Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金帶的縱向巨磁阻抗效應*

馬 云， 葉慧群， 李文忠， 金林楓， 嚴維燕， 范曉珍， 方允樟

(浙江師范大學 數理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金帶的縱向巨磁阻抗效應*

馬 云， 葉慧群， 李文忠， 金林楓， 嚴維燕， 范曉珍， 方允樟

(浙江師范大學 數理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

利用單輥快淬法制備寬0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶,具有明顯的縱向巨磁阻抗效應，最大磁阻比達到754%.氮氣保護條件下進行熱處理的樣品，最大阻抗比和靈敏度都有明顯提高，440 ℃退火1 h的樣品最大阻抗比達到 1 196%，靈敏度為715%/(A5m-1).

縱向驅動；非晶組分；非晶薄帶；溫度退火

0 引 言

巨磁阻抗由于其在傳感器領域的廣泛應用前景，自1992年被Mohri等[1]發現以來一直受到關注.由于巨磁阻抗效應與趨膚效應有關，即與材料的磁導率有關，這就使得具有優異軟磁性能的Fe基非晶材料成為首選.在傳統的易于形成非晶的Fe基材料中，大都含有Co，Nb，Mo，Y等元素[2-7]，這些元素或是戰略資源元素，或是稀有元素，它們提高了原材料的成本.最近，Chuntao等[8]發現了不含以上元素的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9大塊非晶成分，該組分不僅具有良好的非晶形成能力，而且具有良好的軟磁性能，極大地降低了原材料的成本.然而,這種材料的巨磁阻抗效應還未見有人研究.本課題組在該組分的鑄態樣品中發現了優秀的縱向巨磁阻抗性能，通過適當的熱處理，該非晶組分的縱向巨磁阻抗效應大大提高，在440 ℃退火后，最大阻抗比達到1 196%，靈敏度為715%/(A5m-1).

1 縱向巨磁阻抗產生的原因及測試原理

巨磁阻抗是指材料的交流阻抗隨外加磁場產生明顯變化的現象.當合金薄帶的長l，寬b，厚d滿足l?b?d時，由麥克斯韋方程可以得出在交流場下樣品的阻抗值Z[9]可表示為

圖1 縱向巨磁阻抗的測量原理

本文重點研究了Fe76Si7.6B9.5P5C1.9的縱向(合金帶的長軸方向)巨磁阻抗效應，其測試原理示意圖如圖1所示[10]，將樣品放入連接在HP4294A阻抗分析儀的螺線管中，阻抗儀為螺線管提供的正弦交流電產生沿合金帶軸向的交流的縱向驅動磁場，同時阻抗儀也測量螺線管兩端的阻抗值.圖1中的直流電源則連接在一對Helmholz線圈A,B上，為樣品提供外加磁場，改變直流電流的大小就可以得到不同大小的外加磁場，從而測得不同外加磁場下的阻抗值.

2 實 驗

用單輥快淬法噴制寬0.35 mm，厚0.033 mm的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶，氮氣保護環境中，不同溫度退火1 h，隨爐冷卻到室溫.樣品的縱向阻抗值Z采用HP4294A型阻抗分析儀測得.測量時，截取長度為15 mm的薄帶，放入一個線圈內組成一個等效的阻抗元件.用10 mA正弦交流電驅動線圈，對樣品產生一個縱向的驅動場.線圈為線徑0.11 mm漆包線繞制成的100匝內直徑0.57 mm的螺線管.外加的直流磁場由Helmholz線圈提供，所有實驗數據在室溫下獲得.阻抗變化率用以下關系式得到:

圖2 合金薄帶樣品的DSC曲線

式(2)中,ZHex和ZHmax分別表示任意外加磁場和最大外加磁場下樣品的阻抗值.

3 結果與討論

圖2為該組分薄帶的DSC曲線.從DSC曲線上可以看出，Tg與Tx的差值較大，樣品具有較好的非晶形成能力.

圖3為鑄態和不同溫度退火后樣品的XRD曲線.由圖3可以看出：在溫度低于520 ℃時，樣品一直處于非晶狀態；當溫度高于520 ℃時，開始晶化，有α-Fe(Si)相長出.

圖4為樣品在不同溫度下退火1 h，測量頻率為0.3 MHz的磁阻抗變化曲線，右上角插圖為最大巨磁阻抗比隨退火溫度的變化關系.隨著退火溫度的升高，阻抗比曲線的頂端由小臺階變成尖銳的單峰形狀，這說明薄帶樣品的縱向易磁化結構得到了提高.因為當驅動場磁化的方向與樣品的易磁化方向都是縱向的情況下,疇壁移動和磁矩轉動都對磁化有很大的貢獻,一旦同樣沿著軸向的外磁場有一個微小的變化,就會對2種運動的磁化產生嚴重的阻礙作用,隨著外場的增加磁導率會急劇下降,致使磁阻抗比隨外磁場表現為迅速下降的變化[10].由圖4插圖中的曲線可以看出，隨著退火溫度的升高，最大阻抗比先略微下降，然后增大，在440 ℃時達到最大值1 196%，即此時材料縱向易磁化結構達到最佳值.當溫度繼續升高，阻抗比迅速下降，在485 ℃時已出現非對稱的現象[11]，到490 ℃阻抗比趨于零.與其他Fe基材料不同[12]，在納米晶形成之前樣品的阻抗比就已經達到了最大；而當非晶開始晶化時，阻抗比已經趨于零了.這可能與非晶本身結構的變化有關[13]，樣品的磁結構在非晶態的情況下就發生了變化[14]，導致了阻抗比的變化.

4 結 論

通過單輥快淬法制得的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄帶具有良好的巨磁阻抗效應，其最大阻抗比為754%.在氮氣保護條件下對樣品進行溫度退火，隨溫度升高，樣品最大阻抗比呈先略微下降后增大，最后迅速下降的趨勢.440 ℃退火1 h樣品阻抗比達到最大，在測量頻率為0.3 MHz時，靈敏度和最大阻抗比分別為715%/(A5m-1)和1 196%，均遠遠大于鑄態樣品.

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LongitudinallydrivenGMIeffectoftheFe76Si7.6B9.5P5C1.9alloyribbon

MA Yun, YE Huiqun, LI Wenzhong, JIN Linfeng,YAN Weiyan, FAN Xiaozhen, FANG Yunzhang

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

The Fe76Si7.6B9.5P5C1.9amorphous ribbons with width of 0.35 mm and the thickness of 0.033 mm were prepared by single roller quenching method. An obvious giant magneto-impendence (GMI) effect was found in samples, with the maximum magneto-impendence ratio of 754%. While the ribbons annealed under the protection of nitrogen, the maximum magneto-impendence ratio increased. When annealed at temperature of 440 ℃ for 1 h, the maximum magneto-impendence ratio of the sample attained to 1 196%, and the sensitivity was 715/(A5m-1).

longitudinally driven; amorphous component; amorphous ribbon; temperature anneal

1001-5051(2011)01-0055-04

O482. 5

A

2010-10-19

國家自然科學基金資助項目(50871104);浙江省新苗人才計劃孵化項目(0962)

馬 云(1985-),男,湖北黃岡人,碩士研究生.研究方向:非晶軟磁材料及傳感技術.

方允樟

(責任編輯 杜利民)