焦耳-應(yīng)力退火對(duì)Co基薄帶巨磁阻抗的影響*

張樹玲，甘志穎，劉慧嫻，高露露，丁文捷

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520； 2. 寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750001； 3. 青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

巨磁阻抗效應(yīng)(giant magneto impedance, GMI)是指軟磁材料的交流阻抗隨外加磁場敏感變化的現(xiàn)象[1]。GMI效應(yīng)具有靈敏度高、飽和磁場低、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好和功耗低等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于磁場和應(yīng)力檢測的高靈敏傳感器開發(fā)[2-3]。Co基非晶合金是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)異的軟磁材料之一，它不僅具有很高的磁導(dǎo)率、很低的矯頑力和損耗，還具有優(yōu)良的磁滯回線以及磁致伸縮系數(shù)接近于零等特點(diǎn)[4-6]，而且由于非晶態(tài)合金的硬度高，耐磨性好，使用壽命長，因而具有很高的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了多款商用Co基薄帶GMI傳感器[2]。Co基非晶態(tài)合金由于原子排列呈短程有序、長程無序，沒有晶態(tài)合金所具有的晶界和位錯(cuò)等，具有優(yōu)異的軟磁性能和力學(xué)性能，被視為新材料開發(fā)的重點(diǎn)[7-8]。

GMI效應(yīng)來源于軟磁材料在外加磁場作用下趨膚深度的改變和自身特殊的磁疇結(jié)構(gòu)的演化[6]。隨頻率的升高，趨膚效應(yīng)逐漸明顯，交流電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場主要作用于Co基薄帶材料的表層，其橫向磁導(dǎo)率對(duì)外加縱向磁場更加敏感，隨外磁場的變化而迅速改變，因而GMI效應(yīng)顯著[9-11]。軟磁材料的磁疇尺寸、形狀和分布是影響電磁性能的主要參數(shù)，為了進(jìn)一步提高磁性材料的GMI效應(yīng)，研究者們嘗試對(duì)薄帶、薄膜等磁性材料進(jìn)行各種退火[12-13]，在退火過程中對(duì)Co基薄帶施加磁場或應(yīng)力可以達(dá)到改變材料磁各向異性的目的，進(jìn)而有效地調(diào)控材料的性能[14-16]。研究表明，對(duì)于具有正磁滯伸縮系數(shù)的Fe基薄帶，進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火后，拉應(yīng)力導(dǎo)致了橫向各向異性的提高，進(jìn)而提高其GMI效應(yīng)[17]，但是退火過程中納米晶的出現(xiàn)將降低材料的橫向各向異性[4,16]。具有負(fù)磁滯伸縮系數(shù)的Co基薄帶進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火，效果如何呢？本文通過在不同退火條件下對(duì)快速凝固技術(shù)制備出的Co基非晶薄帶進(jìn)行不同頻率下的阻抗分析及磁疇運(yùn)動(dòng)觀察，從而分析焦耳-應(yīng)力退火對(duì)合金軟磁性能和巨磁阻抗的影響，以探索提高GMI性能的退火技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

Co基薄帶名義成為Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8，采用單輥甩帶法制備，所制備薄帶的連續(xù)長度5 m左右、寬度0.8 mm、厚度為28μm。焦耳應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)過程中選擇長度80 mm，厚度均勻的薄帶，然后對(duì)薄帶進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火處理，退火過程中拉應(yīng)力通過垂直懸掛的砝碼產(chǎn)生，應(yīng)力強(qiáng)度分別為8.5,12.8,16.0,24.5 MPa，退火電流密度為18 A/mm2，退火時(shí)間20 min，室溫空冷。取長度25 mm的退火薄帶，采用安捷倫4294精密阻抗分析儀測量其縱向磁阻抗，直流外加磁場由一對(duì)直徑30 cm的赫姆赫茲線圈提供，外磁場方向與薄帶的長度方向平行，最大磁場強(qiáng)度為7.2 kA/m。

采用GMI效應(yīng)阻抗變化率定義為：

(1)

其中，Z(H)為外加磁場為H時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗，Z(H)max為最大外磁場7.2 kA/m時(shí)的阻抗值。

薄帶樣品的磁場響應(yīng)靈敏度一般定義為薄帶阻抗變化率隨外加磁場的變化率，即：

(2)

其中，ΔZ是阻抗變化率，H為外加直流磁場。

室溫磁疇觀察采用德國生產(chǎn)的Evico磁光克爾效應(yīng)顯微鏡進(jìn)行觀察，最大外加磁場強(qiáng)度為4 kA/m，測試時(shí)外加磁場平行于薄帶的長方向，即如圖1所示。

圖1 磁疇觀察時(shí)磁場與薄帶放置關(guān)系圖Fig.1 Magnetic field and ribbon placement in the domain observation

2 結(jié)果與討論

2.1 退火前后的巨磁阻抗效應(yīng)分析

圖2是制備態(tài)薄帶不同頻率下的GMI曲線。由圖2可見，在0.04 MHz條件下，未經(jīng)制備態(tài)GMI曲線呈“鐘形”單一峰狀，且峰值較小，其最大阻抗變化率為2.5%，隨著驅(qū)動(dòng)電流頻率的增大，制備態(tài)薄帶阻抗變化率也隨之增大，在0.4 MHz時(shí)，GMI曲線由單峰變?yōu)榻?jīng)典的雙峰狀，這與頻率升高趨膚效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，薄帶材料的磁化過程發(fā)生變化有關(guān)[14]。

圖3是分別在無應(yīng)力和外加應(yīng)力分別為8.5，12.8，16.0，24.5 MPa作用下經(jīng)過18 A/mm2電流退火的Co基非晶薄帶在不同頻率下的GMI曲線。由圖2可以看出，在0.04 MHz條件下，當(dāng)對(duì)薄帶進(jìn)行0.4 A電流焦耳退火處理后，最大GMI值達(dá)到了5.6%，雖然GMI效應(yīng)相對(duì)于未退火狀態(tài)下的薄帶有了一定的提高，但是GMI曲線在零磁場附近存在波動(dòng)；當(dāng)對(duì)退火的薄帶施加一個(gè)平行于薄帶軸向方向8.5 MPa的拉應(yīng)力時(shí)，薄帶的最大阻抗變化率為5.5%；當(dāng)應(yīng)力增大到16 MPa時(shí)，最大阻抗變化率下降為6.5%，GMI曲線變?yōu)殡p峰，這說明在退火應(yīng)力的作用下，薄帶的各向異性發(fā)生了變化[15,18]；繼續(xù)增大拉應(yīng)力至24.5 MPa，最大阻抗變化率達(dá)到8%，GMI曲線更加光滑。

當(dāng)頻率增大至0.4 MHz時(shí)，樣品的GMI曲線均呈光滑的雙峰狀，且隨著拉應(yīng)力的增大峰寬逐漸變窄，這進(jìn)一步說明退火應(yīng)力的存在使得薄帶各向異性發(fā)生變化，且縱向易磁化結(jié)構(gòu)逐步增多。在該頻率驅(qū)動(dòng)下，5種退火狀態(tài)下的最大阻抗變化率分別為40%、37%、46.5%、42.1%、47.6%，相比于未退火狀態(tài)焦耳退火材料的GMI有了大幅度的提高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的頻率增大時(shí)，趨膚效應(yīng)逐漸明顯，材料的環(huán)向磁化過程變得容易，因此GMI效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

圖2 制備態(tài)薄帶的GMI曲線圖Fig.2 GMI curves of the as-cast ribbon

圖3 不同焦耳應(yīng)力退火后薄帶的GMI曲線圖Fig.3 GMI curves after annealed under different stresses: (a)0.04 MHz, (b)0.08 MHz;(c)0.4 MHz, (d)0.8 MHz

圖4為Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶在不同頻率下最大阻抗變化率對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度隨退火應(yīng)力的變化曲線。由圖4可以看出，薄帶最大阻抗變化率對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度隨退火應(yīng)力的增加呈下降趨勢。理論研究表明，對(duì)于GMI峰值阻抗對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度與材料的等效各向異性場Hk有關(guān)[19]。低頻下，趨膚效應(yīng)不明顯，薄帶的磁化過程主要以疇壁位移為主，由于材料的結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力各向異性導(dǎo)致的磁化波動(dòng)較大[20]，且此時(shí)磁疇不規(guī)則，因而GMI效應(yīng)相對(duì)弱，同時(shí)GMI曲線在零磁場附近存在波動(dòng)；隨焦耳退火的施加，焦耳熱作用下薄帶材料的部分鑄造應(yīng)力得到釋放，這降低了材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，各向異性場相對(duì)降低；但是隨退火過程中外應(yīng)力的施加，薄帶內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)在焦耳熱和外加應(yīng)力作用下，磁疇將發(fā)生重組；隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加，趨膚效應(yīng)更加明顯，橫向磁化過程主要發(fā)生在薄帶材料表面[19]，內(nèi)部疇對(duì)表層磁疇的拖拽作用顯著，磁化阻力更大、磁化過程不容易進(jìn)行，同時(shí)渦流阻尼也進(jìn)一步增強(qiáng)，因此，達(dá)到GMI效應(yīng)峰值需要更大的外磁場[8]。1MHz下，等效各向異性場隨退火應(yīng)力σ的增加線性降低，經(jīng)過線性擬合，Hk=-1.28σ+126.25。

圖4 等效各向異性場Hk隨拉應(yīng)力的變化曲線Fig.4 The effective anisotropy field after different Joule-stress current treatment

圖5為材料的最大靈敏度。拉應(yīng)力相同的條件下，隨頻率的增加，材料的靈敏度也隨之增大。經(jīng)過24.5 MPa焦耳-應(yīng)力退火， MHz時(shí)薄帶的靈敏度達(dá)到280.2%/(kA/m)，這使得開發(fā)低頻工作點(diǎn)GMI磁傳感器成為可能。而且，靈敏度隨外加拉應(yīng)力的增加大致為先增大后減小再增大的變化趨勢。在驅(qū)動(dòng)電流頻率0.4 MHz條件下，樣品在8.5MPa應(yīng)力退火時(shí)的靈敏度最大為185.4%/(kA/m)，在0.04，0.08，0.8和1 MHz頻率下，薄帶經(jīng)過24.5 MPa應(yīng)力退火后的最大靈敏度為66.5、83.2、251.2、280.2%/(kA/m)。

圖5 不同應(yīng)力退火樣品的靈敏度與退火應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 The field sensitivity after different Joule-stress current treatment

2.2 退火前后薄帶磁疇觀察與分析

Co基軟磁薄帶材料的磁疇結(jié)構(gòu)決定了其電磁性能，為了進(jìn)一步分析焦耳-應(yīng)力退火對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響，分析了制備態(tài)薄帶磁疇結(jié)構(gòu)隨縱向磁場的動(dòng)態(tài)變化過程及退火后薄帶材料在相同外磁場作用下的磁疇結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

圖6(a)-(e)分別是制備態(tài)薄帶材料在外磁場作用下表面磁疇狀態(tài)，外磁場為零左右時(shí)，薄帶表面不存在明顯的疇結(jié)構(gòu)，隨外磁場的增加，疇壁移動(dòng)明顯，薄帶表面逐漸形成明顯的疇結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域形成漩渦裝的疇結(jié)構(gòu)，而部分區(qū)域?yàn)椤皬澰隆毙螏М牻Y(jié)構(gòu)，磁場強(qiáng)度為2 kA/m時(shí)疇結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，當(dāng)磁場強(qiáng)度為4 kA/m時(shí)疇結(jié)構(gòu)變化不明顯。

圖6 制備態(tài)薄帶不同外磁場作用下的磁疇變化Fig.6 Domain transformation of the as-cast ribbon under different external field:(a)40 A/m, (b) 647 A/m, (c) 2 kA/m, (d) 4 kA/m

圖7為焦耳退火后薄帶的磁疇結(jié)構(gòu)，焦耳退火和8.5，16，24.5 MPa焦耳應(yīng)力退火后，薄帶在外磁場強(qiáng)度0.4 kA/m左右時(shí)薄帶表面磁疇結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。由圖7可以看出，0.4 A焦耳退火后，在縱向磁場作用下，樣品的為橫向磁疇，且每一單疇呈寬大條帶狀分布，平均單疇寬度90 μm左右且與磁場方向垂直；隨著退火過程中拉應(yīng)力的施加，條狀疇逐漸變窄，同時(shí)逐漸向磁場方向偏轉(zhuǎn)，退火拉應(yīng)力為16 MPa時(shí)，帶狀疇寬度減小至45 μm左右，同時(shí)帶狀疇內(nèi)部出現(xiàn)與磁場方向平行的細(xì)小縱向疇(寬度9 μm，長度30 μm左右)，繼續(xù)增加退火應(yīng)力，橫向帶狀疇內(nèi)細(xì)小的縱向疇數(shù)量增加，且橫向帶狀疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這可能是由于焦耳退火過程中，施加拉應(yīng)力后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與帶長方向垂直的彈性場[8-9]，體系為了降低能量，在焦耳熱和彈性應(yīng)力作用下，帶內(nèi)橫向磁疇逐漸向帶的長方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同取向的橫向疇偏轉(zhuǎn)速度不一致導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)后的橫向疇更加不規(guī)則；另外，橫向疇內(nèi)逐漸形成新的縱向疇，由于退火時(shí)間為20 min，新生縱向疇來不及長大即空冷，且隨退火應(yīng)力場強(qiáng)度的增加，縱向疇的數(shù)目增多，最后形成了如圖7(d)所示的細(xì)小指紋疇，且這類疇結(jié)構(gòu)對(duì)磁場變化敏感，縱向磁化更容易達(dá)到飽和，因此GMI效應(yīng)的最大值對(duì)應(yīng)的磁場強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的增加而逐漸減小，如圖4所示，而各向異性場的改變和最大阻抗變化率的升高也使得靈敏度進(jìn)一步提高，如圖5所示。

圖7 不同退火狀態(tài)下薄帶的磁疇結(jié)構(gòu)Fig.7 Magnetic domain structure of ribbons after different annealing treatment: (a)0.4 A, (b)8.5 MPa, (c)16 MPa, (d)24.5 MPa

3 結(jié) 論

通過分析焦耳-應(yīng)力退火前后Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶的GMI效應(yīng)和磁疇演變，主要得到如下結(jié)論：

(1)經(jīng)焦耳-應(yīng)力退火后，薄帶的低頻GMI效應(yīng)得到有效提高。經(jīng)18 A/mm2的電流密度同時(shí)施加24.5 MPa拉應(yīng)力的焦耳-應(yīng)力退火后，薄帶材料的GMI效應(yīng)最強(qiáng)；0.4 MHz下的最大阻抗變化率達(dá)到47.6%，1MHz頻率下的磁場響應(yīng)靈敏度達(dá)到280.2%/(kA/m)。同時(shí)，隨焦耳-應(yīng)力退火改善了材料低頻下GMI效應(yīng)的磁滯，GMI曲線更光滑。

(2)磁疇分析表明，焦耳退火過程中拉應(yīng)力的施加改變了Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶磁疇結(jié)構(gòu)。焦耳退火使得這類Co基薄帶磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則、寬大的橫向條帶疇；而焦耳-應(yīng)力退火產(chǎn)生的綜合磁彈性場作用下，橫向條狀軸逐漸向薄帶縱向偏轉(zhuǎn)，并隨拉應(yīng)力增加條帶疇中逐漸衍生出了縱向指紋疇，改變了薄帶的各向異性，使得縱向各向異性逐漸增強(qiáng)，提高了縱向驅(qū)動(dòng)下GMI效應(yīng)的磁場響應(yīng)靈敏度。

致謝

感謝華東師范大學(xué)趙振杰教授、郭永斌博士和太原科技大學(xué)張克維教授、陳哲博士在阻抗測試和磁疇觀察中的協(xié)助。