейзенберга показано, что критический линейный размер частицы, при котором при всех температурах ниже температуры Кюри исчезает ферромагнетизм, составляет ~1 нм.

Переход из ферромагнитного в суперпарамагнитное состояние происходит при некоторой температуре блокирования, ниже которой наночастица из ферромагнитного материала ведет себя как ферромагнетик, а выше — находится в суперпарамагнитном состоянии.

Оценки показывают, что для типичных ферромагнетиков и ферримаг- нетиков имеется критический объем (объем блокирования), ниже которого при заданной температуре наночастица находится в суперпарамагнитном состоянии, а при объеме, большем критического, является ферромагнетиком. Этот объем составляет 10-27—10-23 м что соответствует наночастицам с размерами 1 — 15 нм.

НанокристаллическиеферромагнитныесплавысистемРе—Си—М—Si—В находят применение как превосходные трансформаторные магнитно-мягкие материалы с очень малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью.

Известны и другие магнитно-мягкие нанокристаллические материалы, получаемые кристаллизацией аморфных сплавов. Сплавы Fe—М—С, Fe—М—В, Fe—М—N и Fe—М—О (М — Zr, Hf, Nb, Та, Ti) при среднем размере зерен 10 нм имеют проницаемость р = 4000—5000 и малую (<10~6) величину магнитосгрикции.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы