應(yīng)力退火Fe基納米晶薄帶橫向磁各向異性的介觀結(jié)構(gòu)研究

1、 4014 物 理 學(xué) 報(bào) 56 卷 響應(yīng) ,從而導(dǎo)致巨磁阻抗比值急劇隨外場(chǎng)變化 . 隨張應(yīng)力的增大 , 包裹晶粒的橫向優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚增 強(qiáng) ,范圍擴(kuò)展 ,使薄帶內(nèi)包裹晶粒之間的交換耦合作 用的橫向優(yōu)勢(shì)增強(qiáng) ,磁矩所受到的橫向約束力增大 , 即薄帶的橫向各向異性場(chǎng) Hk 增加 ; 與此同時(shí) , 非團(tuán) 聚的納米晶顆粒減少 , 也即能在低外場(chǎng) ( Hex < Hk 下對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)有響應(yīng)的自由納米晶顆粒的磁矩減 小 . 因此使得低外場(chǎng)作用 ( Hex < Hk 時(shí) ,阻抗比值減 小 ,即巨磁阻抗曲線下降 ,且 “平臺(tái)” 更加平坦 ; 另外 , 由于磁矩所受到的約束力增大 , 即樣品的磁各向異

2、性場(chǎng)增大 ,要抵消優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚的約束作用 ,使大部分納 圖8 外加張應(yīng)力 與 Hk 和 Kx 的關(guān)系曲線 米晶顆粒的磁矩對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)有所響應(yīng) , 則需要更 大的外磁場(chǎng) ,因此巨磁阻抗曲線的 “平臺(tái)” 變寬 . 由 此可見 ,外加張應(yīng)力退火 ,產(chǎn)生包裹晶粒的橫向優(yōu)勢(shì) 團(tuán)聚 ,這種橫向優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚導(dǎo)致納米晶顆粒之間的交 換耦合作用的橫向優(yōu)勢(shì) ,是外加張應(yīng)力退火使 Fe 基 納米晶薄帶感生橫向磁各向異性場(chǎng) Hk 的介觀結(jié)構(gòu) 機(jī)理 . 存在于薄帶自由面和貼輥面之間的顆粒尺寸差 異以及隨應(yīng)力變化的現(xiàn)象 , 主要由以下二個(gè)方面的 原因引起 : 第一方面的原因是 , 在 Fe2Cu2Nb2Si2B 合 金中 ,Nb

3、 原子的質(zhì)量和直徑比其他合金元素大得 多 ,由于 Nb 的質(zhì)量比其他合金元素大得多 ,Nb 的熱 運(yùn)動(dòng)慣性也就比其他合金元素大得多 , 而在單輥快 淬制備薄帶過程中 , 因?yàn)橘N輥面與自由面的冷卻速 度有差異 ( 貼輥面的冷卻速度大于自由面 導(dǎo)致凝固 速度的差異 , 會(huì)使熱運(yùn)動(dòng)慣性大的 Nb 向凝固速度 相對(duì)低的自由面區(qū)偏聚 , 結(jié)果使得 Nb 在薄帶中的 分布密度存在差異 自由面區(qū)的 Nb 分布密度大 于貼輥面區(qū)的 Nb 分布密度 ; 另外 , 由于 Nb 原子的 直徑比其他合金元素大得多 , 而且 Nb 與 B 有擇優(yōu) 相互作用 ,與 Fe ,Cu 有一定的排異作用 , 再加上 Nb 的熱運(yùn)

4、動(dòng)慣性等因素 ,使快淬制得的非晶薄帶中 ,形 17 ,18 成以 Nb 為中心的空穴 、 缺陷團(tuán) ( 群 微觀區(qū)域 , 這種以 Nb 為中心的空穴 、 缺陷團(tuán) ( 群 微觀區(qū)域可 稱之為 Nb 缺陷群 . 第二方面的原因是 ,非晶薄帶中 Nb 缺陷群 ,在較低的能量 ( 低于 2Fe ( Si 晶化驅(qū)動(dòng) 能 驅(qū)動(dòng)下 ,B 就會(huì)擇優(yōu)進(jìn)入 Nb 缺陷群 , 于是 Nb 缺 陷群轉(zhuǎn)變成 Nb2B 原子群 19 以估算出團(tuán)聚矢量磁耦合因子 ,列于表 4. 由于材料 的微觀環(huán)境有一定波動(dòng) , 導(dǎo)致了由微觀結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)計(jì) 算所得的團(tuán)聚矢量磁耦合因子 A x 有一定漲落 . 表3 外加不同張應(yīng)力退火的 Fe 基

5、納米晶薄帶的橫斷面結(jié)構(gòu) MPa 0 171 356 570 S g 10 - 9 m2 S 10 - 9 m2 Kx 2120 6160 1110 1413 2715 2715 2715 2715 01080 01240 01400 01520 表4 外加不同張應(yīng)力退火的 Fe 基納米晶薄帶的 團(tuán)聚矢量磁耦合因子 MPa 0 171 356 570 (103 A A x m 1160 1161 1145 1139 根據(jù)上述分析 , 納米晶薄帶的磁各向異性場(chǎng)與 薄帶內(nèi)包裹晶粒的橫向優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚有著密切的聯(lián)系 . 張應(yīng)力退火產(chǎn)生了沿薄帶橫向的包裹晶粒的優(yōu)勢(shì)團(tuán) 聚 ,這種優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚導(dǎo)致了通過界面非晶組分實(shí)

6、現(xiàn)的 晶粒之間的交換耦合作用的橫向優(yōu)勢(shì) , 在宏觀上表 現(xiàn)為橫向磁各向異性場(chǎng) Hk . 在縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)下 ,當(dāng)外 磁場(chǎng) Hex 小于樣品的橫向磁各向異性場(chǎng) Hk 時(shí) , 存在 橫向優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚的包裹晶粒 , 由于受到晶粒間交換作 用的橫向優(yōu)勢(shì)的約束 ,磁矩基本不動(dòng) ,對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng) 沒有靈敏的響應(yīng) , 只有部分未團(tuán)聚的自由納米晶顆 粒的磁矩對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)有響應(yīng) , 因此巨磁阻抗比值 變化很小 . 當(dāng)外磁場(chǎng)達(dá)到樣品的橫向磁各向異性場(chǎng) 時(shí) ,即外磁場(chǎng)作用足以抵消優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚的約束作用時(shí) , 才能使大部分納米晶顆粒的磁矩對(duì)縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)有所 ,同時(shí) Nb 缺陷群會(huì)在一 定的應(yīng)力作用下蠕變 , 在一定的 Nb 缺陷群密

7、度下 會(huì)使 Nb2B 原子群相互聯(lián)結(jié)成網(wǎng)格 (Nb2B 網(wǎng)格 . 這種 Nb2B 網(wǎng)格將整個(gè)非晶基體分隔成 AFM 圖 片所顯示的顆粒 , 如前所述 ,Nb 在薄帶中的分布是 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 7期 施方也等 : 應(yīng)力退火 Fe 基納米晶薄帶橫向磁各向異性的介觀結(jié)構(gòu)研究 4015 自由面區(qū)的密度大于貼輥面區(qū)的密度 , 導(dǎo)致自由面 區(qū)的 Nb2B 網(wǎng)格空間小于貼輥面區(qū)的 Nb2B 網(wǎng)格空 間 ,因而致使自由面區(qū)觀察到的顆粒尺寸小于貼輥

8、面區(qū)的顆粒尺寸 . 在外加張應(yīng)力作用下的顆粒團(tuán)聚行為 , 是由于 起分隔作用的 Nb2B 網(wǎng)格的組成單元是 Nb2B 原子 群 ,這種 Nb2B 原子群內(nèi) Nb2B 的相互作用比較強(qiáng) ,通 常以整體運(yùn)動(dòng)為主 , 在正常原子間隔的非晶基體中 這種 Nb2B 原子群由于體積比較大 , 不易移動(dòng) , 它只 能在間隙較大的通道中移動(dòng) . 在有張應(yīng)力作用時(shí) , 合金薄帶會(huì)發(fā)生形變 , 這種形變會(huì)引起材料內(nèi)部原 子間距的變化 ,在沿外加張應(yīng)力的方向上原子間距 要增大 ,而且這種原子間距增大的效果 ,在原子間相 互作用小的區(qū)域會(huì)大于原子間相互作用大的區(qū)域 , 顯然 , 由于 Nb ,B 與 Fe , Cu

9、有一定的排異作用 , 在 Nb2B 原子群與被 Nb2B 網(wǎng)格分隔開的非晶顆粒的交 界處是原子間相互作用最小的 ,因此 ,此處的原子間 距變化最大 ,并且在與外加張應(yīng)力垂直的方向上原 子間距增大最大 ,這就為 Nb2B 原子群提供了具有方 向性的移動(dòng)通道 . 隨著外加張應(yīng)力的增大 , 其他內(nèi) 應(yīng)力的作用就相對(duì)下降 , 這種與外加張應(yīng)力方向垂 直的 Nb2B 原子群通道就越通暢 、 越整齊 , 與外加張 應(yīng)力方向的垂直度也越高 ,因而導(dǎo)致了 AFM 圖片顯 示的包裹晶粒團(tuán)聚行為 ,隨著外加張應(yīng)力的增大 ,沿 外加張應(yīng)力垂直方向的團(tuán)聚越明顯 、 越整齊 ,團(tuán)聚優(yōu) 勢(shì)方向與外加張應(yīng)力方向的垂直度也越

10、高 . 隨著外 加張應(yīng)力的增大 , 包裹晶粒團(tuán)聚優(yōu)勢(shì)方向有轉(zhuǎn)向 x 軸的趨勢(shì) ,是由于在外加張應(yīng)力的作用下 ,薄帶在 x 軸和 y 軸方向上有一定的收縮應(yīng)變 , 并且由于在 x 軸和 y 軸方向的尺寸差異 ,致使 x 軸方向的收縮應(yīng) 變小于 y 軸方向的收縮應(yīng)變 , 隨著外加張應(yīng)力的增 大 ,這種收縮應(yīng)變的差異也增大 , 從而使 Nb2B 原子 群通道出現(xiàn)轉(zhuǎn)向 x 軸的趨勢(shì) ,因而導(dǎo)致了 AFM 圖片 顯示的包裹晶粒團(tuán)聚優(yōu)勢(shì)方向與 x 軸的夾角減小 . 關(guān)于以上理論的實(shí)驗(yàn)事實(shí)依據(jù) ,另文再詳細(xì)討論 . 41 結(jié) 論 11 張應(yīng)力退火使 Fe 基納米晶薄帶感生橫向磁 各向異性場(chǎng)的機(jī)理可以從介觀結(jié)

11、構(gòu)的角度作出解 釋 :張應(yīng)力退火產(chǎn)生了沿薄帶橫向的包裹晶粒的優(yōu) 勢(shì)團(tuán)聚 ,這種優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚導(dǎo)致了 Fe 基納米晶薄帶橫向 磁各向異性場(chǎng)的感生 . 21 隨張應(yīng)力的增大 , 優(yōu)勢(shì)團(tuán)聚越明顯 , 感生的 橫向磁各向異性場(chǎng)也增大 . 31 張應(yīng)力退火使 Fe 基納米晶薄帶感生橫向磁 各向異性場(chǎng)與納米晶團(tuán)聚矢量橫向結(jié)構(gòu)分量間存在 簡(jiǎn)單的關(guān)系式 . 1 Y oshizawa Y, Oguma S , Yamauchi K 1988 J . Appl . Phys . 64 6044 10 Liu J Y,Chen W Z ,Zhi Q Z 2005 Metallic Functional Materials

12、 12 5 (in Chinese 劉靜雅 、 陳文智 、 支起錚 2005 金 屬 功 能 材 料 12 5 2 Yang J X , Yang X L , Chen G,Jang K Y, Sheng G T 1998 Chin . Sci . Bull . 43 1051 11 12 13 14 15 16 17 Bensalah A D , Alves F , Barrue R , Simon F , Kane S N 2006 Sensors and Actuators A 129 142 3 Fu Y, Yang Z , Matsumoto M , Liu X X , Morisa

13、ko A 2006 Chin . Phys . 15 1351 Yang Q M , Wang L L , Sun D C 2005 Acta . Phys . Sin . 54 5730 (in Chinese 楊全民 、 王玲玲 、 孫德成 2005 物理學(xué)報(bào) 54 5730 Yang Q M , Wang L L 2005 Acta . Phys . Sin . 54 4256 ( in 4 Liu L P , Zhao Z J , Huang C X , Wu Z M , Yang X L 2006 Acta . Phys . Sin . 55 2014 (in Chinese 劉龍平

14、 、 趙振杰 、 黃燦星 、 吳 志明 、 楊燮龍 2006 物理學(xué)報(bào) 55 2014 5 Bao B H , Song X F , Ren N F , Li C S 2006 Acta . Phys . Sin . 55 3698 (in Chinese 鮑丙豪 、 宋雪豐 、 任乃飛 、 李長(zhǎng)生 2006 物理 Chinese 楊全民 、 王玲玲 2005 物理學(xué)報(bào) 54 4256 Wu G G, Wu D P , Zheng K H , Wei F L , Yang Z , Kamzin A S 2005 Chin . Phys 14 1238 Bahrami A , Madaah Ho

15、sseini H R , Abachi P 2006 Materials Letters 60 1068 Fang Y Z , Wu F M , Wu W H 2004 Chin . Sci . Bull . 49 1900 Y in J L , Y ou F Q , Gao G H , Wang J C 2003 Heat Treatment 18 16 (in Chinese 殷俊林 、 尤富強(qiáng) 、 高國(guó)華 、 王景成 2003 熱處理 18 16 18 Wang C J , Y ou F Q , Y in J L , Gao G H 2003 Shanghai Iron and Stee

16、l Research 3 (in Chinese 王景成 、 尤富強(qiáng) 、 殷俊林 、 高國(guó)華 學(xué)報(bào) 55 3698 6 He J , Guo H Q , Shen B G, He K Y, Liu Y H , Hu J F 1998 Chin . Phys . 8 208 7 8 Meng Q G,Li J G,Zhou J K 2006 Chin . Phys . 15 1549 Wang Z C , Yang X L , G ong F F 2000 Journal of f unctional materials and devices 6 25 (in Chinese 王宗篪 、 楊燮

17、龍 、 宮峰飛 2000 功能材料與器件學(xué)報(bào) 6 25 9 Hofmann B , Kronmuller H 1996 J . Magn . Magn . Mater . 152 91 2003 上海鋼研 3 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 4016 19 物 理 學(xué) 報(bào) 56 卷 Liu T , Xu X Z , Ma R Z , Ji S , Yang GB 1996 Journal of Materials Research 10 135 (

18、in Chinese 劉 濤 、 徐祖雄 、 馬如璋 、 紀(jì) 松、 楊國(guó)斌 1996 材料研究學(xué)報(bào) 10 135 Me so structure inve stigatio n of the transverse magnetic anisotropy field in stre s s2annealed Fe2ba sed nanocrystalline ribbo ns 3 Shi Fang2Ye1 Fang Yun2Zhang1 2 Sun Huai2J un1 Zheng Jin2J u1 Lin Gen2Jin1 Wu Feng2Min1 2 1 ( College of Physi

19、cs Mathematics and Information Engineering , Zhejiang Normal University , Jinhua 321004 , China 2 ( Institute of Physical Chemistry , Zhejiang Normal University , Jinhua 321004 , China ( Received 14 August 2006 ; revised manuscript received 5 December 2006 Abstract The mesostructure in Fe2based ( Fe

20、7315 Cu1 Nb3 Si1315 B9 nanocrystalline ribbons annealed under different stress ( FNRAS was investigated by observation of the cross section images of the ribbons with atomic force microscopy ( AFM and X2ray diffraction. The longitudinally driven giant magneto2impedance and transversal magnetic anisotropy field ( Hk were measured. The mechanism of the transversal magnetic anisotropy field can be explained by the mesostructure of the directional preference of crystalline grain ( coated with amor