СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ..................................................................2
ВВЕДЕНИЕ....................................................................4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................................6
Ы.Перемагничивание высокоанизотропных материалов.....................6
1.1.1. Механизмы перемагничивания.......................................6
1.1.2. Влияние исходного магнитного состояния...........................9
1.1.3. Влияние величины намагничивающего ноля на гистерезисные свойства 12
1.2. Магнитостатическое взаимодействие в магнитотвердых материалах..13
1.2.1. Моделирование взаимодействия....................................13
1.2.2. Термическое намагничивание......................................18
1.2.3. Особенность процессов перемагничивания в виде «каналов».........19
1.2.4. Образование кооперативных областей доменов взаимодействия.......21
1.2.5. Графики Хенкеля.................................................25
1.3 Постановка цели и задач.........................................29
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ...................................31
2.1. Методика получения и свойства моделируемых сплавов.............31
2.2. Положения модели......................................... 32
2.3. Учет магнитостатического взаимодействия в ансамбле ...........35
2.4. Методика послойной визуализации магнитного состояния микрообъсмов39
2.5 Методика построения векторов намагниченностей микрообъемов......40
2.6. Алгоритм определения параметров модельного ансамбля............41
2.7. Алгоритм построения Графиков Хенкеля...........................42
2.8. Методика работы с программой...................................43
2.8.1. Ввод параметров ансамбля........................................43
2.8.2. Методика построения петель гистерезиса..........................48
2.8.3. Построение графиков Хенкеля.....................................49
2.8.4. Дополнительные возможности программы моделирования..............50
2.8.5. Экспортирование данных расчета..................................52
2.8.6. Методика работы с программой Analyzer...........................52
2.8.7. Открытие файла данных и сохранение результата...................52
2.8.8. Просмотр параметров ансамбля и изображений намагниченностей микрообъемов.......................................................54
2.8.9. Экспорт параметров микрообъемов.................................56
2.8.10. Построение изображений.........................................57
3. ВЛИЯНИЕ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНСАМБЛЯ И ЕГО СОСТОЯНИЯ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МИКРООБЪЕМАМИ. ...........................................................................59
3.1. Создание модельных ансамблей взаимодействующих микрообъемов, описывающих поведение спеченных магнитов SmCos......................59
3.2. Послойное наблюдение магнитных состояний микрообъемов в процессе намагничивания и перемаг ничивания под действием магнитостатического взаимодействия......................................................61
3.3. Влияние исходного размагниченного состояния на частные петли гистерезиса и образование каналов намагничивания....................67
3.4. Влияние формы образца на величину магнитостатического взаимодействия......................................................69
3.5. Выводы.........................................................73
4. ВЛИЯНИЕ ГИСТЕРЕЗИСНЫХ СВОЙСТВ МИКРООБЪЕМОВ АНСМБЛЯ И ИХ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.........................74
2
4.1. Исследование влияния распределения микрообъемов по коэрцитивности Нек*................................................................74
4.2. Исследование влияния распределения микрообъемов по параметру А.80
4.3. Исследование влияния поля насыщения Н$.........................81
4.4. Исследование влияния степени текстуры на магнитостатическое взаимодействие между микрообъемами..................................87
4.5. Выводы.........................................................94
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ГРАФИКОВ ХЕНКЕЛЯ В МАТЕРИЛАХ С
ПЕРЕХОДНОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ.............................................95
5.1. Влияние способа размагничивания ансамбля однодоменных частиц на вид графиков Хенкеля....................................................95
5.2 Графики Хенкеля для материалов с переходной доменной структурой.96
5.3 Влияние исходного магнитного состояния на вид 1-рафиков Хенкеля.99
5.4 Влияние текстуры ансамбля на вид графиков Хенкеля..............104
5.5 Выводы.........................................................106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................108
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................110
3
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время для улучшения магнитных свойств материалов интенсивно развиваются методы получения в них нанокристалличсской микроструктуры. При этом благодаря высокому значению намагниченности насыщения и поля анизотропии особое внимание уделяется высокоанизотропным редкоземельным материалам системы Ыб-Ре-В и Эш-Со. Персмагничивание быстрозакаленных и спеченных магнитов этих систем осуществляется по механизму зародышеобразования.
Основной причиной отличия расчетных и экспериментальных эксплуатационных свойств магнитов (остаточной намагниченности, коэрцитивной силы, энергетического произведения, кроме дефектности) считают взаимодействие в материале между микрообъемами.
Существующие методы выявления и оценки взаимодействия нс лишены недостатков. Косвенная оценка взаимодействия в магнитных материалах с помощью наблюдения доменной структуры на поверхности, используя эффект Керра или магнитно-силовой микроскоп, довольна спорна, из-за отсутствия данных о доменной структуре в объеме массивных материалов. Использование отклонений графиков Хенкеля от теоретической кривой Вольфарта в качестве инструмента обнаружения взаимодействия в магнитных материалах с переходной доменной структурой, перемагничивание которых определяется трудностью зарождения домена обратной намагниченности, также является довольно неоднозначной.
Учитывая это, цель работы состояла в исследовании влияния магнитостатического взаимодействия на процессы перемагничивания в объеме высокоанизотропного одноосного материала, перемагничивание которого лимитируется трудностью образования зародышей обратной намагниченности, в зависимости от степени текстуры, исходного размагниченного состояния материала, формы микрообъемов.
Для достижения поставленной цели разработано программное обеспечение и методики моделирования, позволяющие определять величину магнитостатического поля взаимодействия, визуализировать магнитное состояние микрообъемов в объеме материалов, перемагничивание которых лимитируется трудностью образования зародышей обратной намагниченности. Исследовано влияние исходного магнитного состояния, распределения полей насыщения микрообъемов, распределения микрообъемов по коэрцитивности и степени текстуры на магнитостатическое взаимодействие между микрообъемами при намагничивании
4
и размагничивании. Также проведен анализ факторов, влияющих на ход графиков Хенкеля в полном объеме, включая учет распределения микрообъемов по коэрцитивности, способа размагничивания материала и степени кристаллической текстуры.
Разработанное программное обеспечение и методики позволили установить причины и закономерности коллективного перемагничивания микрообъемов под действием магнитостатического поля в рассматриваемых материалах. Показано, что отклонения графиков Хенкеля, построенных для материалов с переходной доменной структурой, не несут адекватной информации о характере взаимодействия микрообъемов в материалах систем Ш-Ре-В и 5т-Со.
Кроме этого, разработанные методики моделирования и их программное обеспечение позволяют проводить анализ влияния исходного магнитного состояния и технологических параметров при получении магнитных материалов на характер магнитостатического взаимодействия между микрообъемами.
5
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1.Перемагничивание высокоанизотропных материалов
1.1.1. Механизмы перемагничивания
При рассмотрении процессов перемагничивания общепринятой является точка
зрения, что возможны три элементарных действия, приводящих к возникновению магнитного гистерезиса: трудность образования зародыша обратной магнитной фазы, трудность роста зародыша и трудность отрыва доменной стенки от места её закрепления. В работе /1/ показано, что к рассмотрению можно принять только два элементарных акта процесса перемагничивания: трудность образования зародыша и трудность отрыва доменной стенки. Такая постановка справедлива для высокоанизотропных материалов, в которых элементарный акт реализуется в объеме, близком к критическому размеру однодоменности.
В высокоанизотропных материалах, какими являются сплавы на основе соединений 8шСо5, ШгРснВ и системы 8т-Со-Си-Ре-2г, из-за большой величины магнитной кристаллической анизотропии образование зародыша магнитной фазы с обратным направлением вектора намагниченности возможно в местах, где локальное значение константы магнитной анизотропии и, следовательно, поля анизотропии значительно ниже, то есть на дефектах кристаллической структуры. Однако при высоком значении константы магнитной анизотропии ширина доменной стенки становится сравнимой с линейным размером дефекта кристаллической структуры, в таком случае кристаллический дефект служит и эффективным местом се закрепления.
В работах /2-6/ для установления особенностей магнитного поведения материала, гистерезисные свойства которого обусловлены трудностью отрыва закрепленной доменной стенки, в основу моделирования положили элементарный акт отрыва доменной стенки от мест ее закрепления внешним магнитным полем Нкр в микрообъеме материала в виде сферической частицы с размагничивающим фактором Ы=4/Зл. Считая микрообъемы равными и текстурованными легкими осями вдоль направления приложенного поля, и введя распределение Нкр по числу частиц, проводили моделирование предельной петли гистерезиса, частных петель гистерезиса и кривых возврата намагниченности при снятии отрицательного магнитного поля. Сравнение рассчитанных зависимостей с экспериментальными, измеренными на текстурованных порошках сплавов 8т (Со, Си)б,9 и Бт (Со, Си, Ре, Zr)7>з, в которых по данным /7-9/ коэрцитивная сила обусловлена трудностью огрыва доменной стенки от места закрепления, показало возможность выделения в качестве критериев лимитирующего звена процесса перемагничивания
6
следующие особенности гистерезнсного поведения: широкие по полю частные петли гистерезиса изменялись с увеличением намагничивающего поля цикла вследствие роста намагниченности ансамбля; возврат намагниченности ДМ при снятии отрицательного поля мал и на зависимостях ДМ(Н) и ДМ(М) отсутствовали максимумы, а на второй производной начальной кривой намагничивания но полю наблюдались максимум и минимум (рис. 1.1, а).
/1%П
*0 У л , л г 1 1 1_
з г ; 0,5 < 6
б
Рис. 1.1. Частные петли гистерезиса (1), кривые намагничивания (2), вторая
д2М ...
производная кривой намагничивания по полю (3) и зависимость величины возврата
намагниченности от поля (4) для материала, в котором процесс перемагничивания лимитируется трудностью отрыва доменной стенки (а) и трудностью зародышеобразования (б). Кривая 5 получена расчетом по модели.
Иная картина имела место для этих же характеристик, если в материале лимитирующим звеном процесса перемагничивания является трудность в образовании зародыша обратной намагниченности. Особенность этого типа гистерезиса отмечена в
7
работах Бекера, Шура Я.С. и Кандауровой Г.С. с сотрудниками /10-13/ по изучению гистерезиса возникновения доменной структуры в частицах высокоанизотропных одноосных ферромагнетиках с размерами, большими критического размера однодоменности. В частицах таких размеров в зависимости от величины намагничивающего поля возможна реализация одно- и многодоменного состояния. В равновесном состоянии такая частица является многодоменной. Если её намагнитить до однодоменного состояния в сравнительно слабом магнитном поле, а затем его выключить, то частица разобьется на домены. Однако после намагничивания в сильном магнитном поле и его выключении частица остается однодоменной. Её перемагничивание происходит только в сильном магнитном поле в результате одного скачка, аналогично перемагничиванию однодоменной частицы. В последствии частицы с таким механизмом гіеремагничивания получили название частиц с переходной доменной структурой /12/.
Прямые наблюдения доменной структуры порошков и монокристаллов БтСо5 /13, 14/ показали, что для них характерно гистерезисное поведение типа зарождения. Зависимость поля скачкообразного гіеремагничивания частиц Но от намагничивающею поля Нт имеет четко выраженный ступенчатый характер /13, 15,16-18/ рис 1.2.
Но’ 4 кЭ
0
-4
і і «"Д
4 12
Нт.кЭ
Рис. 1.2. Экспериментальные зависимости коэрцитивной силы Н0 от намагничивающего поля Нт для монокристалла БшСо5 при трех повторных измерениях
/13/.
На зависимостях ДМ(Н) и ДМ(М) для материалов, перемагничивающихся по механизму зародышеобразования, авторы /2/ выделяют следующие особенности гистерезисного поведения для данного лимитирующего звена: 1) частные петли гистерезиса по мере увеличения намагничивающего поля цикла становятся шире по полю
8
при почти неизменной намагниченности цикла, которая уже п малых полях приближается к своему максимальному значению; 2) кривые зависимости возврата намагниченности от величины отрицательного поля и текущей намагниченности ДМ(Н) и ЛМ(М) имеют максимум, который по расчету может достигать намагниченности насыщения (величина максимума зависит от соотношения в ансамбле долей однодоменных и многодоменных микрообъемов); 3) вторая производная кривой намагничивания по полю имеет только минимум, ширина которого определяется распределением по значениям их размагничивающих факторов.
Рядом авторов /13, 19, 20-23/ в качестве параметра, подтверждающего реализацию того или иного механизма перемагничивания, предлагаются так называемые полевые зависимости - зависимости коэрцитивной силы цикла Нст, намагниченности цикла 1т и остаточной намагниченности 1гт от величины намагничивающего поля цикла Нт. Авторами /24/ показано, что при лимитировании процесса перемагничивания закреплением, величина Нст достигает своего максимального значения, равного предельному значению коэрцитивной силы |НС, в намагничивающих полях Нт>||Нс|. В случае реализации механизма зародышеобразования величины Нст, 1гт, и 1т достигают своего максимального значения в намагничивающих полях, меньших предельного значения коэрцитивной силы, Нт<||Нс| /25/.
1.1.2. Влияние исходного магнитного состояния
Различие в ходе кривых намагничивания на спеченных магнитах 8тСо5 наблюдали
авторы многих работ /26-28/. В работе /29/ проведено исследование влияния исходного магнитного состояпия спеченных магнитов БшСоз на ход кривых намагничивания (рис 1.3). В работе различали три способа размагничивания: термическое - нагрев выше температуры Кюри Тс, циклическое - размагничивание знакопеременным магнитным полем с убывающей амплитудой и размагничивание отрицательным магнитным полем КНС.
Кривые намагничивания спеченного образца 8тСо5 после нагрева до 900 °С, выдержки 10 минут и охлаждения на воздухе, измеренные из разных исходных состояний представлены на рис. 1.3 /29/. Кривая Л(Н), снятая из термически размагниченного состояния (кривая «1»), идет круто и её наклон к оси поля не зависит от значения коэрцитивной силы образца. Кривая 1(Н), измеренная после размагничивания отрицательным полем яНс, идет круто только на начальном участке (кривая 3 рис. 1.3). Кривая намагничивания после циклического размагничивания на начальном участке также идет круто, начиная со значений внешнего поля, близких к ]НС, прирост намагниченности резко замедляется по мере увеличения поля (кривая 2 рис. 1.3).
9