Влияние механических напряжений на спектр сигнала намагничивания в аморфных микропроводах из сплавов на основе кобальта

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Mагнитомягкие материалы с высокой магнитной восприимчивостью в ответ на воздействие переменных магнитных полей генерируют в приемной катушке индукционное электрическое напряжение, спектр которого содержит высшие гармоники. Это обусловлено нелинейной зависимостью намагниченности от магнитного поля, и амплитуды высших гармоник дают значительный вклад в общий сигнал, если внешнее поле приводит к магнитному насыщению. В аморфных ферромагнетиках магнитная восприимчивость и поле насыщения в значительной степени определяются магнитоупругими взаимодействиями, соответственно, амплитуды высших гармоник должны зависеть от внешних механических напряжений. В данной работе исследуются процессы перемагничивания в аморфных микропроводах двух составов: Co71Fe5B11Si10Cr3 и Co66.6Fe4.28B11.51Si14.48Ni1.44Mo1.69 при воздействии внешних растягивающих напряжений. Для первого состава механические напряжения, превышающие некоторый предел (более 350 МПа), приводят к трансформации магнитного гистерезиса с бистабильного типа в наклонный. При этом наблюдается резкое изменение гармонического спектра. В микропроводах второго состава с изначально наклонной петлей, внешние напряжения вызывают монотонное увеличение угла наклона петли гистерезиса, т. е. уменьшение восприимчивости. В этом случае амплитуды высших гармоник претерпевают значительные изменения при небольших напряжениях, меньше 100 МПа. Результаты получены при перемагничивании образцов микропровода с помощью системы плоских катушек, что демонстрирует потенциал применения этих материалов в качестве беспроводных датчиков механических напряжений с дистанционным считыванием.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Евстигнеева

НИТУ МИСиС; QLU, Российский квантовый центр

Автор, ответственный за переписку.
Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049; Большой бульвар, 50, стр. 1, Москва, 121205

О. Луценко

НИТУ МИСиС; QLU, Российский квантовый центр

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049; Большой бульвар, 50, стр. 1, Москва, 121205

Т. Ю. Ганьжина

НИТУ МИСиС

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049

В. В. Мирошкина

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru
Россия, ул. Проф. Попова, 5, Санкт-Петербург, 197022

Н. А. Юданов

НИТУ МИСиС

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049

М. А. Немирович

Лаборатория интеллектуальных сенсорных систем, НИТУ МИСиС

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049

Л. В. Панина

НИТУ МИСиС; Балтийский Федеральный Университет им. И. Канта

Email: svetlana_evstigneeva95@mail.ru

кафедра технологии материалов электроники

Россия, Ленинский пр-т, 4, Москва, 119049; ул. Александра Невского, 14, Калининград, 236041

Список литературы

  1. Keat G. Ong, Maggie Paulose Craig A. Grime. A Wireless, Passive, Magnetically-soft Harmonic Sensor for Monitoring Sodium Hypochlorite Concentrations in Water // Sensors. 2003. V. 3. P. 11–18.
  2. Baglio S., Member S., Bulsara A.R., Andò B., La Malfa S., Marletta V., Trigona C., Longhini P., Kho A., In V., Neff J.D., Anderson G.W., Obra C.C., Meadows B.K., Palacios A. Exploiting Nonlinear Dynamics in Novel Measurement Strategies and Devices: From Theory to Experiments and Applications // IEEE Trans. Inst. Measurement. 2011. V. 60. No. 3. P. 667–695.
  3. Praslicka D., Blazek J., Smelko M., Hudak Jozef Cverha A., Mikita I., Varga R., Zhukov A. Possibilities of measuring stress and health monitoring in materials using contact-less sensor based on magnetic microwires // IEEE Trans. Magn. 2013. V. 49. P. 128–131.
  4. Churyukanova M., Kaloshkin S., Shuvaeva E., Stepashkin A., Zhdanova M., Aronin A., Aksenov O., Arakelov P., Zhukova V., Zhukov А. Non-contact method for stress monitoring based on stress dependence of magnetic properties of Fe-based microwires // J. Alloys Compounds. 2018. V. 748. P. 199–205.
  5. Zhukov A., Corte-Leon P., Gonzalez-Legarreta L., Ipatov M., Blanco J.M., Gonzalez A., Zhukova V. Advanced functional magnetic microwires for technological applications // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 253003.
  6. Kozejova D., Varga R. Bistable magnetic microwire for contactless sensor of intracranial pressure // J. Magn. Magn. Mater. 2023. V. 569. No. 170473.
  7. Hudák R., Varga R., Živčák J., Hudák J., Blažek J., Praslička D. Application of magnetic microwires in titanium implants–Conception of intelligent sensoric implant / Aspects of Computational Intelligence: Theory and Applications. Springer-Verlag, 2013. V. 2. P. 413–434.
  8. Hudak R., Polacek I., Klein P., Sabol R., Varga R., Zivcak J., Vazquez M. Nanocrystalline magnetic glass-coated microwires using the effect of superparamagnetism are usable as temperature sensors in biomedical applications // IEEE Trans. Magn. 2017. V. 53. P. 1–4.
  9. Sabol R., Varga R., Hudak J., Blazek J., Praslicka D., Vojtanik P., Badini G., Vazquez M. Stress dependence of the switching field in glass-coated microwires with positive magnetostriction // J. Magn. Magn. Mater. 2013. V. 325. P. 141–143.
  10. Sabol R., Rovnak M., Klein P., Vazquez M., Varga R. Mechanical Stress Dependence of the Switching Field in Amorphous Microwires // IEEE Trans. Magn. 2015. V. 51. P. 1–4.
  11. Vazquez M., Gomez-Polo C., Chen C.D.-X. Switching mechanism and domain structure of bistable amorphous wires // IEEE Trans. Magn. 1992 P. 3147–3149.
  12. Aragoneses P., Blanco J.M., Dominguez L., González J., Zhukov A., Vázquez M. The stress dependence of the switching field in glass-coated amorphous microwires // J. Phys. D Appl. Phys. 1998. V. 31. P. 3040–3045.
  13. Gleich B., Weizenecker J. Tomographic imaging using the nonlinear response of magnetic particles // Nature. 2005. V. 435. P. 1214–1217.
  14. Wu L.C., Zhang Y., Steinberg G., Qu H., Huang S., Cheng M., Bliss T., Du F., Rao J., Song G., Pisani L., Doyle T., Conolly S., Krishnan K., Grant G., Wintermark M.A. A Review of Magnetic Particle Imaging and Perspectives on Neuroimaging // Am. J. Neuroradiol. 2019. V. 40. P. 206–212.
  15. Chiriac H., Óvári T.A. Amorphous glass-covered magnetic wires: preparation, properties, applications // Prog. Mater. Sci. 1996. V. 40. P. 333–407.
  16. Zhukov A., Chichay K., Talaat A., Rodionova V., Blanco J.M., Ipatov M., Zhukova V. Manipulation of magnetic properties of glass-coated microwires by annealing // J. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 383. P. 232–236.
  17. Zhukov A., Churyukanova M., Kaloshkin S., Sudarchikova V., Gudoshnikov S., Ipatov M., Talaat A., Blanco J.M., and Zhukova V. Magnetostriction of Co–Fe-based amorphous soft magnetic microwires // J. Electron. Mater. 2016. V. 45. P. 226–234.
  18. Nematov M.G., Baraban I., Yudanov N.A., Rodionova V., Qin F.X., Peng H.X., Panina L.V. Evolution of the magnetic anisotropy and magnetostriction in Co-based amorphous alloys microwires due to current annealing and stress-sensory applications // J. Alloys Compounds. 2020. V. 837. P. 155584.
  19. Hudak J., Blazek J., Cverha A., Gonda P., Varga R. Improved Sixtus–Tonks method for sensing the domain wall propagation direction // Sensors and Actuators A: Physical. 2009. V. 156(2). P. 292–295.
  20. Antonov A.S., Borisov V.T., Borisov O.V., Prokoshin A.F., Usov N.A. Residual quenching stresses in glass-coated amorphous ferromagnetic microwires. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. V. 33. P. 1161–1168.
  21. Barandiarán J.M., Hernando A., Madurga V., Nielsen O.V., Vázquez M., Vázquez-López M. Temperature, stress, and structural-relaxation dependence of the magnetostriction in (Co0.94/BFe0.06)75/BSi15 B10 glasses // Phys. Rev. B. 1987. V. 35. P. 5066.
  22. Zhukova V., Blanco J.M., Rodionova V., Ipatov M., Zhukov A. Domain wall propagation in micrometric wires: limits of single domain wall regime // J. Appl. Phys. 2012. V. 111. P. 07E311.
  23. Panina L.V., Ipatov M., Zhukova V., Zhukov A. Domain wall propagation in Fe-rich amorphous microwires // Physica B. 2012. V. 407. P. 1442–1445.
  24. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. Berlin: Springer-Verlag, 1998.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фотография плоской катушки (а); схемы включения намагничивающих и детектирующих катушек соответственно (б, в).

Скачать (9KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение z-компоненты магнитного поля, создаваемого намагничивающими катушками при величине тока в 1 А. Ось x – в плоскости катушки, ось z – перпендикулярно плоскости.

Скачать (14KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Петли магнитного гистерезиса микропроводов составов Co71Fe5B11Si10Cr3 (образец № 1 – a) и Co66.6Fe4.28B11.51Si14.48Ni1.44Mo1.69 (образец № 2 – б) для различных внешних напряжений.

Скачать (28KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Скорость распространения ДГ вдоль оси микропровода состава Co71Fe5B11Si10Cr3 (образец № 1) как функция магнитного поля для различных значений приложенных напряжений. Данные приведены для нескольких частот магнитного поля (340, 500, 1000 Гц). Вставка показывает форму индуцированного сигнала в одной из детектирующих катушек при поле 750 A/м и частоте 500 Гц.

Скачать (22KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость амплитуды высших гармоник (№ 21, 23) от механических напряжений для сигнала, индуцированного движущейся ДГ в поле 385 А/м (частота – 500 Гц).

Скачать (14KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектральные характеристики микропровода состава Co71Fe5B11Si10Cr3 (образец № 1) при намагничивании плоской катушкой, создающей различную величину магнитного поля в центре катушки: (а), (б) – 325 А/м, (в), (г) – 560 А/м для различных величин приложенных напряжений. На рисунках (б) и (г) представлены зависимости от механических напряжений для конкретных гармоник № 17 и 23. Частота поля 500 Гц. Представлены нормализованные амплитуды на величину 3-й гармоники (A/A3).

Скачать (55KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость амплитуды гармоники № 11 от механических напряжений для микропровода состава Co66.6Fe4.28B11.51Si14.48Ni1.44Mo1.69 при намагничивании плоской катушкой, создающей величину поля в центре катушки 325 А/м, частота 500 Гц. Представлены нормализованные амплитуды на величину 3-й гармоники (A/A3).

Скачать (8KB)
Метаданные