Vybrané magnetické vlastnosti rýchlochladenej amorfnej zliatiny Fe85B15 vo vzťahu k štruktúre

02. Október, 2013, Autor článku: Kecer Ján, Elektrotechnika
Ročník 6, číslo 10 This page as PDF Pridať príspevok

p16341 _iconČlánok pojednáva o pôsobení zmien štruktúrnych vlastností rýchlochladeného amorfného feromagnetika Fe85B15 na jeho koercivitu (ako na jeden z dôležitých magnetických parametrov) počas procesu hydrogenácie a dehydrogenácie a snaží sa mechanizmus týchto zmien vysvetliť. Magnetické parametre vzorky boli určené meraním hysteréznych slučiek magnetometrom. Pomocou nich sme analyzovali deje prebiehajúce v amorfnom feromagnetiku počas procesu hydrogenácie a následnej dehydrogenácie.

2. Úvod do problematiky

Jednou z významných skupín materiálov využívaných v elektrotechnickom priemysle sú magneticky mäkké materiály, ktorých hlavným predstaviteľom sú transformátorové plechy a dynamoplechy. Pred niekoľkými desiatkami rokov boli vyrobené prvé rýchlochladené amorfné materiály, ktoré v niektorých oblastiach začali pomerne rýchlo konkurovať plechom. Niektoré magnetické vlastnosti týchto materiálov sú výrazne lepšie, ako u plechov (napr. premagnetizačné straty, alebo s hysteréznymi stratami úzko súvisiaca koercivita). No sú možnosti ďalšej úpravy štruktúrnych vlastností rýchlochladených amorfných materiálov tak, aby sa prejavili vylepšením ich magnetických vlastností, ktoré by ešte viac vyhovovali možnostiam ich využitia.

Medzi najčastejšie používané metódy na úpravy vlastností rýchlochladených amorfných materiálov možno zaradiť nasledovné: Úprava chemického zloženia (pridanie prímesí) [1,2] môže viesť k lepšej stabilite materiálu, ale znižuje sa Curieho teplota a magnetická polarizácia nasýtenia. Nastavením technologických parametrov prípravy, kde možno výrazne znížiť mieru vnútorných napätí (a tým aj koercivitu), ale dochádza k vytváraniu atómových zhlukov (clustrov) a tým sa znižuje stabilita materiálu [3,4]. Ďalším a často používaným spôsobom je tepelné spracovanie, pri ktorom sa odbúrava značná časť vnútorných napätí, ďalej pri aplikovaní vonkajšieho magnetického poľa alebo mechanického napätia a vyvolaním výhodnej anizotropie sa magnetické vlastnosti výrazne zlepšia [5,6].

Za špeciálnych podmienok žíhania amorfných drôtov sa dá dokonca vyvolať stav pri ktorom sa premagnetovanie realizuje kontrolovaným prechodom jednej doménovej steny [7,8]. Takto upravený drôt potom možno využiť v technologických aplikáciách napr. ako jednobitovú pamäť. Tepelné spracovanie rýchlochladených amorfných materiálov umožňuje difúziu atómov, ktorá môže viesť ku zhlukovaniu atómov (clusterizácii) a tým nevratne posunúť štruktúru materiálu bližšie ku amorfnokryštalickej transformácii. Pre vyvolanie prevažne vratných zmien v amorfnej štruktúre možno využiť elektrolytické vnášanie atomárneho vodíka do materiálu [9,10], čo bolo využité v tomto výskume.

Závislosť hodnôt magnetickej polarizácie J (resp. magnetickej indukcie B) od intenzity magnetického poľa H sa označuje ako premagnetizačná krivka, alebo hysterézna slučka (obr. 1). Väčšinu parametrov, ktoré charakterizujú feromagnetikum (magnetická polarizácia nasýtenia JS, koercivita HC, remanentná magnetická polarizácia JR, počiatočná a maximálna permeabilita, konštanta celkovej magnetickej anizotropie, prípadne jej časť, vyvolaná mechanickými napätiami, premagnetizačné straty) môžeme určiť z magnetizačných kriviek. Uvedené parametre, ktoré charakterizujú feromagnetický materiál z hľadiska možného technického využitia, majú úzku spojitosť s jeho fyzikálnym stavom a štruktúrou. Z tohto hľadiska bola vybraná koercivita, ako magnetická veličina, u ktorej možno očakávať značnú výpovednú hodnotu v oblasti štruktúry rýchlochladených amorfných feromagnetík.

p16341 _01_obr01
Obr. 1. Schematický nákres krivky prvotnej magnetickej polarizácie (čiarkovaná čiara) a hysteréznej slučky (plná čiara).

Usporiadanie atómov v amorfných látkach nevykazuje, na rozdiel od kryštalických materiálov, translačnú symetriu. No medzi usporiadaním na veľkú vzdialenosť a medzi úplnou neusporiadanosťou existuje veľa možností rôznych usporiadaní na malú vzdialenosť. Sú dve štruktúrne vlastnosti tejto skupiny materiálov, výrazne ovplyvňujúce magnetické parametre (ako napr. koercivitu) a to vysoká miera vnútorných napätí, ktoré sú vnesené do materiálu v procese prípravy a ďalej vytváranie atómových zhlukov (clusterizácia), ktoré vznikajú difúziou atómov sklotvorných prvkov (v našom prípade to je bór), ako príprava na kryštalizáciu metastabilného amorfného stavu. Vzhľadom na to, že v amorfných feromagnetikách absentuje kryštalografická anizotropia, stáva sa prioritnou magnetoelastická anizotropia.

3. Metodika merania

Použitý materiál Fe85B15 bol pripravený metódou rýchleho ochladenia taveniny, vo forme pások, v KFKI MTA v Budapešti. Na tom istom pracovisku bola kontrolovaná amorfnosť vyrobených pások rőntgenovou difraktografiou a ich zloženie bolo stanovené chemickou analýzou. V tabuľke 1 sú uvedené niektoré parametre vzorky, ako dĺžka (l), šírka (s), geometrický demagnetizačný faktor (Dg), magnetostrikcia (λS), Curieho teplota (TC) a magnetická polarizácia nasýtenia JS.

Tab.1 Vybrané parametre vzorky Fe85B15

Vzorka l (mm) s (mm) Dg.105 λS.106 [11] TC (K) [12] JS (T)
Fe85B15 104 11,8 9,50 33 595 1,371

Magnetické parametre vzorky boli stanovované magnetometrom, pracujúcim na princípe merania rozptylových polí vzorky. Pri štúdiu štruktúry a jej možnej modifikácie sa často využíva tepelné spracovanie amorfných materiálov. Nevýhodou tohto procesu sú nevratné zmeny v amorfnej štruktúre. Pre vyvolanie prevažne vratných zmien v amorfnej štruktúre sme sa rozhodli využiť elektrolytické vnášanie atomárneho vodíka do materiálu. Sledovanie procesu hydrogenácie a následnej dehydrogenácie prispieva tiež k poznaniu stability amorfných materiálov v prevádzkových podmienkach. Pri hydrogenácii bol použitý elektrolyt: 1N roztok H_2SO_4^+ 10mg/l + tiomočoviny. Použitý elektrický prúd bol 5mA/cm a doba vodíkovania bola 120min.

Priebeh experimentu bol nasledovný: Najprv bola podrobne zmeraná hysterézna slučka, z ktorej boli určené jednotlivé magnetické veličiny. Potom nasledovalo vodíkovanie, po ktorom bolo vykonané ďalšie meranie. Následne počas samovoľného odvodíkovania v pravidelných 30min intervaloch boli opäť merané hysterézne slučky.

4. Výsledky a diskusia

Na obrázku 2 je vynesený priebeh koercivity pri hydrogenácii a pri procese samovoľnej dehydrogenácie amorfnej pásky Fe85B15. Hydrogenáciou vzrastie hodnota HC zhruba o 300 %. Pri dehydrogenácii pozorujeme prudký pokles. Po niekoľkých hodinách dôjde k stabilizácii HC na vyššej hodnote ako bola pred hydrogenáciou. Dalo sa očakávať, že vnesením cca 230 ppm vodíka do vzorky sa zvýši úroveň vnútorných napätí a môžu sa ovplyvniť aj rozmery clustrov, no taký veľký nárast HC je neočakávaný, pokúsime sa ho vyšetriť.

U amorfných materiálov, vzhľadom na spôsob ich prípravy, je vysoká miera vnútorných napätí. V takomto prípade možno vziať do úvahy Kondorského napäťovú teóriu koercivity, vypracovanú pre prípad, kedy sú základnou príčinou magnetickej hysterézie feromagnetika vnútorné napätia (pôvodne bola vypracovaná pre čisté kovy a homogénne zliatiny s malým obsahom inklúzií) [16].

p16341 _02_obr02
Obr. 2. Priebeh koercivity zliatiny Fe85B15 počas procesu hydrogenácie a následnej dehydrogenácie.

Pre koercivitu vyvolanú nehomogénnym rozložením vnútorných napätí možno potom písať

H_C=p_{\sigma} \frac{3 |\overline{\sigma}| \lambda_S}{2 J_S} (1)

kde pσ je faktor disperzie nehomogenít vnútorných napätí, |\overline{\sigma}| je stredná hodnota vnútorných napätí, λS je koeficient magnetostrikcie nasýtenia a JS je magnetická polarizácia nasýtenia. Pre pσ platí

p_{\sigma}= \frac{3 (\delta_W/l_{nc})}{1+3(\delta_W/l_{nc})^2} (2)

pričom δW označuje hrúbku doménovej steny a lnc je stredný rozmer napäťových polí. Bolo by potrebné určiť priebeh niektorých ďalších veličín a to strednú hodnotu vnútorného napätia |\overline{\sigma}|, hrúbku doménových stien, prípadne aj stredný rozmer napäťových centier počas hydrogenácie a dehydrogenácie. Strednú hodnotu vnútorného napätia možno určiť z priebehu magnetoelastickej anizotropie Kσ

K_{\sigma} =\frac{1}{2} \lambda_S |\overline{\sigma}| = \frac{1}{2} F_{rm} (3)

Na obrázku 3b je zobrazený priebeh strednej hodnoty vnútorných napätí |\overline{\sigma}|, ktorý je rovnaký ako u Kσ. V danej amorfnej rýchlochladenej zliatine je veľká miera vnútorných napätí už v počiatočnom stave. Po hydrogenácii hodnota vnútorných napätí vzrastie približne 1,5 krát a v procese dehydrogenizácie exponenciálne klesne pod východzie hodnoty. To znamená, že proces hydrogenácie a následnej dehydrogenácie vedie u tohto materiálu k relaxácii vnútorných napätí.

p16341 _03_obr03a
(a)
p16341 _03_obr03a
(b)
Obr.3 Priebeh magnetoelastickej anizotropie Kσ a priebeh mechanických napätí |\overline{\sigma}| zliatiny Fe85B15 počas procesu hydrogenácie a následnej dehydrogenácie.

U amorfných rýchlochladených materiálov je nutné počítať aj so zmenami hrúbky doménových stien. Hrúbka doménových stien je ďalším parametrom, ktorý môže ovplyvniť veľkosť koercivity prostredníctvom faktora disperzie nehomogenít vnútorných napätí. Teda ďalšia veličina vystupujúca v Kondorského teórii a ktorej priebeh by mohol byť zaujímavý je hrúbka doménovej steny δW (obr. 4).

p16341 _05_obr04
Obr. 4. Hrúbka doménových stien

Pre hrúbku 180° steny možno napísať [14]

\delta_W= \sqrt{\frac{(AS^2 \Psi^2)}{(K_1 + 3/2 \lambda_100 \sigma)a}} (4)

kde A je výmenný integrál, pre ktorý platí A=0,1kTC, S je hodnota orientácie spinov (S=1), Ψ je uhol, ktorý zvierajú smery spontánnej magnetizácie v susediacich doménach (pre 180° stenu Ψ=π), k je Boltzmanova konštanta (k=1,38.10-23JK-1), TC je Curieho teplota vzorky, z je počet najbližších atómov (z=8), a je mriežková konštanta (pre α-Fe a=2,86.10-10m). Pre amorfné materiály, kde magnetokryštalická anizotropia je nulová a dominantnou je magnetoelastická anizotropia, môžeme v zhode s prácou [15] vzťah (4) upraviť nasledovne

\delta_W = \pi \sqrt{\frac{0,1kT_C}{K_{\sigma} a}} (5)

Vidíme, že napätia vnesené do vzorky hydrogenáciou menia hrúbku doménových stien a to je ďalší mechanizmus ktorým napätia prispievajú k nárastu HC. Jedinou neznámou z rovnice (1) ostala veľkosť napäťových centier. Na obr. 5. je znázornený priebeh zmien tejto veličiny. Pozorujeme, že stredný rozmer napäťových centier po navodíkovaní klesne a počas odvodíkovania narastá až na rozmer prevyšujúci počiatočnú hodnotu.

p16341 _06_obr05
Obr. 5. Veľkosť napäťových centier

5. Záver

Meranie koercivity a meranie klesajúcej vetvy hysteréznej slučky z ktorej bola určená magnetoelastická anizotropia sú štandardnými magnetickými meraniami. Napriek tomu výsledky týchto meraní môžu viesť k poznaniu takých štruktúrnych vlastností, ako je miera vnútorných napätí, veľkosť napäťových centier úzko súvisiaca s veľkosťou clustrov, ale aj hrúbka doménových stien. To umožňuje podrobnejšie popísať deje prebiehajúce v amorfnom feromagnetiku počas hydrogenácie a dehydrogenácie. V procese hydrogenácie materiálu Fe85B15 dochádza k rastu strednej hodnoty vnútorných napätí čo vedie

  • priamo k zvýšeniu koercivity,
  • ďalej k zníženiu hrúbky doménovej steny, čo taktiež vedie k zvýšeniu koercivity,
  • k stláčaniu clustrov, čo mierne znižuje koercivitu.

V procese dehydrogenácie materiálu Fe85B15 dochádza ku dvom súbežným procesom:

  • odchodom vodíka dochádza postupne k relaxácii vodíkom vyvolaných napätí,
  • vodíkom deformovaná „mriežka“ uľahčuje difúziu atómov bóru na krátku vzdialenosť, čo má za následok
    • zníženie miery vnútorných napätí vnesených do materiálu v procese prípravy,
    • zväčšenie atómových zhlukov, ktoré pôsobia ako napäťové centrá.

Poďakovanie

Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Tento článok bol vypracovaný v rámci projektu “Centrum excelentnosti integrovaného výskumu a využitia progresívnych materiálov a technológií v oblasti automobilovej elektroniky”, ITMS 26220120055.

Literatúra

  1. P. Vojtaník, R. Varga, J. Kravčák, A. Lovas: Mat. Sci. Engr. A226-228 (1997) 736-739.
  2. J. Ziman, J. Onufer, M. Kladivová: JMMM 323 (2011) 3098–3103.
  3. L. Novák, L. Potocký, A. Lovas, É. Kisdi-Koszó, J. Takács, J. Magn. Magn. Mat. 9 (1980), 149-151.
  4. S. Takayama, T. Oi, J. Appl. Phys. 50(1979), 1595.
  5. F. E. Luborsky, J. L. Walter, IEEE Trans. magnet. MAG-13, 2(1977), 1635.
  6. É. Kisdi-Koszó, L. Potocký, L. Novák, J. Magn. Magn. Mat. 15-18(1980), 1383.
  7. J. Ziman, M. Kladivová: JMMM 234 (2011) 529-534.
  8. J. Ziman, J. Onufer, M. Kladivová: Physica B 406 (2011) 3576–3582.
  9. L. Novák, J. Ziman, M. Kovaľaková, M. Kladivová: Acta Electrotechnica et Informatica, Vol. 12, No. 2, 2012, 72–75, DOI: 10.2478/v10198-012-0022-6
  10. M. Kladivová, J. Ziman, L. Novák, M. Kovaľaková: Acta Electrotechnica et Informatica, Vol. 13, No. 1, 2013, 65–69, DOI: 10.2478/aeei-2013-0014
  11. M. Hrabčák, Kandidátska dizert. práca, 1991.
  12. J. Kováč, L. Potocký, L. Novák, É. Kisdi-Koszó, acta phys. slov. 40(1990) 232.
  13. M. Kersten, Z. Phys. 82(1933), 723.
  14. E. Kneller, Ferromagnetismus, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1962,
  15. K. Handrich, S. Kobe, Amorphe Ferro – und Ferrimagnetika, Akademie – Verlag Berlin DDR, (1980), 82.
  16. E. J. Kondorskij, Ž. exp. teor. fiz., 7 pp. 1117, 1937

Napísať príspevok