焦耳-應(yīng)力退火對(duì)Co基薄帶巨磁阻抗的影響*

張樹玲，甘志穎，劉慧嫻，高露露，丁文捷

(1. 青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520； 2. 寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750001； 3. 青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

巨磁阻抗效應(yīng)(giant magneto impedance, GMI)是指軟磁材料的交流阻抗隨外加磁場(chǎng)敏感變化的現(xiàn)象[1]。GMI效應(yīng)具有靈敏度高、飽和磁場(chǎng)低、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好和功耗低等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于磁場(chǎng)和應(yīng)力檢測(cè)的高靈敏傳感器開發(fā)[2-3]。Co基非晶合金是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)異的軟磁材料之一，它不僅具有很高的磁導(dǎo)率、很低的矯頑力和損耗，還具有優(yōu)良的磁滯回線以及磁致伸縮系數(shù)接近于零等特點(diǎn)[4-6]，而且由于非晶態(tài)合金的硬度高，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，因而具有很高的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了多款商用Co基薄帶GMI傳感器[2]。Co基非晶態(tài)合金由于原子排列呈短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序，沒(méi)有晶態(tài)合金所具有的晶界和位錯(cuò)等，具有優(yōu)異的軟磁性能和力學(xué)性能，被視為新材料開發(fā)的重點(diǎn)[7-8]。

GMI效應(yīng)來(lái)源于軟磁材料在外加磁場(chǎng)作用下趨膚深度的改變和自身特殊的磁疇結(jié)構(gòu)的演化[6]。隨頻率的升高，趨膚效應(yīng)逐漸明顯，交流電流產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)主要作用于Co基薄帶材料的表層，其橫向磁導(dǎo)率對(duì)外加縱向磁場(chǎng)更加敏感，隨外磁場(chǎng)的變化而迅速改變，因而GMI效應(yīng)顯著[9-11]。軟磁材料的磁疇尺寸、形狀和分布是影響電磁性能的主要參數(shù)，為了進(jìn)一步提高磁性材料的GMI效應(yīng)，研究者們嘗試對(duì)薄帶、薄膜等磁性材料進(jìn)行各種退火[12-13]，在退火過(guò)程中對(duì)Co基薄帶施加磁場(chǎng)或應(yīng)力可以達(dá)到改變材料磁各向異性的目的，進(jìn)而有效地調(diào)控材料的性能[14-16]。研究表明，對(duì)于具有正磁滯伸縮系數(shù)的Fe基薄帶，進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火后，拉應(yīng)力導(dǎo)致了橫向各向異性的提高，進(jìn)而提高其GMI效應(yīng)[17]，但是退火過(guò)程中納米晶的出現(xiàn)將降低材料的橫向各向異性[4,16]。具有負(fù)磁滯伸縮系數(shù)的Co基薄帶進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火，效果如何呢？本文通過(guò)在不同退火條件下對(duì)快速凝固技術(shù)制備出的Co基非晶薄帶進(jìn)行不同頻率下的阻抗分析及磁疇運(yùn)動(dòng)觀察，從而分析焦耳-應(yīng)力退火對(duì)合金軟磁性能和巨磁阻抗的影響，以探索提高GMI性能的退火技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

Co基薄帶名義成為Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8，采用單輥甩帶法制備，所制備薄帶的連續(xù)長(zhǎng)度5 m左右、寬度0.8 mm、厚度為28μm。焦耳應(yīng)力退火實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇長(zhǎng)度80 mm，厚度均勻的薄帶，然后對(duì)薄帶進(jìn)行焦耳-應(yīng)力退火處理，退火過(guò)程中拉應(yīng)力通過(guò)垂直懸掛的砝碼產(chǎn)生，應(yīng)力強(qiáng)度分別為8.5,12.8,16.0,24.5 MPa，退火電流密度為18 A/mm2，退火時(shí)間20 min，室溫空冷。取長(zhǎng)度25 mm的退火薄帶，采用安捷倫4294精密阻抗分析儀測(cè)量其縱向磁阻抗，直流外加磁場(chǎng)由一對(duì)直徑30 cm的赫姆赫茲線圈提供，外磁場(chǎng)方向與薄帶的長(zhǎng)度方向平行，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為7.2 kA/m。

采用GMI效應(yīng)阻抗變化率定義為：

(1)

其中，Z(H)為外加磁場(chǎng)為H時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗，Z(H)max為最大外磁場(chǎng)7.2 kA/m時(shí)的阻抗值。

薄帶樣品的磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度一般定義為薄帶阻抗變化率隨外加磁場(chǎng)的變化率，即：

(2)

其中，ΔZ是阻抗變化率，H為外加直流磁場(chǎng)。

室溫磁疇觀察采用德國(guó)生產(chǎn)的Evico磁光克爾效應(yīng)顯微鏡進(jìn)行觀察，最大外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為4 kA/m，測(cè)試時(shí)外加磁場(chǎng)平行于薄帶的長(zhǎng)方向，即如圖1所示。

圖1 磁疇觀察時(shí)磁場(chǎng)與薄帶放置關(guān)系圖Fig.1 Magnetic field and ribbon placement in the domain observation

2 結(jié)果與討論

2.1 退火前后的巨磁阻抗效應(yīng)分析

圖2是制備態(tài)薄帶不同頻率下的GMI曲線。由圖2可見(jiàn)，在0.04 MHz條件下，未經(jīng)制備態(tài)GMI曲線呈“鐘形”單一峰狀，且峰值較小，其最大阻抗變化率為2.5%，隨著驅(qū)動(dòng)電流頻率的增大，制備態(tài)薄帶阻抗變化率也隨之增大，在0.4 MHz時(shí)，GMI曲線由單峰變?yōu)榻?jīng)典的雙峰狀，這與頻率升高趨膚效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，薄帶材料的磁化過(guò)程發(fā)生變化有關(guān)[14]。

圖3是分別在無(wú)應(yīng)力和外加應(yīng)力分別為8.5，12.8，16.0，24.5 MPa作用下經(jīng)過(guò)18 A/mm2電流退火的Co基非晶薄帶在不同頻率下的GMI曲線。由圖2可以看出，在0.04 MHz條件下，當(dāng)對(duì)薄帶進(jìn)行0.4 A電流焦耳退火處理后，最大GMI值達(dá)到了5.6%，雖然GMI效應(yīng)相對(duì)于未退火狀態(tài)下的薄帶有了一定的提高，但是GMI曲線在零磁場(chǎng)附近存在波動(dòng)；當(dāng)對(duì)退火的薄帶施加一個(gè)平行于薄帶軸向方向8.5 MPa的拉應(yīng)力時(shí)，薄帶的最大阻抗變化率為5.5%；當(dāng)應(yīng)力增大到16 MPa時(shí)，最大阻抗變化率下降為6.5%，GMI曲線變?yōu)殡p峰，這說(shuō)明在退火應(yīng)力的作用下，薄帶的各向異性發(fā)生了變化[15,18]；繼續(xù)增大拉應(yīng)力至24.5 MPa，最大阻抗變化率達(dá)到8%，GMI曲線更加光滑。

當(dāng)頻率增大至0.4 MHz時(shí)，樣品的GMI曲線均呈光滑的雙峰狀，且隨著拉應(yīng)力的增大峰寬逐漸變窄，這進(jìn)一步說(shuō)明退火應(yīng)力的存在使得薄帶各向異性發(fā)生變化，且縱向易磁化結(jié)構(gòu)逐步增多。在該頻率驅(qū)動(dòng)下，5種退火狀態(tài)下的最大阻抗變化率分別為40%、37%、46.5%、42.1%、47.6%，相比于未退火狀態(tài)焦耳退火材料的GMI有了大幅度的提高。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的頻率增大時(shí)，趨膚效應(yīng)逐漸明顯，材料的環(huán)向磁化過(guò)程變得容易，因此GMI效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

圖2 制備態(tài)薄帶的GMI曲線圖Fig.2 GMI curves of the as-cast ribbon

圖3 不同焦耳應(yīng)力退火后薄帶的GMI曲線圖Fig.3 GMI curves after annealed under different stresses: (a)0.04 MHz, (b)0.08 MHz;(c)0.4 MHz, (d)0.8 MHz

圖4為Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶在不同頻率下最大阻抗變化率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨退火應(yīng)力的變化曲線。由圖4可以看出，薄帶最大阻抗變化率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨退火應(yīng)力的增加呈下降趨勢(shì)。理論研究表明，對(duì)于GMI峰值阻抗對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與材料的等效各向異性場(chǎng)Hk有關(guān)[19]。低頻下，趨膚效應(yīng)不明顯，薄帶的磁化過(guò)程主要以疇壁位移為主，由于材料的結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力各向異性導(dǎo)致的磁化波動(dòng)較大[20]，且此時(shí)磁疇不規(guī)則，因而GMI效應(yīng)相對(duì)弱，同時(shí)GMI曲線在零磁場(chǎng)附近存在波動(dòng)；隨焦耳退火的施加，焦耳熱作用下薄帶材料的部分鑄造應(yīng)力得到釋放，這降低了材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，各向異性場(chǎng)相對(duì)降低；但是隨退火過(guò)程中外應(yīng)力的施加，薄帶內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)在焦耳熱和外加應(yīng)力作用下，磁疇將發(fā)生重組；隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加，趨膚效應(yīng)更加明顯，橫向磁化過(guò)程主要發(fā)生在薄帶材料表面[19]，內(nèi)部疇對(duì)表層磁疇的拖拽作用顯著，磁化阻力更大、磁化過(guò)程不容易進(jìn)行，同時(shí)渦流阻尼也進(jìn)一步增強(qiáng)，因此，達(dá)到GMI效應(yīng)峰值需要更大的外磁場(chǎng)[8]。1MHz下，等效各向異性場(chǎng)隨退火應(yīng)力σ的增加線性降低，經(jīng)過(guò)線性擬合，Hk=-1.28σ+126.25。

圖4 等效各向異性場(chǎng)Hk隨拉應(yīng)力的變化曲線Fig.4 The effective anisotropy field after different Joule-stress current treatment

圖5為材料的最大靈敏度。拉應(yīng)力相同的條件下，隨頻率的增加，材料的靈敏度也隨之增大。經(jīng)過(guò)24.5 MPa焦耳-應(yīng)力退火， MHz時(shí)薄帶的靈敏度達(dá)到280.2%/(kA/m)，這使得開發(fā)低頻工作點(diǎn)GMI磁傳感器成為可能。而且，靈敏度隨外加拉應(yīng)力的增加大致為先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)。在驅(qū)動(dòng)電流頻率0.4 MHz條件下，樣品在8.5MPa應(yīng)力退火時(shí)的靈敏度最大為185.4%/(kA/m)，在0.04，0.08，0.8和1 MHz頻率下，薄帶經(jīng)過(guò)24.5 MPa應(yīng)力退火后的最大靈敏度為66.5、83.2、251.2、280.2%/(kA/m)。

圖5 不同應(yīng)力退火樣品的靈敏度與退火應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 The field sensitivity after different Joule-stress current treatment

2.2 退火前后薄帶磁疇觀察與分析

Co基軟磁薄帶材料的磁疇結(jié)構(gòu)決定了其電磁性能，為了進(jìn)一步分析焦耳-應(yīng)力退火對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響，分析了制備態(tài)薄帶磁疇結(jié)構(gòu)隨縱向磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及退火后薄帶材料在相同外磁場(chǎng)作用下的磁疇結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

圖6(a)-(e)分別是制備態(tài)薄帶材料在外磁場(chǎng)作用下表面磁疇狀態(tài)，外磁場(chǎng)為零左右時(shí)，薄帶表面不存在明顯的疇結(jié)構(gòu)，隨外磁場(chǎng)的增加，疇壁移動(dòng)明顯，薄帶表面逐漸形成明顯的疇結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域形成漩渦裝的疇結(jié)構(gòu)，而部分區(qū)域?yàn)椤皬澰隆毙螏М牻Y(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為2 kA/m時(shí)疇結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為4 kA/m時(shí)疇結(jié)構(gòu)變化不明顯。

圖6 制備態(tài)薄帶不同外磁場(chǎng)作用下的磁疇變化Fig.6 Domain transformation of the as-cast ribbon under different external field:(a)40 A/m, (b) 647 A/m, (c) 2 kA/m, (d) 4 kA/m

圖7為焦耳退火后薄帶的磁疇結(jié)構(gòu)，焦耳退火和8.5，16，24.5 MPa焦耳應(yīng)力退火后，薄帶在外磁場(chǎng)強(qiáng)度0.4 kA/m左右時(shí)薄帶表面磁疇結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。由圖7可以看出，0.4 A焦耳退火后，在縱向磁場(chǎng)作用下，樣品的為橫向磁疇，且每一單疇呈寬大條帶狀分布，平均單疇寬度90 μm左右且與磁場(chǎng)方向垂直；隨著退火過(guò)程中拉應(yīng)力的施加，條狀疇逐漸變窄，同時(shí)逐漸向磁場(chǎng)方向偏轉(zhuǎn)，退火拉應(yīng)力為16 MPa時(shí)，帶狀疇寬度減小至45 μm左右，同時(shí)帶狀疇內(nèi)部出現(xiàn)與磁場(chǎng)方向平行的細(xì)小縱向疇(寬度9 μm，長(zhǎng)度30 μm左右)，繼續(xù)增加退火應(yīng)力，橫向帶狀疇內(nèi)細(xì)小的縱向疇數(shù)量增加，且橫向帶狀疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這可能是由于焦耳退火過(guò)程中，施加拉應(yīng)力后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與帶長(zhǎng)方向垂直的彈性場(chǎng)[8-9]，體系為了降低能量，在焦耳熱和彈性應(yīng)力作用下，帶內(nèi)橫向磁疇逐漸向帶的長(zhǎng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同取向的橫向疇偏轉(zhuǎn)速度不一致導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)后的橫向疇更加不規(guī)則；另外，橫向疇內(nèi)逐漸形成新的縱向疇，由于退火時(shí)間為20 min，新生縱向疇來(lái)不及長(zhǎng)大即空冷，且隨退火應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的增加，縱向疇的數(shù)目增多，最后形成了如圖7(d)所示的細(xì)小指紋疇，且這類疇結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)變化敏感，縱向磁化更容易達(dá)到飽和，因此GMI效應(yīng)的最大值對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨拉應(yīng)力的增加而逐漸減小，如圖4所示，而各向異性場(chǎng)的改變和最大阻抗變化率的升高也使得靈敏度進(jìn)一步提高，如圖5所示。

圖7 不同退火狀態(tài)下薄帶的磁疇結(jié)構(gòu)Fig.7 Magnetic domain structure of ribbons after different annealing treatment: (a)0.4 A, (b)8.5 MPa, (c)16 MPa, (d)24.5 MPa

3 結(jié) 論

通過(guò)分析焦耳-應(yīng)力退火前后Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶的GMI效應(yīng)和磁疇演變，主要得到如下結(jié)論：

(1)經(jīng)焦耳-應(yīng)力退火后，薄帶的低頻GMI效應(yīng)得到有效提高。經(jīng)18 A/mm2的電流密度同時(shí)施加24.5 MPa拉應(yīng)力的焦耳-應(yīng)力退火后，薄帶材料的GMI效應(yīng)最強(qiáng)；0.4 MHz下的最大阻抗變化率達(dá)到47.6%，1MHz頻率下的磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度達(dá)到280.2%/(kA/m)。同時(shí)，隨焦耳-應(yīng)力退火改善了材料低頻下GMI效應(yīng)的磁滯，GMI曲線更光滑。

(2)磁疇分析表明，焦耳退火過(guò)程中拉應(yīng)力的施加改變了Co83.2Fe5.2Si8.8B2.8薄帶磁疇結(jié)構(gòu)。焦耳退火使得這類Co基薄帶磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則、寬大的橫向條帶疇；而焦耳-應(yīng)力退火產(chǎn)生的綜合磁彈性場(chǎng)作用下，橫向條狀軸逐漸向薄帶縱向偏轉(zhuǎn)，并隨拉應(yīng)力增加條帶疇中逐漸衍生出了縱向指紋疇，改變了薄帶的各向異性，使得縱向各向異性逐漸增強(qiáng)，提高了縱向驅(qū)動(dòng)下GMI效應(yīng)的磁場(chǎng)響應(yīng)靈敏度。

致謝

感謝華東師范大學(xué)趙振杰教授、郭永斌博士和太原科技大學(xué)張克維教授、陳哲博士在阻抗測(cè)試和磁疇觀察中的協(xié)助。