Термостабильность структурных и динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент на основе железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

МОРОЗОВ ИГОРЬ ЛЕОНИДОВИЧ

ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ СТРУКТУРНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТ

НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005043813

Улан-Удэ-2012

1 7 МАЙ 2012

005043813

Работа выполнена на физическом факультете ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Защита состоится «30» мая 2012 г. на заседании диссертационного совета ДМ 212.022.09 при ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет (БГУ)» по адресу: 670000, г.Улан-Удэ, ул.Смолина, 24а, Главный корпус

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Бурятского государственного университета.

Автореферат разослан «27» апреля 2012 г.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Гаврилюк Алексей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Цыдыпов Шулун Балдоржиевич Бурятский государственный университет, г. Улан-Удэ

кандидат физико-математических наук Столяр Сергей Викторович,

Сибирский Федеральный университет, г. Красноярск

Ведущая организация:

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

В.М.Халтанова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного материаловедения является получение функциональных материалов с заранее заданными физическими характеристиками. Это в полной мере относится и к магнитострикцион-ным аморфным металлическим сплавам на основе переходных металлов. Такие материалы после проведения соответствующей обработки (как правило, термической или термомагнитной) обладают высокими значениями динамических магнитных и магнитоупругих характеристик, что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов различного рода датчиков деформаций, температуры и магнитного поля [1]. Аморфные металлические сплавы обладают уникальными магнитными и магнитомеханическими свойствами, которые превосходят свойства их кристаллических аналогов. Такими свойствами являются: высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание, большая величина магнитострикции [1-4]. Всё это даёт большие перспективы для использования аморфных металлических сплавов в различных областях промышленности и техники.

Аморфное состояние очень чувствительно к действию температуры. Увеличение температуры нагрева аморфных металлических сплавов на первоначальном этапе вызывает процессы структурной релаксации, сопровождающиеся изменением магнитных характеристик аморфного вещества. При более высоких температурах нагрева в аморфных металлических сплавах протекают процессы кристаллизации, приводящие к возрастанию уровня закалочных напряжений и возникновению кристаллографической анизотропии [4,5].

Среди наиболее широко исследуемых аморфных металлических сплавов особое место занимают быстрозакаленные ленты на основе железа, прошедшие термомагнитную обработку в вакууме. Такие ленты обладают высокими значениями магнитоупругих характеристик, которые намного превосходят магнитоупругие характеристики кристаллических плёнок на основе железа. Другим перспективным методом обработки, для получения высоких значений магнитных и магнитоупругих характеристик, может являться обработка поверхности аморфной металлической ленты лазерным излучением. Целью проведения лазерной обработки аморфной ленты является получение на ее поверхности периодических кристаллических структур, создающих плоскостные растягивающие напряжения и наводящих анизотропию с заданной ориентацией оси легкого намагничивания. Однако, до настоящего времени не существует каких - либо достоверных сведений о влиянии различных режимов лазерной обработки на магнитные свойства аморфных металлических лент. Причиной этого является большое число факторов, влияющих в процессе обработки на магнитные свойства аморфных лент. К таким факторам следует отнести, помимо плотности мощности лазерного излучения, режим работы лазера (непрерывный или импульсный), скорость и ориентацию движения лазерного пучка по поверхности образца, расстояние между обрабатываемыми участками и т.д.

Малоизученным остается вопрос, связанный с влиянием температуры на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент на основе железа, прошедших предварительную термомагнитную, лазерную обработку или обработку

электрическим током. Не исследован вопрос о том, насколько обратимыми являются процессы, протекающие при нагреве аморфной ленты, и как изменятся магнитные параметры образцов при их последующем охлаждении. В качестве наиболее удобных объектов для проведения исследований по влиянию температуры на динамические магнитные параметры быстрозакаленных лент представляются ленты составов Fe64Co21B15 и Fesl 5B,3.5Si3C2. Выбор лент данного состава связан с тем, что из-за существующих различий в температурах кристаллизации, структурные и магнитные параметры таких лент существенно различаются. Как следствие этого, значительно различается и степень влияния температуры нагрева таких лент на термостабильность их структурных и магнитных характеристик.

Процессы структурной релаксации и кристаллизации аморфных металлических лент сопровождаются перестройкой зонной структуры таких сплавов. Как следствие этого, изменяется величина работы выхода электронов с поверхности ленты. Такие изменения должны приводить к модификации снимаемых эмиссионных спектров электронов, в частности, спектра экзоэлектроннной эмиссии [6]. В связи с этим, значительный интерес представляет установление основных особенностей протекания процесса экзоэлектронной эмиссии в аморфных металлических лентах на основе переходных металлов в ходе их структурной релаксации и кристаллизации. Также актуальным представляется вопрос о возможности контроля структурных превращений в аморфных металлических лентах по изменению спектра экзоэлектронной эмиссии.

Цели и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена выявлению общих закономерностей влияния температуры на изменение структуры и динамических магнитных свойств аморфных металлических лент на основе железа, предварительно обработанных различными способами. Основными задачами проводимых исследований являлось:

• Создание температурной приставки для изучения влияния температуры нагрева на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент. Интервал температур нагрева от 20° до 350 С.

• Исследование структурных изменений аморфных металлических лент составов Fe64Co2IB15 и Fe815B,3 5Si3C2 под действием температуры методом экзоэлектронной эмиссии.

• Проведение сопоставления данных по изменению структуры аморфных лент, происходящих при нагреве, полученными методом экзоэлектронной эмиссии, с данными, полученными другими структурно-чувствительными методами.

• Исследование влияния температуры на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент составов Fe64Co2,B,5, прошедших предварительную термическую обработку и обработку постоянным электрическим током в магнитном поле.

• Разработка методики проведения лазерной обработки аморфных и нанокри-сталлических металлических лент на основе железа. Проведение выбора оптимальных параметров лазерного излучения для достижения оптимальных магнитных параметров аморфных металлических лент.

• Исследование зависимостей динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент от величины плотности мощности лазерного излучения и скорости движения лазерного луча по поверхности лент.

• Исследование температурных зависимостей динамических магнитных параметров аморфных металлических лент на основе железа, прошедших лазерную обработку.

Объекты исследования.

Аморфные металлические ленты составов Ре64Со21В15 и Ре5115В13^¡зСг, полученные методом быстрой закалки из расплава в ЦНИИ ЧЕРМЕТ им И.П. Бардина (Москва).

Величина константы магнитострикции составляла А5=(25-К35) 10" , намагниченности насыщения - М5=(1,3-Ч,8) 106А/м. Различный состав лент позволял варьировать величину поля анизотропии, наводимой в процессе предварительной обработки. Первоначально ось легкого намагничивания необработанных полосок, обусловленная эффектом анизотропии формы, была ориентирована вдоль их длины.

Образцы лент в виде узких полосок длиной 0,05м, шириной 0,0009-Ю,0011м и толщиной 25-К30 мкм перед проведением измерений подвергались следующим видам предварительной обработки:

В качестве режимов предварительной обработки использовалось:

1. Температурная обработка образцов на воздухе в течение 1 часа при фиксированной температуре в диапазоне 7,обр=20°С^360°С с последующим медленным охлаждением в печи. Относительная погрешность измерения температуры предварительной обработки образцов составляла не более 5%.

2. Обработка образцов на воздухе в течении 2 минут постоянным электрическим током в интервале плотностей_/ = 1,6107 А/м2^4,4-107 А/м2 при одновременном воздействии постоянного магнитного поля величиной 70 кА/м.

Целью проведения предварительной температурной обработки являлось снятие в исследованных лентах внутренних закалочных напряжений. Цель обработки лент обработки постоянным электрическим током в присутствии постоянного магнитного поля заключалась как в снятии внутренних напряжений, так и наведении в них одноосной анизотропии с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине полоски.

Лазерная обработку аморфных металлических лент проводилась на воздухе при непрерывном режиме работы твердотельного лазера (лазер Г-Ои-16-1, длина волны излучения А=1,6 мкм). Плотность мощности лазерного излучения изменялась от 0,7-108 Вт/м2 до 3,1-108 Вт/м2. Диаметр лазерного луча при продвижении по поверхности образца составлял около 0,1 мм. Скорость движения У1а, лазерного луча по поверхности образца изменялась от 500 мм/мин до 5000 мм/мин. Движение луча осуществлялось как в параллельном (параллельная лазерная обработка), так и в перпендикулярном направлении (перпендикулярная лазерная обработка) относительно длины полосок. В результате проведения лазерной обработки на поверхности исследованных образцов были получены периодические структуры, ориентиро-

ванные вдоль направления движения лазерного луча по поверхности ленты. Расстояние между обработанными участками 0,1 мм.

Схематично, полученные в результате лазерной обработки структуры, приведены на рис. 1. Вариация режимов лазерной обработки имела целью создание периодического рельефа, который обеспечивал бы чередование на поверхности металлической ленты аморфных и приповерхностно закристаллизованных областей. Предполагалось, что ориентация оси легкого намагничивания (ОЛН) образцов будет изменяться с изменением плотности мощности лазерного излучения и скорости движения лазерного луча по поверхности ленты.

Рис.1. Схематичное изображение структуры ленты, прошедшей лазерную обработку, а - направление движения лазерного луча параллельно оси прокатки ленты,

б — направление движения лазерного луча перпендикулярно оси прокатки ленты. 1- необработанные участки, 2 - участки, подвергнутые лазерной обработке.

Процесс термоциклирования аморфных металлических лент осуществлялся в диапазоне температур от 20° до 300°С со скоростью линейного нагрева 5°С/мин.

Научная новизна представленных в диссертации результатов заключается в следующем:

• При помощи метода экзоэлектронной эмиссии установлены основные закономерности протекания процессов кристаллизации в лентах составов Реб4Со21В15 и Ре815В1з 581зС2. Обнаружена корреляция между изменениями характеристик спектра экзоэлектронной эмиссии и динамических магнитных характеристик при увеличении их температуры нагрева. Данные об изменении структуры аморфных металлических лент, полученные методом экзоэлектронной эмиссии, находятся в согласии с данными, полученными другими структурно-чувствительными методами (дифференциальный термический анализ, ферромагнитный резонанс, мёссбауэровская спектроскопия, рентгеноструктурный анализ).

• Впервые проведено комплексное исследование влияния температуры на динамические магнитные характеристики аморфных металлических лент состава Ре64Со2]В15, прошедших различные режимы предварительной обработки. Выявлены общие закономерности изменения динамических магнитных характеристик под действием температуры.

• Наиболее важными факторами для формирования магнитных параметров аморфных металлических лент на основе железа являются размер образующихся кристаллитов, различие геометрических параметров аморфной и

кристаллической областей, разность их констант намагниченности, а также, ориентация оси легкого намагничивания относительно оси прокатки ленты.

• Установлено влияние различных режимов предварительной лазерной обработки на температурную стабильность аморфных металлических лент на основе железа. Наибольшее влияние на температурную стабильность лент оказывает скорость продвижения лазерного луча по поверхности ленты.

Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке и конструировании устройств современной электроники, высокотехнологичных и прецизионных датчиков, в которых в качестве чувствительных элементов используются магнитострикционные аморфные металлические ленты составов Fe^CoziBn и Fe815В13 5Si3C2. Проведенные в диссертации исследования позволяют судить о термостабильности магнитных свойств таких лент, прошедших различные виды предварительной обработки.

Установлена возможность надежного контроля стадий процесса кристаллизации аморфных металлических лент на основе железа методом фототермостимули-рованной экзоэлектронной эмиссии.

Продемонстрирована возможность целенаправленного управления параметрами быстрозакаленных ферромагнитных материалов путем проведения локальной лазерной обработки. Разработана методика проведения локальной лазерной обработки аморфных металлических лент на основе железа, при которой достигаются наиболее высокие значения динамических магнитных параметров.

Результаты проведенных исследований способствуют развитию представлений о взаимосвязи структурных превращений, происходящих при нагревании маг-нитострикционных аморфных металлических лент, прошедших предварительную обработку, с их динамическими магнитными характеристиками.

Защищаемые положения.

1. При переходе аморфных металлических лент составов Fe64C02iB15 и Fe815BI3 5Si3C2 в кристаллическую фазу, зависимость интенсивности экзоэлектронной эмиссии от температуры имеет максимумы, связанные как с изменением топологического и химического упорядочения их атомной структуры, так и с изменением энергии активации экзоэлектронов.

2. Наибольшие изменения температурной зависимости динамических магнитных параметров аморфных металлических лент состава Fe64Co2iBi5, прошедших различные виды предварительной обработки, проявляются при первом цикле "нагрев-охлаждение" в интервале температур 20°-300°С. При приближении температуры нагрева к 300°С в аморфной ленте заканчивается релаксация внутренних напряжений и разрушение наведенной одноосной анизотропии. Последующее охлаждение ленты до комнатной температуры приводит к направленному упорядочению пар атомов и стабилизации доменных границ.

3. При температурах нагрева меньших температуры кристаллизации, температурные зависимости намагниченности насыщения аморфных металлических лент состава Fe64Co2iBi5, могут быть описаны в рамках модели молекулярного поля с

учетом флуктуаций параметра эффективного обменного взаимодействия, подчиняющегося распределению Гаусса. Величина дисперсии эффективного обменного взаимодействия уменьшается с увеличением температуры нагрева аморфной ленты состава Fe64Co2iB15i что обусловлено уменьшением константы локальной магнитной анизотропии.

4. Циклическое изменение температуры нагрева аморфных металлических лент составов Fe64Co2iB15 и Fesl 5Bi3 5Si3C2, прошедших предварительную лазерную обработку при различных скоростях продвижения лазерного луча по поверхности, приводит к возникновению гистерезиса их динамических магнитных параметров. Причиной возникновения гистерезиса являются магнитоупругое и магнитостатиче-ское взаимодействия аморфных и закристаллизованных участков ленты. Гистерезис тем значительнее, чем ниже скорость продвижения лазерного луча по поверхности образца и температура кристаллизации аморфной металлической ленты.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (г. Томск, ИФПМ СО РАН, 2006г.); Н-ой Всероссийской конференции "Безопасность и живучесть технических систем" (г. Красноярск, ИВТ СО РАН, 2007г.); XV-ой Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов "Физика конденсированного состояния" (г. Гродно, ГГУ, 2007г.); VII-ой Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», (г. Воронеж, ВГТУ, 2007г.); XI-ой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2007г.); Всероссийской научно-практической конференции «Научный поиск: парадигмы, проекции, практики» (гг. Братск-Иркутск, ИГУ, 2007г.); 5-ой Международной научной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование» (Республика Казахстан, г. Алматы, КазНУ, 2007г.); 3-й Байкальской международной научной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии" г. Иркутск, ИГПУ, 2008г.; Moscow International Symposium on Magnetism (г. Москва, МГУ, 2008г.); V-ом Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (ФММС-5) (г. Воронеж, ВГТУ, 2008г.); XI-ой Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (г. Иркутск, ИФ ИЛФ СО РАН, 2008г.); ISTMAG 2010; Joint European Magnetic Symposia JEMS 23-28 August 2010. - Krakow, Poland; IV - Байкальской международной конференции "Магнитные Материалы. Новые технологии", г. Иркутск, 21-25 сент. 2010г.; XXII Международной научной конференции "Релаксационные явления в твердых телах", г. Воронеж 14-17 сент. 2010г.; IV - Всероссийской конференции по наноматериалам "НАНО 2011", г. Москва, ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, 1-4 марта 2011 г; The European Conference "PHYSICS OF MAGNETISM" 2011. 27- July 1, 2011. - Poznan, Poland; 5- th "Moscow International Symposium on Magnetism" (MISM-2011), MSU, August, 21-25 2011. - Moscow; 9-я международной научно-технической конференции "Современные Металлические Материалы и

х'ехнологии" (CMMT'll) 22-24 июня 2011г. Санкт-Петербург, 2011; International Conference "Functional Materials - 2011" October 3 - 8, 2011, Crimea, Ukraine.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2011г.)» (проект РНП.2.2.1.1/3297) и темпланов ИГУ (2000-2012 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, из которых 4 работы опубликовано в журналах из перечня ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автор работы принимал непосредственное участие в постановке задач по теме исследований, создании установки для исследования влияния температуры на динамические магнитные характеристики аморфных металлических сплавов. Автор работы модернизировал установку по измерению экзоэлектрон-ной эмиссии применительно к аморфным металлическим сплавам (по методике к.т.н. Векслера A.C.). Все экспериментальные результаты, представленные в работе, получены лично автором. Автор принимал участие в теоретической интерпретации полученных результатов, разработке модельных представлений, а также, в написании и редактировании научных публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 171 наименования. Диссертация изложена на 129 печатных страницах, содержит 53 рисунка и 3 таблицы.

Краткое содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы исследований. Сформулированы цели и задачи исследования, приведены защищаемые положения, показаны новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание работы.

В 1-й главе проведен аналитический обзор работ по исследованию влияния температуры на структурные и магнитные свойства аморфных металлических лент. Рассмотрены вопросы, связанные с влиянием температуры на основные магнитные параметры магнитомягких ферромагнетиков (намагниченность насыщения, коэрцитивную силу, поле анизотропии, константу магнитострикции и т.д.). Кратко рассматриваются вопросы, связанные с динамическим перемагничиванием таких материалов и возможностью применения модели Прая - Бина к аморфным металлическим лентам [7]. Даётся краткое описание физических основ метода экзоэлектрон-ной эмиссии и возможности его применения для контроля структурных изменений аморфных металлических сплавов [6]. На основе изложенной информации поставлены задачи исследования.

Во 2-й главе приведены сведения об исследуемых аморфных металлических лентах и методах их предварительной обработки. Приводится описание установки и методика измерения динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент индукционным методом. Представлены основные технические характеристики установки по измерению динамических магнитных характеристик в широком интервале температур нагрева. Рассматриваются устройство и принципы работы

установки по изучению температурных зависимостей спектра экзоэлектронной эмиссии.

Глава 3 посвящена изучению закономерностей протекания процесса фото-термостимулированной экзоэлектронной эмиссии (ФТСЭЭ) в аморфных металлических лентах составов Fe64Co2iB15 и Fe815В13 5Si3C2. Установлены температурные зависимости интенсивности выхода экзоэлектронов при различных режимах нагрева аморфных металлических лент. Температура нагрева образцов изменялась от 20° до 730 °С. Скорость линейного нагрева лент варьировалась от 5° до 60 °С/мин. Исследовано влияние предварительной термической обработки аморфных лент на спектр экзоэлектронной эмиссии. Проводится обоснование возможности контроля процесса кристаллизации аморфных металлических лент методом экзоэлектронной эмиссии. Полученные результаты подтверждаются данными об изменении структуры аморфных металлических лент при их нагреве методами дифференциального термического анализа, ферромагнитного резонанса, мёссбауэровской спектроскопии и рентгеност-руктурного анализа.

Показано, что на температурных зависимостях спектра экзоэлектронной эмиссии ленты состава Fe64Co21B15 при выбранных режимах фотостимуляции и относительно низких скоростях линейного нагрева (5°-К>5°С/мин) наблюдались два характерных максимума (рис.2). Как показывают проведенные структурные исследования, первый максимум интенсивности выхода экзоэлектронов в температурном интервале от 300° до 450°С соответствует приповерхностной стадии кристаллизации ленты, второй максимум интенсивности в температурном интервале от 450° до 580 С соответствует объемной кристаллизации ленты. При высоких скоростях линейного нагрева (50°-60°С/мин) на зависимости интенсивности выхода экзоэлектронов от температуры нагрева ленты состава Fe64Co2iB15 имеется только один максимум, свидетельствующий о том, что кристаллизация протекает в один этап (рис.3).

1.00

Рис. 2. Температурные зависимости отношения величины тока экзоэлектронной эмиссии / к его максимальному значению /т„ (1) и приведенной величины электрического сопротивления (2) аморфной металлической ленты состава Реб4Со2,В15.

Рис. 3. Температурные зависимости отношения величины тока экзоэлектронной эмиссии I к его максимальному значению /т„ ленты состава Fe6jCo2iBi5 при скоростях линейного нагрева 5(1), 10 (2), 15 (3),20 (4), 40 (5) и 60 °С/мин (6).

Проведена оценка энергии активации выхода экзоэлектронов в предположении, что интенсивность их выхода пропорциональна скорости изменения концен-

трации эмитирующих центров. На первой стадии крсталлизации исследованной ленты энергия активации составляет 1-1,5эВ, а на второй стадии 2,6-3,0эВ.

Установлены изменения спектральных зависимостей ФТСЭЭ от длины волны стимулирующего излучения до проведения температурной обработки ленты Ре64Со21В15 и после нее (рис.4). В результате проведения термической обработки ленты происходило увеличение интенсивности выхода экзоэлектронов по сравнению с исходным образцом во всем исследованном диапазоне длин волн стимулирующего излучения, независимо от выбора режима термообработки. Рост интенсивности выхода экзоэлектронов тем значительнее, чем больше время изотермической выдержки ленты. Наиболее значительное увеличение интенсивности выхода экзоэлектронов, в результате проведения предварительной термической обработки, наблюдается для аморфной металлической ленты, проходящей этап начальной стадии кристаллизации. /■»

Рис.4. Спектральные зависимости относительной величины тока экзоэлектронной эмиссии I ленты состава РеыСолВи. 1 - исходный образец, 2 -образец, подвергнутый термической обработке в вакууме при Т=700°С.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Рост интенсивности выхода экзоэлектронов обусловлен изменением работы выхода с поверхности сплава. Можно предположить, что возможной причиной изменения работы выхода экзоэлектронов при первых двух режимах термической обработки сплава является рост уровня внутренних напряжений в образце при протекании в нем процессов кристаллизации. Рост интенсивности экзоэлектронов при изотермической выдержке при Т=200°С на воздухе может быть связан с протеканием на их поверхности процессов окисления. При термической выдержке при комнатной температуре происходит релаксация внутренних напряжений, возникающих в процессе кристаллизации, и, как следствие этого, уменьшение интенсивности ФТСЭЭ. Оценка величины ДЕ изменения работы выхода экзоэлектронов может быть проведена из соотношения:

ДЕ

Л 1

Л1

где с - скорость света, А„, - среднее значение длины волны стимулирующего излучения при одинаковом уровне интенсивности выхода экзоэлектронов для исходного и термически обработанного образцов. При нагреве до Т=700°С ленты состава Ре64С021В,5 при Я,„=300нм, изменение ДЯ составляет 20нм, что соответствует уменьшению Е на 0,25эВ по сравнению с необработанным образцом. Нагрев до Г=420°С при Яш=280нм ведет к уменьшению Е на 0,60 эВ, а изотермическая выдержка на воздухе при Т=200°С в течение 200 часов уменьшает Е на 0,20 эВ.

Проведение предварительной изотермической выдержки при температуре 180°С в течении 60 минут приводит к уменьшению интенсивности и расщеплению первого пика на температурной зависимости экзоэлектронной эмиссии (рис.5). Первый пик расщепляется на два подпика с максимумами при температурах нагрева 340°С и 380°С. Уменьшение интенсивности первого пика после проведения предварительной изотермической выдержки может быть связано с возникновением более равновесной структуры материала в результате протекания в ленте процессов структурной релаксации. Расщепление первого пика может быть обусловлено разделением по температуре образования различных кристаллических фаз.

На основании анализа температурной зависимости ФТСЭЭ выявлен характер структурных изменений, происходящих в аморфных металлических лентах составов Реб4Со21В15 и Ре^В^^зСг в процессе их кристаллизации. Определена структура образующихся кристаллических фаз. По данным, полученных другими хорошо апробированными структурно-чувствительными методами (мёс-сбауэровская спектроскопия, рент-геноструктруный анализ (рис.6), дифференциальный термический анализ, ферромагнитный резонанс), показано, что метод экзоэлектронной эмиссии является надежным методом контроля процесса кристаллизации аморфных металлических лент на основе железа.

Рис.5. Зависимость интенсивности / экзоэлектронной эмиссии от температуры Т при линейном отжиге ленты состава Ре64Со21В]5 (скорость нагрева гоРС/мин).

. Г-С^СЦК: ГгйСй>.В ОЦТ: I® <Гь~о),Б сцт!

г • 480-С _-

1 Л 400-С

, 350°С л_

— 300" с *

атогрЬоив

50 60 28, град

Т^^ПП^гуу-у-

"АлЛГАлГ"

.8 В

V, мм/с

Рис. 6. Дифракгограмма (а) и мессбауэровские спектры (б) аморфной металлической ленты состава Ре61Со21В15. прошедшей предварительную термическую обработку при различных температурах.

Глава 4 посвящена температурным исследованиям динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент состава Ре^Сс^В^, прошедших предварительную термическую обработку и обработку постоянным электрическим током на воздухе в присутствии постоянного магнитного поля.

В § 4.1 изучалось влияние циклического изменения температуры в диапазоне от 20° до 300°С на динамические магнитные характеристики таких лент. При проведении термической обработки в аморфных металлических лентах состава Ре64Со21В,5 при температурах меньших, чем температура кристаллизации, протекает два процесса связанных с механизмами структурной релаксации:

- процесс релаксации внутренних закалочных напряжений (наиболее значительно этот процесс должен отражаться на величине остаточной индукции, так как релаксация внутренних напряжений сжимающего типа приводит к уменьшению компоненты намагниченности перпендикулярной плоскости ленты и увеличению компоненты намагниченности в плоскости образца);

- процесс стабилизации доменных границ.

Интенсивность протекания этих процессов будет влиять на температурные зависимости магнитных характеристик исследованных лент при динамическом пе-ремагничивании.

охлаждении (б)

б

Рис. 7. Зависимость Вг(Т,Тобр) в первом цикле "нагрев-охлаждение" при нагреве (а) и ленты состава Реб4Со2|В,5, прошедшей предварительную термическую обработку.

Изменение температуры нагрева ленты в процессе измерений в интервале от 20°С до 300°С не меняет качественный вид петли гистерезиса. Вместе с тем, относительно высокие значения коэрцитивной силы позволяют говорить о том, что лента предварительно обработанная при Тобр=360°С, находится в кристаллическом состоянии Это подтверждается ранее описанными структурными исследованиями.

На зависимости Вг(Т,Тобр), в процессе нагрева ленты при первом цикле «на-грев-охлавдение» имеется несколько характерных участков (рис.7а). Участок на котором происходит рост остаточной индукции В, с ростом Тобр в интервале от 20 С до 250°С связывается с процессами стабилизации доменных границ за счет протекания в атомной структуре ленты направленного упорядочения пар атомов Fe и Со.

Уменьшение Вг с увеличением температуры в интервале Тобр - ¿50 -3UU ь в процессе предварительной обработки можно связать с ростом интенсивности релаксации внутренних напряжений.

Дальнейший рост Вг ленты в интервале Тобр = 300°-350°С можно связать с протеканием процессов кристаллизации. При этом уровень внутренних напряжении в ленте возрастает, и как следствие этого, возрастает величина остаточной индукции

При увеличении Т в интервале 20°-300°С в ходе измерения магнитных параметров аморфной ленты, прошедшей предварительную термическую обработку, изменения величины Вг наиболее заметны у лент, обработанных при относительно

низких температурах (ТоЪр~ 50 - 200 С).

Наиболее существенное влияние на величину Нс оказывает температура предварительной обработки То6р{рис.8). Рост Тобр до 260°-300°С приводит к росту Н благодаря процессам стабилизации доменных границ. Значительное увеличение Нс наблюдается в интервале Го5р=300°-360°С. Такое изменение Нс связывается с протеканием процесса кристаллизации. Если процесс кристаллизации аморфной ленты осуществляется через образование нанокристаллитов диаметром ¿<100 нм, то Н ~ct Если диаметр образовавшихся кристаллитов превышает 100-150 нм, то Н ~dx Если же ¿<20-30 нм, то величина Нс практически не зависит от d в связи с суперпарамагнитным состоянием образующихся кристаллитов. В связи с этим, рост Т - в интервале от 50°С до 260°-300°С не приводит к заметным изменениям величины^ а рост Тобр выше 300°С приводит к увеличению коэрцитивной силы ленты.

Для лент, предварительно обработанных при То6р=Ш°С, с ростом температуры измерений магнитных параметров наблюдается рост Нс.{на 20-30% отности-тельно Т - =300°С), что можно объяснить двумя причинами:

1 Нагре'в'аморфной ленты, проходящей начальные стадии кристаллизации даже до сравнительно низких температур, вызывает увеличение размера кристаллитов. 2. Нагрев активирует процессы изменения ближнего порядка в атомной структуре

прослойки «нанокристаллит - аморфная матрица».

В первом случае охлаждение таких лент до комнатной температуры не должно было бы приводить к изменению величины Нс. Однако, как следует из рис.8б, в процессе охлаждения ленты величина Нс значительно уменьшается (до значении меньших чем у исходного образца). При этом, при проведении второго и третьего цикла "нагрев - охлаждение" у лент, предварительно обработанных при высоких

Тобр, качественный ход зависимости НС(Т) практически не изменяется. Это позволяет предположить, что основной причиной роста Нс у таких лент является термоак-тивационный механизм, связанный с процессами перестройки ближнего упорядочения в атомной структуре прослойки «нанокристаллит - аморфная матрица».

б

Рис. 8. Зависимость ЩТД"„бр) в первом цикле "нагрев- охлаждение" при нагреве (а) и охлаждении (6) ленты состава РемСог.В^, прошедшей предварительную термическую обработку.

Нанокристаллические металлические материалы состоят из практически идеальных бездефектных кристаллитов и межкристаллитной прослойки. Структура прослойки такова, что в ней отсутствует не только дальний, но и ближний порядок в расположении атомов. При этом атомы в прослойке в виду ее низкой плотности обладают высокой подвижностью. То же можно сказать о переходной области нанокристаллит - аморфная матрица. Так как доменные границы в ленте, содержащей нанокристаллиты, будут проходить через прослойки, то увеличение температуры нагрева образца приведет к усилению взаимодействия между диффундирующими атомами и доменными границами. Это, в свою очередь, приводит к увеличению поля смещения доменной границы, и, как следствие этого, к росту Нс ленты.

Целью приложения постоянного магнитного поля, перпендикулярного длине аморфной металлической ленты, в процессе предварительной обработки постоянным электрическим током, являлось наведение более однородной анизотропии (по сравнению с лентами, прошедшими обработку только постоянным электрическим

током). Предполагалось, что такая обработка позволит уменьшить толщину переходной области между приповерхностными областями ленты с антипараллельным распределением намагниченности, а наводимое в процессе обработки поле анизотропии ленты будет выше, чем при ее обработке только постоянным электрическим током.

Рис. 9. Зависимость ВГ(Т\]) в первом цикле "нагрев-охлаждение" при нагреве (а) и охлаждении (б) ленты состава Реб4Со21В]5, предварительно обработанной электрическим током в постоянном магнитном поле.

Зависимость ВГ(Т',}) при нагреве ленты имеет немонотонный характер (рис.9), а одноосная анизотропия с осью легкого намагничивания перпендикулярной длине ленты наводится при плотности постоянного тока обработки т>(4^4,5)-107А/м2, когда достигается минимальное значение Вг. Наиболее низкое значение остаточной индукции при таких плотностях постоянного электрического тока обработки свидетельствует о том, что в ленте основную роль начинают играть процессы поворота намагниченности. При более низких значениях} высокое значение Вг свидетельствует о превалирующем вкладе процессов смещения доменных границ в процесс намагничивания образца. Процесс разрушения наведенной одноосной анизотропии носит необратимый характер. Наведенная анизотропии в исследованных лентах не восстанавливается в результате охлаждения образца. Более того, В, лент, прошедших обработку постоянным электрическим током при повторном цикле "нагрев-охлаждение" остается достаточно высокой, что также свидетельствует об отсутствии в образцах наведенной одноосной анизотропии.

Рис. 10. Зависимость ИС(Т,]) при первом цикле "нагрев-охлаждение" а - при нагреве, б - при охлаждении ленты состава Реб4С02]В|5, предварительно обработанной электрическим током в постоянном магнитном псше.

Коэрцитивная сила лент, прошедших обработку постоянным электрическим током в присутствии магнитного поля, при нагреве (рис. 10а) остается меньшей по сравнению с образцами, прошедшими температурную обработку. Данное обстоятельство связывается с тем, что хотя однородная одноосная анизотропия в ленте наводится лишь приу>(4-^4,5)Т07А/м2, при более низких_/' наводится некоторая преимущественная ориентация в распределении намагниченности. Это связано с тем, что ось легкого намагничивания, перпендикулярная длине ленты, наводится только на ее поверхностях, а в серединной области она ориентирована вдоль длины полоски. Как следствие этого, вклад в величину Нс дают области, в которых происходит смещение доменных границ.

Таким образом, значительные различия в зависимостях остаточной индукции и коэрцитивной силы от температуры нагрева для аморфных металлических лент состава Ре64Со21В15, прошедших предварительные температурную обработку и обработку постоянным электрическим током в присутствии магнитного поля, проявляются лишь при первом цикле "нагрев-охлаждение". Подобное поведение обусловлено конкурирующим действием различных процессов при проведении предварительной обработки аморфных металлических лент: процессами структурной релаксации, протеканием процессов направленного упорядочения пар атомов и процессов кристаллизации.

В § 4.2 представлены результаты моделирования температурной зависимости намагниченности насыщения в аморфных металлических лентах состава Fe64Co2iB.l5 на основе положений теории молекулярного поля с учетом дисперсии обменного взаимодействия.

Для объяснения температурной зависимости намагниченности насыщения исследованных лент будем считать, что их магнитная подсистема описывается гамильтонианом Гейзенберга:

Я = — £ /(Л, R')S{K)SUV) - X D(R)(Sz (Л))2 - (R) С1)

2 RK R я

Здесь I(R,R')- обменное взаимодействие между спинами, расположенными в точках R и S(R), SZ(R) - оператор спинового момента в точке Д и его z компоненты соответственно, D(R) - константа локальной магнитной анизотропии, h -магнитное поле, которое в дальнейшем будем считать равным нулю, g - фактор

Ланде, /ив - магнетон Бора.

В модели молекулярного поля [8,9] температурная зависимость намагниченности системы ферромагнитных атомов, описываемой гамильтонианом (1), определяется из решения следующего уравнения:

M = MsBs(x), (2)

где Ms - намагниченность насыщения при Г=0К, Bs(x) - функция Бриллюэна, записываемая в виде:

Г \ 2S ) 2S \2S )_

BJx)-

2 S

Здесь _РКффм , Д - среднее значение магнитного момента, приходящееся на

* к,Т

атом, 1,фф- эффективное значение константы молекулярного поля. Введение эффективного значения константы молекулярного поля Х,фф об условлено неоднородностью рассматриваемой системы (различием величин обменных интегралов и т.д.).

(4)

I (Д)- эффективный флуктуирующий обменный интеграл, включающий эффекты,

связанные с влиянием локальной магнитной анизотропии. Если флуктуации обменного взаимодействия описываются нормальным гауссовым распределением, то уравнение (2) для определения температурной зависимости намагниченности можно записать в виде:

= (5)

Здесь = ЩМ_, - , Тс - температура Кюри, = (д/,2^(й)) - квадрат отно-

квТ Я = М,Ж5 +1) =(/,«(Л))2

сительного значения дисперсии эффективного обменного интеграла, которое может принимать значения от 0 до 1. Среднее значение параметра обменного взаимодействия 1о=(1 (К)у

Параметр 6 является функцией Т так как значение константы локальной маг-штной анизотропии В зависит от температуры и стремится к нулю, когда Т приближается к Тс- Изменение 10 с ростом Т не столь значительно и связано с процес-;ами структурной релаксации и кристаллизации, протекающими в аморфной ленте фи нагреве. Для расчета температурной зависимости ё используем экспериментальные данные по изменению намагниченности с температурой для аморфной металлической ленты состава Ре64Со21В15, предварительно обработанной при темпера-1 -уре Г=250°С. Численное решение уравнения (5) относительно <5 изображено на рисунке 11. Решение уравнения (5) проведено относительно намагниченности М. Результаты решения уравнения (5) для различных значений д показаны на рисунке 12. При проведении расчетов использовались следующие значения параметров материала: 4=1.75 Тл,^!, Тс=460°С, д = 0.85-(0.64^+0.21аСо),^=2.2^,//со=1-7^[Ю].

Предположение о температурной зависимости дисперсии эффективного обменного взаимодействия позволяет объяснить наблюдаемые изменения намагниченности ленты состава в широкой области температур нагрева. Отклонение от расчетной кривой последних экспериментальных точек может быть связано с кристаллизацией, так как температура кристаллизации ленты состава Fe64Co2iB|5 составляет т « 360 - 420°С и ниже ее температуры Кюри Тс = 440 -460°С (температура кристаллизации показана на рис. 12. пунктирной линией).

В главе 5 приведены результаты исследований влияния режимов предварительной лазерной обработки на динамические магнитные характеристики аморфных металлических лент составов Fe64Co2iB|5 и Fe815В13 5Si3C2.

В § 5.1 исследуется влияние на остаточную индукцию, коэрцитивную силу и дифференциальную магнитную проницаемость направления и скорости продвижения лазерного луча по поверхности аморфных металлических лент состава

Рис. 11. Температурная зависимость относительной дисперсии эффективного обменного взаимодействия 5. Д - точки, полученные из эксперимента для аморфной металлической ленты состава Реб^оцВ^; сплошная линия - расчет в рамках модели молекулярного поля.

Рис. 12. Температурная зависимость относительной намагниченности насыщения для различных значений 5.

Ре64Со21В,5. Установлено влияние режимов лазерной обработки на чувствительность динамических магнитных параметров аморфной ленты состава Ре64Со21В15 к действию упругих растягивающих напряжений.

Обработка лент состава Ре64Со2,В15 в непрерывном режиме работы лазера при продвижении луча перпендикулярно длине полоски приводит к уменьшению остаточной индукции и дифференциальной магнитной проницаемости относительно | необработанного образца. При этом коэрцитивная сила лент возрастает (рис. 13).

И !

.,-4-Я

-10СС -ООО

. 13 5'10*П( 20.4-10® П:

- »о спа6 а

1000 1500

б

!..... а

~ 0.8-10» П> — ~ 47-10» Па

! 20.4-10« П, ...... 40.0*10» Л« ...

С.......

|

— ов-ю6п» - 2.8-10» П» - 4 7-10^ П» ...... 12 5-10* П>

/

...... 40 0-10» ГЪ 80 11»

Рис. 13. Петли гистерезиса и полевая зависимость дифференциальной магнитной проницаемости при различных значениях упругих растягивающих напряжений аморфной металлической ленты состава Ре^Со^В^: (а) - для необработанных образцов; обработанных лазером в непрерывном режиме при плотности мощности лазерного излучения (б) -3,110 Вт/м2 и (в) -2,8-1СР Вт/м2.

Увеличение скорости продвижения лазерного луча при обработке ленты в непрерывном режиме от 1000 мм/мин до 5000 мм/мин приводит как к увеличению Нс, так и Д.. При малых скоростях движения лазерного луча преобладающим механизмом перемагничивания ленты является механизм поворота намагниченности. При высоких скоростях движения лазерного луча преобладающим механизмом перемагничивания в области относительно слабых магнитных полей является механизм

смещения доменных границ, а в области относительно высоких магнитных полей, преобладающим становится механизм поворота намагниченности. Ход зависимости максимального значения дифференциальной магнитной проницаемости от скорости движения лазерного луча имеет немонотонный характер и определяется направлением движения лазерного луча относительно оси прокатки ленты.

Варьируя в процессе обработки скорость и направление движения лазерного луча по поверхности образца, а, следовательно, и геометрические параметры аморфных и кристаллических участков ленты, можно в широком диапазоне изменять динамические магнитные характеристики данных образцов (рис.14).

Наиболее важными факторами, определяющими зависимости коэрцитивной силы, остаточной индукции и дифференциальной магнитной проницаемости, от скорости и направления движения лазерного луча в процессе обработки аморфных металлических лент, являются размер образующихся в них кристаллитов, различие геометрических параметров аморфной и кристаллической областей, разность констант намагниченности, ориентация оси легкого намагничивания относительно оси прокатки ленты. При изменении режимов лазерной обработки происходит изменение ориентации оси легкого намагничивания. Данный результат связан с действием двух факторов - наведением кристаллографической анизотропии в результате протекания начальных стадий кристаллизации ленты и эффектом анизотропии формы, обусловленным неоднородностью поверхности быстрозакаленных металлических лент.

Рис. 14. Динамические петли гистерезиса аморфных металлических лент состава Fe^CoziBij, в зависимости от скорости лазерной обработки поверхности ленты V„„: (а) направление движения лазерного пучка перпендикулярно оси прокатки ленты: 1 - VnalL ~ 1000 мм/мин, 2 - VJíal ~ 1500 мм/мин, 3 - VwX = 2000 мм/мин 4 - V = 2500 мм/мин, 5 - V = 5000 мм/мин; (б) направление движения лазерного

,'шз1 лаз л.

пучка параллельно оси прокатки ленты: 1 - у = 1000 мм/мин, 2 - у ^ = 2000 мм/мин, 3 - у^ = 3000 мм/мин.

Наиболее высокие значения динамических магнитных параметров достигаются у быстрозакаленных лент состава Fe64Co21B15 прошедших лазерную обработку при плотности мощности лазерного излучения твердотельного лазера 1,4-10 Вт/м~ со скоростью продвижения лазерного луча по поверхности ленты 3000-4000 мм/мин. При этих же параметрах лазерного излучения достигаются максимальные

значению чувствительности динамических магнитных параметров исследованных лент к действию упругих растягивающих напряжений (рис.15).

В, Тл

4

Ff

Igl

1 - 500мм/мик 2- 1000мм/мин

3 - 1500мм/мин

4 - 4000мм/мин

В, Тл

Iß 71 ■

1 - О Па

2-20 МПа

3-40 МПа

4-80 МПа

Н, А/м а Н, А/м б

Рис. 15. Петли гистерезиса образцов Fe^CoiiB^, обработанных лазерным излучением плотностью мощности 1,4-10" Вт/м2 в зависимости от: (а) -скорости обработки Viajl (о=0 Па) и (б) -величины упругих

растягивающих упругих напряжений с (=1000 мм/мин); (частота перемагничивающего поля 1 кГц).

В § 5.2 исследуются температурные зависимости динамических магнитных параметров аморфных металлических лент составов Fe64Co2iBi5 и Fe815B13,5Si3C2, прошедших перпендикулярную лазерную обработку при плотности мощности лазерного излучения 1,4-108 Вт/м2 и различных скоростях лазерной обработки. Первоначально образцы подвергались нагреву от комнатной температуры до Т=300 С. Измерение петель гистерезиса лент осуществлялось через интервал температур ДГ=12,5°С. После нагрева до температуры 300°С образцы охлаждались до комнатной температуры с таким же шагом ее изменения.

Из анализа петель гистерезиса (рис.16) следует, что рост температуры нагрева лент при низких значениях у приводит к увеличению прямоугольное™ петель

г лаз±

гистерезиса. Наиболее значительно увеличение Вг наблюдается для лент, прошедших лазерную обработку при скорости Via3±=100° мм/мин. При дальнейшем охлаждении образцов также наблюдается рост Вг, однако такое увеличение Вг гораздо менее значительно, чем при нагреве. Аналогичные результаты получены и для лент, обработанных при более высоких скоростях движения лазерного луча по поверхности образца. При последующем охлаждении исследованных лент также наблюдается гистерезис динамических магнитных характеристик.

При всех температурах нагрева ленты величина Вх возрастает с увеличением V . Вместе с тем, зависимости Bt{T) имеют немонотонный характер. В области

лаз± п ~

относительно низких температур нагрева (20и - 200"С) Вг практически не изменяется с ростом Т. В интервале высоких температур нагрева лент (250 -300 С), а также при охлаждении лент независимо от значения у > наблюдается рост Вг.

Наибольшие значения Нс достигаются при скоростях лазерной обработки v =500 - 1000мм/мин. При этом у лент, обработанных при таких у наблюда-

лаз± лаз г

ется уменьшение Нс с ростом температуры нагрева. У лент обработанных при более высоких v (V =2000 - 4000 мм/мин) Нс практически не изменяется до темпе-

у лаз-L v лазХ

ратур нагрева 200° -250°С. При дальнейшем увеличении Т происходит рост Нс ис-

следованных лент. Охлаждение лент в первом цикле "нагрев - охлаждение" ведет к росту Нс независимо от у

лаз ± '

Н, А/м Д Н, А/м е

Рис. 16. Петли гистерезиса лент состава Р^Соз.В^, обработанных лазерным излучением плотностью мощности 1,4-108Вт/м2 при скоростях обработки: у =1000мм/мин, (а - нагрев, б - охлаждение лен-

^лаз! =250° мм/мин (в - нагрев, г - охлаждение ленты); у =4000мм/мин (д - нагрев, е - охлаждение ленты).

Проведение лазерной обработки приводит к протеканию в лентах процессов кристаллизации и к возникновению в них внутренних растягивающих напряжений в области кристаллической фазы и сжимающих - в области аморфной матрицы. Так как Я5 аморфной фазы положительна, сжимающие напряжения индуцируют выход намагниченности из плоскости ленты. Преобладающим механизмом намагничивания в закристаллизованных областях ленты является поворот намагниченности. Дальнейший нагрев образцов приводит к снижению уровня сжимающих напряже-

НИИ и переориентации намагниченности вдоль оси прокатки ленты. При этом происходит рост В, и Яс. При последующем охлаждении ленты рост Яс и В, связан с процессами стабилизации доменных границ. Так как основным механизмом перестройки доменной структуры в результате проведения цикла "нагрев - охлаждение" становится механизм смещения доменных границ, то это приводит к возникновению температурного гистерезиса, который тем значительнее, чем меньше Упм1

Наиболее заметно изменение динамических магнитных параметров при проведении цикла "нагрев - охлаждение" проявляются у лент состава Ре8,15В13 5513С2, обработанных при низких значениях у^Срис.17). Остаточная индукция В, лент

состава Ре^Вп^зСг, в отличие от лент состава Ре^Со^В^, определяется Ула1 • При фиксированном значении Улаз1с ростом Г до 300°С у лент состава

Ре8] 5В13 5313С2 Вт практически не изменяется. Это объясняется тем, что Т, при которой в аморфных лентах состава Ре81)5В,3,5813С2 начинают интенсивно протекать процессы структурной релаксации и кристаллизации, на несколько десятков градусов превышает аналогичные температуры лент состава Ре64Со2|В15. При нагреве до 300°С заметных изменений в структуре аморфных лент состава Ре^Вн^С;, не происходит.

Обработка лент со скоростью Улаз1 =1000 мм/мин приводит к резкому возрастанию Яс, что обусловлено процессами кристаллизации. С увеличением Т до 300°С наблюдается уменьшение На. Можно предположить, что основной причиной уменьшения Нс с ростом Ту лент, прошедших обработку при у^ =1000 мм/мин,

является механизм связанный с процессами перестройки ближнего упорядочения в атомной структуре и снятием внутренних напряжений на границе "аморфная матрица — кристаллит".

Обработка ленты с более высокими Улаз1 (л/лазХ =1500 ^ 4000 мм/мин) не

приводит к значительным изменениям Нс исследованных лент. По всей видимости, такой результат является следствием того, что обработка лент с относительно высокими у не приводит к заметным изменениям в их структуре. При увеличении Г

лаз1

изменение величины Нс у таких лент незначительны.

Охлаждение лент до комнатной температуры в процессе первого цикла "нагрев - охлаждение" приводит к увеличению коэрцитивной силы лишь для лент, обработанных при у =1000 мм/мин. При более высоких изменения Нс при

уменьшении Т незначительны. Проведение второго и последующих циклов "нагрев-охлаждение" не приводит к существенным изменениям в ходе температурной зависимости коэрцитивной силы ленты состава Ре81>5В13_5813С2.

В, Тл

, :_____________-2о°с

___- 220°С

• ...... -290°С

Н, A/M а

В, Тл

-20°С -95°С -290°С

Н;А/М

В, Тл

-20°С

- 1бО"С

- 290°С

В, Тл

Н, А/и

lt

Н, А/м

- 20 С -230"С ■ 290°С

В, Тл

- 20°С 170°С . -290°С

В, Тл

-20"С ~-230°С 7 - 290°С

Н, А/м

Н, А/м

Рис. 17. Петли гистерезиса лент состава ре^Вв^зСг, обработанных лазерным излучением плотностью мощности 1,4- 108Вт/м2 при скоростях обработки: Ула11 =5 ОООмм/мин, (а - нагрев, б - охлаждение ленты); у ^ =2500 мм/мин (в - нагрев, г - охлаждение ленты); Улш1 =4000мм/мин (д - нагрев, е - охлаждение ленты).

На основании приведенных данных могут быть сделан вывод о различном ходе температурной зависимости коэрцитивной силы лент состава Fe64Co2iB15 и Fe8lj5B13>5Si3C2, прошедших лазерную обработку в области относительно высоких температур нагрева. При относительно высоких Т у лент состава Fe64Co2iB15 происходит рост коэрцитивной силы, в то время как у лент состава Fe815B13>5Si3C2 величина Нс практически не изменяется с ростом Т. Такие различия в поведение коэрцитивной силы исследованных лент связаны с различием у них температур кристаллизации.

В конце диссертации приводятся основные результаты и выводы работы, заключение, а также список литературы (библиография).

Основные результаты и выводы

В работе проведены исследования влияния температуры нагрева и режимов предварительной обработки на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент на основе железа. Изучена возможность контроля структурных изменений, происходящих в аморфных металлических лентах на основе железа, при их нагреве методом фототермостимулированной экзоэлектронной эмиссии.

Входе проведения работы были получены следующие результаты:

• Исследования структуры аморфных металлических лент составов Ре^Со^В^ и Ре815В]з 5513С2 при их нагреве в широком интервале температур свидетельствуют о том, что метод фототермостимуллированной экзоэлектронной эмиссии позволяет адекватно описать процесс перехода аморфных металлических лент в кристаллическое состояние. Температурные зависимости спектра экзоэлектронной эмиссии отражают двухстадийный характер изменений структуры, происходящих в лентах составов Ре^Со^В^ и Ре^В^ЬС;, при их кристаллизации. Анализ спектра экзоэлектронной эмиссии позволяет определить энергию активации каждой из стадий процесса кристаллизации. Спектр экзоэлектронной эмиссии чувствителен к температурам изотермической выдержки и вариации режимов нагрева аморфной металлической ленты.

• Проведены исследования влияния температуры на динамические магнитные характеристики аморфных металлических лент состава Ре^Со^В^, прошедших различные виды предварительной обработки. Установлены закономерности изменения динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент состава Ре64Со21В15 в процессе их термоциклирования в интервале температур от 50° до 300°С. Показано, что первый цикл "нагрев-охлаждение" аморфных металлических лент состава Ре64Со21В15 сопровождается температурным гистерезисом величины остаточной индукции и коэрцитивной силы, что в большинстве случаев связано с процессами релаксации внутренних напряжений и процессами стабилизации доменных границ. Проведение второго и третьего цикла "нагрев - охлаждение" аморфных лент состава Ре^Со^В^ сопровождается уменьшением различий в их динамических магнитных характеристиках. В результате исследований показано, что изменение температуры в интервале от 50° до 300°С в течение трех циклов "нагрев - охлаждение" приводит исследованный сплав к состоянию, при котором изменения динамических магнитных характеристик в исследованном диапазоне температур при последующих циклах термоциклирования незначительны.

• В рамках модели молекулярного поля описана температурная зависимость намагниченности насыщения аморфных металлических лент состава Ре64Со21В15, полученных при различных значениях относительной дисперсии эффективного обменного взаимодействия. Установлено, что модель молекулярного поля пригодна для описания магнитных характеристик аморфных и наноструюуриро-ванных металлических лент на основе железа, проходящих стадии структурной релаксации.

• В зависимости от плотности мощности излучения и скорости продвижения лазерного луча по поверхности исследованных лент составов Fe64Co2iBis и FeSi,5Bi3i5Si3C2, структурные изменения, происходящие в приповерхностном слое лент, а, следовательно, и магнитные свойства обработанного материала существенно различаются. Данное обстоятельство связывается с сочетанием ряда факторов, определяющих магнитные параметры обработанной ленты. Среди них наиболее важными являются размер образующихся кристаллитов, различие геометрических параметров аморфной и кристаллической областей, разность их констант намагниченности, а также ориентация оси легкого намагничивания относительно оси прокатки ленты.

• Циклическое изменение температуры быстрозакаленных лент, прошедших лазерную обработку при различных скоростях продвижения лазерного луча по поверхности лент приводит к возникновению гистерезиса их динамических магнитных параметров. Такой гистерезис тем значительнее, чем меньше скорость проведения лазерной обработки и ниже температура кристаллизации исследованных лент.

Список цитируемой литературы

1. Сокол-Кутыловский O.JI. Исследование магнитоупругих свойств аморфных ферромагнетиков с целью их применения в магнитных и механических датчиках / O.J1. Сокол-Кутыловский // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.- Екатеринбург, 1997.- 218 с.

2. Потапов А.П. Физическое обоснование и реализация методов направленного воздействия на функциональные свойства магнитомягких аморфных и нанок-ристаллических материалов / А.П. Потапов // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - Екатеринбург: Институт физики металлов УрО РАН, 2008,- 306 с.

3. Скулкина H.A. Распределение намагниченности и магнитные свойства кристаллических, аморфных и нанокристаллических магнитомягких материалов / H.A. Скулкина // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.-Екатеринбург: УГУ, 2008.- 347 с.

4. Плотников B.C. Микроструктура аморфных металлических сплавов и ее динамика в процессах релаксации и кристаллизации / B.C. Плотников // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - Владивосток: ДГУ, 2004.- 354 с.

5. Глезер A.M. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы / A.M. Глезер // Рос. Хим. Ж,- 2002,- т. XLVI, №5,- С.57-63.

6. Горецкий С. Термическая стабильность и кинетика кристаллизации металлических стекол Fe80_xTxB по результатам изучения ЭЭА и ДТА / С. Горецкий, Т. Горецкий // Поверхность. Физика. Химия. Механика. -1993. - Т.7. - С. 63-72.

7. Pry R.H. Calculation of the energy loss in magnetic sheet materials using a domain model / R.H. Pry, C.P. Bean // J.Appl.Phys. - 1958. - Vol.29, №3. - P.532 - 533.

8. Петраковский Г.А. Аморфные магнетики / Г.А. Петраковский //УФН,- 1981. -134, вып. 2.-С.305-325.

9. Смарт Дж. Эффективное поле в теории магнетизма/ Дж.Смарт,- М.: Изд-во «Мир», 1968.-272 с.

10. С удзуки К. Аморфные металлы / К. Судзуки, X. Фудзимори, К. Хасимото. - М.: Металлургия, 1987. - 328 с.

Публикации автора по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Векслер A.C. Особенности экзоэлектронной эмиссии в аморфных металлических сплавах / A.C. Векслер, A.A. Гаврилюк, И.Л. Морозов, AJI. Семенов // ФТТ. - 2001. -Т.43, №.12. - С.2113-2116.

2. Гаврилюк A.A. Магнитная структура и механизмы перемагничивания ядра бы-строзакаленной ферромагнитной проволоки / A.A. Гаврилюк, A.B. Гаврилюк, И.Л. Морозов, Н.В. Турик, Б.В. Гаврилюк, A.B. Семиров, А.Л. Семенов // Известия ВУЗов. Физика. - 2008. - Вып.2. - С. 64-71. (Russian Physics Journal. -2008. -Vol. 51, № 2. - P. 182-187.)

3. Семенов А.Л. Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфных металлических лент / А.Л.Семенов, A.A. Гаврилюк, С.Н. Малов, A.B. Семиров, Н.В. Турик, И.Л. Морозов, А.Ю. Моховиков // Известия Вузов. Физика. - 2009. -№.12/3-С. 278-282.

4. Гаврилюк A.A. Магнитоупругие свойства аморфных металлических лент прошедших лазерную обработку / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, Н.В. Морозова, И.Л. Морозов, А.Ю. Моховиков, А.Р. Гафаров, С.М. Зубрицкий // Материаловедение,- 2011.- В.10- С.19-24.

Публикации в прочих изданиях

1. Быков С.П. Исследование взаимосвязи механических и магнитных характеристик конструкционных сталей / С.П. Быков, Г.Г. Золотенин, М.В. Лопатин, И.Л. Морозов, Н.В. Турик // Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов: сб. тез. докл. Междунар. конф. 19-22 сентября 2006г.- Томск, 2006. - С.338.

2. Морозов И.Л. Определение механических свойств ферромагнитных конструкционных материалов неразрушающими методами / И.Л. Морозов, Н.В. Турик, Г.Г. Золотенин // Безопасность и живучесть технических систем: сб. тез. докл. II-й Всероссийской конф. 10 -12 октября 2007г. - Красноярск, 2007. - С.116.

3. Морозов И.Л. Изменение динамических магнитных характеристик термомаг-нитнообработанных аморфных ферромагнитных лент под действием упругих деформаций / И.Л. Морозов, Н.В. Турик, Д.В. Прудников// Физика конденсированного состояния: сб. тез. докл. XV Республиканской науч. конф. студентов, магистрантов и аспирантов 25-27 апреля 2007г.- Гродно, 2007.-С.181-185.

4. Гаврилюк A.A. Механизмы перемагничивания ядра аморфной металлической проволоки / A.A. Гаврилюк, A.B. Гаврилюк, И.Л. Морозов, Н.В. Турик, A.B.

Семиров, A.J1. Семенов, Б.В. Гаврилкж // Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов: Материалы VII Международной конф. 25-27 мая 2007г. - Воронеж, 2007. - С. 147-152.

Прудников Д.В. Влияние растягивающих напряжений на величину ДЕ-эффекта быстрозакаленных лент Fe^Co^Bn, обработанных электрическим током / Д.В. Прудников, Н.В. Турик, A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, И.Л. Морозов // Труды XI конф. студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов 13-16 июня 2007г. - Владивосток, 2007. - С.264-269.

. Морозов И.Л. Динамические магнитные свойства быстрозакаленных лент Fe64Co21Bi5 / И.Л. Морозов, Н.В. Турик, Д.В. Прудников, A.A. Гаврилюк, А.Л. Петров, С.М. Зубрицкий // Научный поиск: парадигмы, проекции, практики: сб. статей всероссийской научно-практической конференции 15-17 апреля 2007г. -Братск-Иркутск, 2007. - С.398-404.

/. Прудников Д.В. Параметры магнитной структуры и механизмы перемагничива-ния ядра аморфной металлической проволоки на основе переходных металлов / Д.В. Прудников, Н.В. Турик, И.Л. Морозов, A.A. Гаврилюк, С.М. Зубрицкий, А.Л. Петров // Научный поиск: парадигмы, проекции, практики: сб. статей всероссийской научно-практической конференции 15-17 апреля 2007г. - Братск-Иркутск, 2007. - С.404-410.

8. Турик Н.В. Динамические свойства аморфных ферромагнитных проволок FeSiB / Н.В. Турик, И.Л. Морозов, A.A. Гаврилюк // Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование: труды 5-ой Международной научной конференции 9-12 октября 2007г. - Казахстан, Алматы, 2007. - С.231-236.

9. Semenov A.L. Influence of laser treatment to the magnetic properties of amorphous Fe64Co21B15 ribbon / A.L. Semenov, A.A. Gavriliuk, S.N. Malov, I.L. Morozov, A.V. Semirov, A.Yu. Mokhovikov, N.V. Turik // Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism 20-25 June 2008. - Москва, 2008. - C.778.

10. Семенов А.Л. Магнитные свойства быстрозакаленных лент на основе железа, прошедших лазерную обработку / А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк, A.B. Семиров, С.Н. Малов, И.Л. Морозов, Н.В. Турик, Б.В. Гаврилюк // Магнитные Материалы. Новые технологии: сб. тез. докл. 3-ой Байкальской международной конференции 23-26 сентября 2008г. - Иркутск: Изд. Иркут. гос. пед. ун-та, 2008. -С.71.

11. Морозов И .Л. Автоматизированная установка для исследования динамических магнитных и магнитоупругих свойств ферромагнитных материалов / И.Л. Морозов, Н.В. Турик, А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк // Магнитные Материалы. Новые технологии: сб. тез. докл. 3-ой Байкальской международной конференции 23-26 сентября 2008 г. - Иркутск: Изд. Иркут. гос. пед. ун-та, 2008. - С. 154.

12. Семенов А.Л. Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфных металлических лент / А.Л.Семенов, A.A. Гаврилюк, С.Н. Малов, A.B. Семиров, Н.В. Турик, ИЛ. Морозов, А.Ю. Моховиков // Сб. докл. XI Международной школы-семинара по люминесценции и лазерной физике. Иркутск, 27-31 окт. 2008г. - Иркутск: Изд. Иркут. ун-та, 2008. - С.101.

13. Семенов А.Л. Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфных металлических лент /А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк, С.Н.Малов, A.B. Семиров, Н. В. Турик, И.Л. Морозов, А.Ю. Моховиков // III - Байкальская международная конференция "Магнитные Материалы. Новые технологии": Тезисы докладов. -Иркутск: Изд-во ИГПУ. 2008. - С. 101.

14. Семенов А.Л. Влияние лазерной обработки на магнитные свойства аморфных металлических лент на основе железа /А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк, А.Ю. Моховиков, Б.В. Гаврилюк, С.Н.Малов, A.B. Гаврилюк, Н.В. Морозова, ИЛ. Морозов // IV - Байкальская международная конференция "Магнитные Материалы. Новые технологии": Тезисы докладов. Иркутск, 21-25 сент. 2010г. - Иркутск: Изд-во ГОУ ВПО «ВСГАО». 2010. - С. 37.

15. Семенов А.Л. Влияние температуры на динамические магнитные свойства бы-строзакаленных ферромагнитных лент /А.Л. Семенов, A.A. Гаврилюк, И.Л. Морозов, Н.В. Морозова, С.М. Зубрицкий, Б.В. Гаврилюк// IV - Байкальская международная конференция "Магнитные Материалы. Новые технологии": Тезисы докладов. Иркутск, 21-25 сент. 2010г. - Иркутск: Изд-во ГОУ ВПО «ВСГАО». 2010.-С. 172.

16. Гаврилюк A.A. Термостабильность ДЕ-эффекта в аморфных металлических лентах на основе железа / A.A. Гаврилюк, A.B. Гаврилюк, А.Л. Семенов, А.Ю. Моховиков, A.A. Зинченко, И.Л. Морозов, Н.В. Морозова, Б.В. Гаврилюк, А.Л. Петров, Е.А. Голыгин // IV - Байкальская международная конференция "Магнитные Материалы. Новые технологии": Тезисы докладов. Иркутск, 21-25 сент. 2010г. - Иркутск: Изд-во ГОУ ВПО «ВСГАО». 2010. - С. 174.

17. Гаврилюк A.A. Влияние температуры на ДЕ-эффект аморфных металлических лент FeCoB, прошедших термомагнитную обработку / A.A. Гаврилюк, А.Л. Семенов, A.A. Зинченко, И.Л. Морозов, Н.В. Морозова // XXII Международная научная конференция "Релаксационные явления в твердых телах": Тезисы докладов. Воронеж 14-17 сент. 2010г. - Воронеж: Изд-во ГОУ ВПО «ВГТУ». 2010. С. 217.

18. Gavriliuk A.A. Influence of a temperature on ДЕ-effect of amorphous FeCoB ribbon: / A.A. Gavriliuk, A.A. Zinchenko, A.Yu. Mokhovikov, A.L. Semenov, I.L. Morozov N.V. Morozova // Abstracts of Joint European Magnetic Symposia JEMS 23-28 Au gust 2010. - Krakow, Poland, 2010. - C.172.

19. Семенов А.Л. Влияние лазерной обработки на магнитные параметры быстроза каленных лент FeCoB/ А.Л.Семенов, И.Л.Морозов, А.Р.Гафаров, Н.В.Морозове А.А.Зинченко, Е.А.Пушилина, Б.В.Гаврилюк, А.А.Гаврилюк // Сборник докла дов 4-ой Всероссийской конференции по наноматериалам "НАНО 2011" 1-марта 2011г. ИММЕТ им. A.A. Байкова РАН, Москва.- С.376.

20. Семенов А.Л. Температурная стабильность ДЕ-эффекта быстрозакаленных лен FeCoB/ А.Л.Семенов, ИЛ.Морозов, А.Р.Гафаров, Н.В.Морозова, А.А.Зинченкс Е.А.Пушилина, Б.В.Гаврилюк, А.А.Гаврилюк // Сборник докладов 4-ой Всерос сийской конференции по наноматериалам "НАНО 2011" 1- 4 марта 2011г. ИМ МЕТ им. A.A. Байкова РАН, Москва- С.377.

1. Semenov A.L. The influence of length and tensile stress on the magnetic properties of pretreated amorphous Fe-based wires / A.L.Semenov, A.A.Gavriliuk, A.Yu.Korzun, A.Yu.Mokhovikov, I.L.Morozov // The European Conference "PHYSICS OF MAGNETISM" 2011: Book of abstracts June 27- July 1, 2011. - Poznan, POLAND, 2011. -P.214.

2. Семенов A.Jl. Магнитные и магнитоупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа / А.Л.Семенов, И.Л.Морозов, Е.А.Голыгин, Н.В.Морозова, А.Р.Гафаров, А.А.Зинченко, А.Ю.Моховиков, С.М.Зубрицкий, А.В.Пельменева, А.Ю.Корзун, А.А.Гаврилюк // 9-я международная научно-техническая конференция "Современные Металлические Материалы и Технологии" (СММТ'11): Тезисы докладов 22-24 июня 2011г. - Санкт-Петербург, 2011. - С.347.

3. Gavrilyuk A.A. Magnetic properties of pre-treated amorphous Fe-based wires / A.A. Gavrilyuk, A.L. Semenov, A.Yu. Mokhovikov, A.Yu. Korzun, N.V. Morozova, I.L. Morozov // 5th "Moscow International Symposium on Magnetism" (MISM): Book of abstracts 21-25 August, 2011. - Moscow, Russia, 2011. - P.403.

4. Semenov A.L. The temperature hysteresis of the magnetic properties of pre-treated amorphous Fe-based ribbons/ A.L. Semenov, A.A. Gavrilyuk, A.Yu. Mokhovikov, A.Yu. Korzun, N.V. Morozova, I.L. Morozov // 5th "Moscow International Symposium on Magnetism" (MISM): Book of abstracts, 21-25 August, 2011. - Moscow, Russia, 2011.-P.404

¡5. Semenov A.L. Automatic setup for discovering the effect of the temperature on dynamic magnetic and magnetoelastic properties of amorphous ferromagnetic alloys / A.L. Semenov, I.L. Morozov, E.A. Golygin, N.V. Morozova, A.R. Gafarov, A.A. Zinchenko, A.Yu. Mokhovikov, S.M. Zubritsky, A.V. Pe lmeneva, A.Yu. Korz un, A.A. Gavriliuk // Abstracts of International Conference "Functional Materials - 2011": October 3 - 8, 2011. - Crimea, Ukraine. - P.321.

16. Баюков O.A Изучение процесса кристаллизации аморфного сплава Fe64Co2iB15 / О.А.Баюков, Л.А.Чеканова, И.Л.Морозов // IV - Всероссийской конференции по наноматериалам "НАНО 2011", г. Москва, ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, 1-4 марта 2011г. - С.213.

27. Iskhakov R.S Inhomogeneous broadening of ferromagnetic resonancline during re-crystallization process in amorphous ribbons / R.S. Iskhakov, S.V. Komogortsev, L.A. Chekanova, P.A.Kuznetsov, A.A.Gavriluk, A.L.Semenov, I.L. Morozov //5th "Moscow International Symposium on Magnetism" (MISM): Book of abstracts 21-25 August, 2011. - Moscow, Russia, 2011. -P.404.

Подписано в печать 01.04.12. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз.

61 12-1/1007

Иркутский государственный университет

На правах рукописи

Морозов Игорь Леонидович

ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ СТРУКТУРНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ЛЕНТ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА

Специальность: 01.04.07. — физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент А.А. Гаврилюк

Иркутск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

ГЛАВА 1. Литературный обзор.......................................................................12

§1.1. Температурная зависимость магнитных свойств аморфных металлических

сплавов........................................................................................................12

§1.2. Динамическое перемагничивание аморфных металлических лент на основе

железа.........................................................................................................21

§1.3. Экзоэлектронная эмиссия..........................................................................28

Выводы по главе 1.......................................................................................31

ГЛАВА 2. Образцы и методы проведения исследований......................................34

§ 2.1. Образцы и методика проведения предварительной обработки...........................34

§ 2.2. Определение температурных зависимостей динамических магнитных характеристик

аморфных металлических лент..........................................................................36

§ 2.3. Установка для исследования фототермостимулированной экзоэлектронной эмиссии.......................................................................................................39

ГЛАВА 3. Экзоэлектронная эмиссия в аморфных металлических лентах составов

Fe64C02iBi5 и Fe81.5Bi3.5Si3C2.............................................................................41

Выводы по главе 3..............................................................................................58

ГЛАВА 4. Влияние температуры на динамические магнитные характеристики быстрозакаленных металлических лент, прошедших предварительную

обработку....................................................................................................59

§ 4.1. Влияние термоциклирования на динамические магнитные характеристики аморфных металлических лент состава Fe64 С021 В15...............................................59

4.1.1. Динамические магнитные характеристики аморфных лент, прошедших предварительную термическую обработку..........................................................59

4.1.2. Динамические магнитные характеристики аморфных лент, прошедших предварительную обработку постоянным электрическим током в постоянном магнитном поле.........................................................................................................69

§ 4.2. Температурная зависимость намагниченности насыщения аморфной металлической

ленты состава Реб4Со21В]5.................................................................................79

Выводы по главе 4..............................................................................................82

ГЛАВА 5. Динамические магнитные характеристики быстрозакаленных

металлических лент, прошедших лазерную обработку........................................84

§5.1. Влияние режимов лазерной обработки на динамические магнитные характеристики

быстрозакаленных металлических лент................................................................84

§ 5.2. Температурная стабильность динамических магнитных характеристик

быстрозакаленных лент, прошедших перпендикулярную лазерную обработку..............103

Выводы по главе 5.......................................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного материаловедения является получение функциональных материалов с заранее заданными физическими характеристиками. Это в полной мере относится и к магнитострикционным аморфным металлическим сплавам на основе переходных металлов. Такие материалы после проведения соответствующей обработки (как правило, термической или термомагнитной) обладают высокими значениями динамических магнитных и магнитоупругих характеристик, что позволяет использовать их в качестве чувствительных элементов различного рода датчиков деформаций, температуры и магнитного поля. Аморфные металлические сплавы обладают уникальными магнитными и магнитомеханическими свойствами, которые превосходят свойства их кристаллических аналогов. Такими свойствами являются: высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание, большая величина магнитострикции. Всё это даёт большие перспективы для использования аморфных металлических сплавов в различных областях промышленности и техники.

Аморфное состояние очень чувствительно к действию температуры. Увеличение температуры нагрева аморфных металлических сплавов на первоначальном этапе вызывает процессы структурной релаксации, сопровождающиеся изменением магнитных характеристик аморфного вещества. При более высоких температурах нагрева в аморфных металлических сплавах протекают процессы кристаллизации, приводящие к возрастанию уровня закалочных напряжений и возникновению кристаллографической анизотропии.

Среди наиболее широко исследуемых аморфных металлических сплавов особое место занимают быстрозакаленные ленты на основе железа, прошедшие термомагнитную обработку в вакууме. Такие ленты обладают высокими значениями магнитоупругих характеристик, которые намного превосходят магнитоупругие характеристики кристаллических плёнок на основе железа. Другим перспективным методом обработки, для получения высоких значений магнитных и магнитоупругих характеристик, может являться обработка поверхности аморфной металлической ленты лазерным излучением. Целью проведения лазерной обработки аморфной ленты является получение на ее поверхности периодических кристаллических структур, создающих плоскостные растягивающие напряжения и наводящих анизотропию с заданной ориентацией оси легкого намагничивания. Однако, до настоящего времени не существует каких - либо достоверных сведений о влиянии различных режимов лазерной обработки на магнитные

свойства аморфных металлических лент. Причиной этого является большое число факторов, влияющих в процессе обработки на магнитные свойства аморфных лент. К таким факторам следует отнести, помимо плотности мощности лазерного излучения, режим работы лазера (непрерывный или импульсный), скорость и ориентацию движения лазерного пучка по поверхности образца, расстояние между обрабатываемыми участками и т.д.

Малоизученным остается вопрос, связанный с влиянием температуры на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент на основе железа, прошедших предварительную термомагнитную, лазерную обработку или обработку электрическим током. Не исследован вопрос о том, насколько обратимыми являются процессы, протекающие при нагреве аморфной ленты, и как изменятся магнитные параметры образцов при их последующем охлаждении. В качестве наиболее удобных объектов для проведения исследований по влиянию температуры на динамические магнитные параметры быстрозакаленных лент представляются ленты составов Реб4Со21В15 и РевиВи^зСг. Выбор лент данного состава связан с тем, что из-за существующих различий в температурах кристаллизации, структурные и магнитные параметры таких лент существенно различаются. Как следствие этого, значительно различается и степень влияния температуры нагрева таких лент на термостабильность их структурных и магнитных характеристик.

Процессы структурной релаксации и кристаллизации аморфных металлических лент сопровождаются перестройкой зонной структуры таких сплавов. Как следствие этого, изменяется величина работы выхода электронов с поверхности ленты. Такие изменения должны приводить к модификации снимаемых эмиссионных спектров электронов, в частности, спектра экзоэлектроннной эмиссии. В связи с этим, значительный интерес представляет установление основных особенностей протекания процесса экзоэлектронной эмиссии в аморфных металлических лентах на основе переходных металлов в ходе их структурной релаксации и кристаллизации. Также актуальным представляется вопрос о возможности контроля структурных превращений в аморфных металлических лентах по изменению спектра экзоэлектронной эмиссии.

В связи с вышесказанным целью работы являлось выявление общих закономерностей влияния температуры на изменение структуры и динамических магнитных свойств аморфных металлических лент на основе железа, предварительно обработанных различными способами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Создание температурной приставки для изучения влияния температуры нагрева на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент. Интервал температур нагрева от 20° до 350° С.

2. Исследование структурных изменений аморфных металлических лент составов Ре64Со21В15 и Ре81.5В1з.581зС2 под действием температуры методом экзоэлектронной эмиссии.

3. Проведение сопоставления данных по изменению структуры аморфных лент, происходящих при нагреве, полученными методом экзоэлектронной эмиссии, с данными, полученными другими структурно-чувствительными методами.

4. Исследование влияния температуры на динамические магнитные свойства аморфных металлических лент составов Реб4Со2)В15, прошедших предварительную термическую обработку и обработку постоянным электрическим током в магнитном поле.

5. Разработка методики проведения лазерной обработки аморфных и нанокристаллических металлических лент на основе железа. Проведение выбора оптимальных параметров лазерного излучения для достижения оптимальных магнитных параметров аморфных металлических лент.

6. Исследование зависимостей динамических магнитных характеристик аморфных металлических лент от величины плотности мощности лазерного излучения и скорости движения лазерного луча по поверхности лент.

7. Исследование температурных зависимостей динамических магнитных параметров аморфных металлических лент на основе железа, прошедших лазерную обработку.

Научная новизна представленных в диссертации результатов заключается в следующем:

1. При помощи метода экзоэлектронной эмиссии установлены основные закономерности протекания процессов кристаллизации в лентах составов Реб4Со21В15 и Рев^Вп^зСг. Обнаружена корреляция между изменениями характеристик спектра экзоэлектронной эмиссии и динамических магнитных характеристик при увеличении их температуры нагрева. Данные об изменении структуры аморфных металлических лент, полученные методом экзоэлектронной эмиссии, находятся в согласии с данными, полученными другими структурно-чувствительными методами (дифференциальный термический анализ, ферромагнитный резонанс, мёссбауэровская спектроскопия, рентгеноструктурный анализ).

2. Впервые проведено комплексное исследование влияния температуры на динамические магнитные характеристики аморфных металлических лент состава Реб4Со21В15, прошедших различные режимы предварительной обработки. Выявлены общие

закономерности изменения динамических магнитных характеристик под действием температуры.

3. Наиболее важными факторами для формирования магнитных параметров аморфных металлических лент на основе железа являются размер образующихся кристаллитов, различие геометрических параметров аморфной и кристаллической областей, разность их констант намагниченности, а также, ориентация оси легкого намагничивания относительно оси прокатки ленты.

4. Установлено влияние различных режимов предварительной лазерной обработки на температурную стабильность аморфных металлических лент на основе железа. Наибольшее влияние на температурную стабильность лент оказывает скорость продвижения лазерного луча по поверхности ленты.

Научная и практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке и конструировании устройств современной электроники, высокотехнологичных и прецизионных датчиков, в которых в качестве чувствительных элементов используются магнитострикционные аморфные металлические ленты составов Реб4Со21В)5 и Рез| 5813.581302. Проведенные в диссертации исследования позволяют судить о термостабильности магнитных свойств таких лент, прошедших различные виды предварительной обработки.

Установлена возможность надежного контроля стадий процесса кристаллизации аморфных металлических лент на основе железа методом фототермостимулированной экзоэлектронной эмиссии.

Продемонстрирована возможность целенаправленного управления параметрами быстрозакаленных ферромагнитных материалов путем проведения локальной лазерной обработки. Разработана методика проведения локальной лазерной обработки аморфных металлических лент на основе железа, при которой достигаются наиболее высокие значения динамических магнитных параметров.

Результаты проведенных исследований способствуют развитию представлений о взаимосвязи структурных превращений, происходящих при нагревании магнитострикционных аморфных металлических лент, прошедших предварительную обработку, с их динамическими магнитными характеристиками.

Защищаемые положения.

1. При переходе аморфных металлических лент составов Реб4Со21В15 и Ре§15В1з.581зС2 в кристаллическую фазу, зависимость интенсивности экзоэлектронной эмиссии от температуры имеет максимумы, связанные как с изменением топологического и

химического упорядочения их атомной структуры, так и с изменением энергии активации экзоэлектронов.

2. Наибольшие изменения температурной зависимости динамических магнитных параметров аморфных металлических лент состава Реб4Со21В15, прошедших различные виды предварительной обработки, проявляются при первом цикле "нагрев-охлаждение" в интервале температур 20°-300°С. При приближении температуры нагрева к 300°С в аморфной ленте заканчивается релаксация внутренних напряжений и разрушение наведенной одноосной анизотропии. Последующее охлаждение ленты до комнатной температуры приводит к направленному упорядочению пар атомов и стабилизации доменных границ.

3. При температурах нагрева меньших температуры кристаллизации, температурные зависимости намагниченности насыщения аморфных металлических лент состава Ре64Со21В,5, могут быть описаны в рамках модели молекулярного поля с учетом флуктуаций параметра эффективного обменного взаимодействия, подчиняющегося распределению Гаусса. Величина дисперсии эффективного обменного взаимодействия уменьшается с увеличением температуры нагрева аморфной ленты состава Реб^ог^^ что обусловлено уменьшением константы локальной магнитной анизотропии.

4. Циклическое изменение температуры нагрева аморфных металлических лент составов Ре64С021В15 и Рев^Вв^зСг, прошедших предварительную лазерную обработку при различных скоростях продвижения лазерного луча по поверхности, приводит к возникновению гистерезиса их динамических магнитных параметров. Причиной возникновения гистерезиса являются магнитоупругое и магнитостатическое взаимодействия аморфных и закристаллизованных участков ленты. Гистерезис тем значительнее, чем ниже скорость продвижения лазерного луча по поверхности образца и температура кристаллизации аморфной металлической ленты.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (г. Томск, ИФПМ СО РАН, 2006г.); 11-ой Всероссийской конференции "Безопасность и живучесть технических систем" (г. Красноярск, ИВТ СО РАН, 2007г.); ХУ-ой Республиканской научной конференции студентов, магистрантов и аспирантов "Физика конденсированного состояния" (г. Гродно, ГГУ, 2007г.); УП-ой Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», (г. Воронеж, ВГТУ, 2007г.); Х1-ой конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, 2007г.);

Всероссийской научно-практической конференции «Научный поиск: парадигмы, проекции, практики» (гг. Братск-Иркутск, ИГУ, 2007г.); 5-ой Международной научной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование» (Республика Казахстан, г. Алматы, КазНУ, 2007г.); 3-й Байкальской международной научной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии" г. Иркутск, ИГПУ, 2008г.; Moscow International Symposium on Magnetism (г. Москва, МГУ, 2008г.); V-ом Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (ФММС-5) (г. Воронеж, ВГТУ, 2008г.); XI-ой Международной школе-семинаре по люминесценции и лазерной физике (г. Иркутск, ИФ ИЛФ СО РАН, 2008г.); ISTMAG 2010; Joint European Magnetic Symposia JEMS 23-28 August 2010. - Krakow, Poland; IV -Байкальской международной конференции "Магнитные Материалы. Новые технологии", г. Иркутск, 21-25 сент. 2010г.; XXII Международной научной конференции "Релаксационные я�