介观结构对Fe基纳米晶合金磁性能影响的理论研究

论文摘要

Fe基纳米晶合金具有优异的软磁性能和巨磁阻抗（GMI）效应,为破解其优异的软磁性能人们进行了十分有效的实验研究,提出了多种晶化机理学说和众多理论解释,主要有Herzer的有效磁各向异性理论、纪松等人的双相无规磁各向异性模型,它们在解释合金优异软磁性能的物理起源和产生的原因上无疑是成功的,但无法解释目前已有的一些实验,特别是Sawa困惑和500-600℃退火的合金GMI比率峰值变化明显的原因。对此我们做了如下一些探索:1.根据用原子力显微镜对不同温度晶化的非晶薄带三维介观结构的观察,结合X射线衍射、M（?）ssbauer谱等实验结果,在前人理论研究基础上,对合金在不同温度下的晶化过程进行了系统的分析、研究,提出了两种Nb-B框架介观结构、团聚相和单位体积纳米晶粒平均数等新概念,建立了新的晶化机理假说和描述其晶化过程的介观织构模型。该模型能够演化成二相结构模型和三相互套结构模型。2.根据已有实验提出介观结构对其电磁性能有影响的观点,建立了球状介观结构模型,分别求出只有交变磁场或交变磁场和静磁场作用时纳米晶粒球的频率函数（D函数）。分析表明,两种D函数都是复变函数,其实部Re（D）为纳米晶电感性质和电容性质的反映,虚部Im（D）为纳米晶电阻性质的反映,据此建立了Fe基纳米晶合金介观结构的等效RLC并联模型。由该模型求得合金产生极值巨磁电阻的条件为决定因素有μ,σ,ω,R和（?）及微观磁结构。3.首次提出其介观阻抗率的物理概念,用Maxwell方程组求得其计算公式该式表明纳米晶的介观阻抗率与材料内部的介观磁场强度（?）、介观磁矢势（?）和介观磁导率μ有关,磁矢势（?）介观结构引起的量子力学效应,是由合金的微观结构决定的。这个理论很好地解释了铁基纳米晶粉末、粉芯磁阻抗的磁致频移特性和铁基纳米晶复合结构微丝巨磁阻抗的频致磁移特性。4.根据Fe基纳米晶粉末、粉芯的制作和GMI效应的测试,经过抽象提出解释Fe基纳米晶粉末GMI效应的理论模型。分析表明影响纳米晶粉末磁阻抗的根本因素是与纳米晶粒磁化场强度相关的D函数,决定D函数的因素为纳米晶粒的半径R、磁导率μ、电导率σ、外加直流磁场的大小Hex、外加交变磁场的角频率ω和幅值H0,μ、σ、ω、R之间的关系是相互影响、相互竞争、相互制约的。该模型可以解释Hex对Fe基纳米晶粉末磁阻抗频谱曲线的共振频率、共振幅值、灵敏度变化规律的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 巨磁阻抗效应简介
• 1.2.1 巨磁阻抗效应
• 1.2.2 巨磁阻抗材料制备及已有的实验结果
• 1.3 影响巨磁阻抗效应的因素
• 1.3.1 涡旋电流对GMI效应的影响
• 1.3.2 磁各向异性对GMI效应的影响
• 1.3.3 磁结构对GMI效应的影响
• 1.3.4 GMI效应与材料结构的关系
• 1.4 铁基纳米晶合金优异软磁特性产生机理
• 1.4.1 Herzer理论
• 1.4.2 双相耦合模型
• 1.4.3 现有理论的局限性
• 1.5 巨磁阻抗效应的理论计算
• 1.5.1 匀质铁磁材料中的GMI效应
• 1.5.2 复合结构材料中的GMI效应
• 1.6 论文的主要研究内容及意义
• 2 Fe基纳米晶合金的晶化机理研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 Herzer的有效磁各向异性理论
• 2.1.2 纪松等人的双相无规磁各向异性模型
• 2.1.3 方允樟等的三相互套结构模型
• 2.2 实验基础
• 2.2.1 Fe基合金薄带横断面的AFM观察
• 2.2.2 Fe基合金薄带的XRD图谱
• 2.2.3 Fe基合金薄带的M（?）ssbauer谱
• 2.3 介观织构模型的建立
• 2.3.1 富Nb-B框架结构、贫Nb-B颗粒（团聚相）
• 2.3.2 晶化机理假说
• i与单位体积纳米晶粒平均数的关系'>2.4 起始磁导率μ_i与单位体积纳米晶粒平均数的关系
• 2.4.1 有效磁各向异性（?）
• 2.4.2 影响有效磁各向异性（?）的因素
• i与单位体积纳米晶粒平均数的关系'>2.4.3 μ_i与单位体积纳米晶粒平均数的关系
• c的关系'>2.5 GMI比率最大值变化与单位体积纳米晶粒平均数N_c的关系
• 2.6 本章小结
• 3 介观结构对Fe基纳米晶合金薄带GMI效应的影响
• 3.1 引言
• 3.2 理论的实验基础
• 3.2.1 方允樟的实验
• 3.2.2 杨燮龙等人的实验
• 3.2.3 袁望治等人和王新征等人的实验
• 3.3 球、柱混合模型的建立
• 3.4 均匀谐变磁场中铁磁性导电球体产生磁场的分布规律
• 3.4.1 谐变电磁场的赫兹矢量（?）波动方程
• 3.4.2 均匀谐变低频磁场中铁磁性导电球体产生磁场的分布规律
• 3.5 均匀谐变低频磁场中铁磁性导电圆柱体产生磁场的分布规律
• 3.5.1 铁磁性导电圆柱体内、外的磁矢势
• 3.5.2 铁磁性导电圆柱体外的磁场分布规律及影响因素
• 3.6 介观结构对Fe基纳米晶合金GMI效应的影响
• 3.6.1 影响Fe基纳米晶合金介观磁场的因素分析
• 3.6.2 Fe基纳米晶合金薄带的频致磁移特性的机理
• 3.7 本章小结
• 4 铁基纳米晶合金介观结构的等效RLC并联模型
• 4.1 引言
• 4.2 实验基础
• 4.2.1 用AFM对Fe基纳米晶合金薄带的介观结构观察
• 4.2.2 Fe基纳米晶合金薄带的XRD衍射图谱
• 4.3 模型
• 4.3.1 根据实验结果作几点假设
• 4.3.2 模型及求解
• 4.4 铁基纳米晶合金介观结构的等效RLC并联模型
• 4.5 铁基纳米晶合金介观结构等效RLC并联模型的应用
• 4.5.1 在铁基纳米晶合金粉芯中的应用
• 4.5.2 在带绝缘层复合结构微丝GMI效应中的应用
• 4.5.3 在带绝缘层多层膜GMI效应中的应用
• 4.6 本章小结
• 5 铁基纳米晶合金的介观阻抗率及应用
• 5.1 引言
• 5.2 铁基纳米晶合金的阻抗率
• 5.3 铁基纳米晶合金的介观阻抗率
• 5.4 介观阻抗率的应用
• 5.4.1 GMI效应与纳米晶粒的磁导率和电导率有关
• 73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金粉末磁致频移特性的影响'>5.4.2 ν对Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉合金粉末磁致频移特性的影响
• 5.4.3 ν对铁基纳米晶复合结构微丝频致磁移特性的影响
• 5.5 铁基纳米晶合金介观阻抗率的修正
• 5.6 本章小结
• 6 介观结构对Fe基纳米晶粉末GMI效应的影响
• 6.1 引言
• 6.2 模型建立的根据
• 6.2.1 实验条件
• 6.2.2 赵振杰等的实验
• 6.3 模型
• 6.3.1 模型的抽象化处理
• 6.3.2 求解
• 6.4 介观结构对Fe基纳米晶粉末GMI效应的影响
• 6.4.1 影响Fe基纳米晶合金粉末GMI效应的介观因素
• 6.4.2 介观结构对Fe基纳米晶粉末GMI效应的影响
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间获奖的科研成果
• 攻读博士学位期间参加的科研项目