退火工藝對 Fe基薄帶縱向＊驅(qū)動應(yīng)力阻抗效應(yīng)的影響

李文忠, 鄭建龍, 馬 云, 何 佳, 方允樟

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華 321004)

0 引 言

1997年,Shen等[1]首次在負磁致伸縮系數(shù)的 CoSiB非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨應(yīng)力阻抗 (GSI)效應(yīng),其應(yīng)力阻抗比可達 20%,是半導(dǎo)體力敏材料的 6倍以上,此后一直受到各國研究者的關(guān)注.但是,由于不斷發(fā)展的實際應(yīng)用需求[2-3],人們?nèi)匀蛔非蟾哽`敏的應(yīng)力傳感器.為了提高巨應(yīng)力阻抗的靈敏度,研究者做了大量的工作:文獻[4]通過對 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金摻 V進行組分調(diào)制獲得巨應(yīng)力阻抗比達-22.4%;文獻[5]通過對 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶進行溫度退火處理使應(yīng)力阻抗比達 25%;文獻[6]又通過對 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶外加張應(yīng)力電流退火來改善納米晶的磁導(dǎo)率和磁各向異性,獲得的應(yīng)力阻抗比高達 350%,是目前所見報道中采用橫向驅(qū)動模式獲得的最大值,顯著提高了應(yīng)力阻抗效應(yīng)的靈敏度.

1998年,楊介信等[7]在研究 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶的巨磁阻抗效應(yīng) (G M I)時采用了縱向驅(qū)動的方法將磁阻抗的靈敏度提高了 1個數(shù)量級,由于這種方法采用非接觸模式[8],可以有效地避免橫向驅(qū)動模式中導(dǎo)線與晶帶之間的接觸電阻及由此產(chǎn)生的焦耳熱損耗,同時產(chǎn)生了一個沿晶帶縱向的磁化場,從而影響材料內(nèi)部的磁化狀態(tài),導(dǎo)致其產(chǎn)生較大的磁阻抗效應(yīng).這種方法用于應(yīng)力阻抗效應(yīng) (SI)應(yīng)該能夠獲得更高的靈敏度,但相關(guān)工作至今仍未見報道.

本研究采用了縱向驅(qū)動的方法對 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶的應(yīng)力阻抗效應(yīng)進行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)其在納米微晶狀態(tài)下的應(yīng)力阻抗比可達 650%,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度達 120%/MPa.這種獲得高靈敏的應(yīng)力阻抗效應(yīng)的方法為研發(fā)高靈敏的新型應(yīng)力傳感器提供了一種新途徑.

圖 1 縱向驅(qū)動應(yīng)力阻抗效應(yīng)測量系統(tǒng)簡化圖

1 實 驗

采用單輥快淬的方法制備了寬為 0.4 mm,厚為30μm,成分為 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9的非晶薄帶.截取長 20 mm的樣品在空氣中分別以 400,500,550,580,620℃退火,保溫 1 h后自然冷卻到室溫,退火過程中樣品的長度方向與地磁場平行.用DSC對 Fe基合金薄帶進行了熱分析,用 XRD(Cu-kα)對 Fe基合金薄帶進行了結(jié)構(gòu)的分析.在應(yīng)力阻抗測量過程中,樣品被放置在一個直徑為 0.57 mm的驅(qū)動線圈內(nèi),組成一個等效的阻抗元件,接入 HP4294A型阻抗分析儀進行應(yīng)力阻抗測試,線圈內(nèi)通過 10 mA的交流驅(qū)動電流,在樣品的縱向產(chǎn)生一個驅(qū)動磁化場,驅(qū)動頻率從 40 Hz到 20 MHz.圖 1為縱向驅(qū)動應(yīng)力阻抗測量系統(tǒng)簡化圖,樣品縱向加載的應(yīng)力范圍為 0～105 MPa,所加載的應(yīng)力由外加不同砝碼提供.定義應(yīng)力阻抗比為

式 (1)中,Z(σ)和 Z(σmax)分別表示在任意外加張應(yīng)力和最大張應(yīng)力時的阻抗值.定義應(yīng)力阻抗的靈敏度為

式 (2)中:(ΔZ/Z)max為最大應(yīng)力阻抗比;ΔH為應(yīng)力阻抗比曲線的半高寬.

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe基合金薄帶的 XRD分析

圖 2 不同溫度退火后 Fe基合金薄帶的 XRD譜圖

為了說明溫度退火后 Fe基合金薄帶微結(jié)構(gòu)對 SI效應(yīng)的影響,圖 2為 Fe基合金薄帶在不同溫度退火 1 h后的 XRD衍射圖譜,其中鑄態(tài)和 400℃之前退火樣品的 XRD圖譜呈現(xiàn)為典型的“饅頭峰”,表明400℃之前退火的樣品仍為非晶態(tài).這個過程對合金薄帶樣品來說是個內(nèi)應(yīng)力釋放的過程,SI比鑄態(tài)有明顯的提高.當(dāng)退火溫度達到 500℃時,在 (110),(200)和 (211)面開始出現(xiàn)了α-Fe(Si)晶化峰,SI效應(yīng)得到了進一步的升高.當(dāng)退火溫度達到 550℃時,合金薄帶樣品內(nèi)的 (110)面α-Fe(Si)晶化峰得到進一步 增 強,由 Scherrer公 式[9]D =0.96λ/(Bcosθ)(其中:λ是 X射線的波長;θ是衍射角;B為衍射峰的半高寬)計算得,退火溫度從 500～620℃的α-Fe(Si)納米晶粒尺寸為 10～15 nm,晶粒尺寸變化不大,此時樣品的矯頑力達到最低值,磁導(dǎo)率達到一個峰值,而磁導(dǎo)率直接影響材料的磁阻抗[10]及應(yīng)力阻抗效應(yīng)[11].由圖 2可知,退火溫度在550℃時具有最顯著的 SI效應(yīng).筆者認為當(dāng)退火溫度達到 550℃時,α-Fe(Si)納米晶相和非晶相存在著較強的磁交換耦合作用,局域的磁晶各向異性平均化,導(dǎo)致其磁導(dǎo)率提高,進而使 SI效應(yīng)得到改善.當(dāng)退火溫度為580℃時,α-Fe(Si)晶化峰更加“尖銳”,納米晶相所占的體積分數(shù)進一步地增大,SI效應(yīng)逐漸減弱.當(dāng)退火溫度在 620℃以上時,晶化進一步加強并伴隨有硬磁相 Fe2B和 Fe3B的出現(xiàn),導(dǎo)致磁導(dǎo)率的急劇下降,應(yīng)力阻抗效應(yīng)極其微弱,SI值幾乎接近于零.以上結(jié)果表明,退火過程中 Fe基合金薄帶微結(jié)構(gòu)的變化對縱向驅(qū)動 SI效應(yīng)有明顯的影響.

2.2 不同溫度退火 Fe基合金薄帶的 SI效應(yīng)

圖 3為 Fe基合金薄帶在不同溫度退火處理后的縱向驅(qū)動應(yīng)力阻抗效應(yīng)曲線.圖 3中,(a),(b),(c),(d)分別代表 Fe基合金薄帶在鑄態(tài)及經(jīng) 500,550,580℃退火 1 h后在驅(qū)動頻率為 2.375MHz時的縱向驅(qū)動應(yīng)力阻抗效應(yīng)曲線.

圖 3 Fe基合金薄帶 SI曲線

數(shù)據(jù)顯示樣品在鑄態(tài)下應(yīng)力阻抗比較小,隨應(yīng)力的增加單調(diào)遞減.當(dāng)退火溫度為 500℃時,由于樣品開始有納米晶粒析出,軟磁性能得到改善,因而應(yīng)力阻抗比隨之有明顯升高.當(dāng)退火溫度達到550℃時,非均質(zhì)的納米晶粒逐漸增多,并與樣品內(nèi)部的殘余非晶相達到一定的比例,此時樣品的綜合軟磁性能達到最佳,應(yīng)力阻抗比也達到最大值 650%.當(dāng)外加應(yīng)力逐漸增加時應(yīng)力阻抗比呈單調(diào)遞減,這是由于縱向驅(qū)動的磁化場與樣品的易磁化方向一致.當(dāng)外加張應(yīng)力時,樣品疇壁的移動和磁矩的轉(zhuǎn)動受到阻礙,從而導(dǎo)致了有效磁導(dǎo)率的下降,進而導(dǎo)致了應(yīng)力阻抗值的下降.當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高達到 580℃時,樣品中的α-Fe(Si)相納米晶粒逐漸長大,同時納米晶粒所占的比例進一步增大,導(dǎo)致了有效磁導(dǎo)率的下降,從而使得應(yīng)力阻抗比下降.

磁彈性材料的磁致伸縮系數(shù)對材料的 SI效應(yīng)有很大的影響,早期 Twarowski等[12]在研究Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金在退火過程飽和磁致伸縮系數(shù)的變化時證實:非晶具有較大的正磁致伸縮系數(shù),而α-Fe(Si)納米晶具有負的磁致伸縮系數(shù),當(dāng)非晶相與納米晶相達到一定的比例時,飽和磁致伸縮系數(shù)趨于零.由圖 3可知,在縱向驅(qū)動模式下,非晶和納米晶樣品的 SI曲線都表現(xiàn)為隨外應(yīng)力的增加而單調(diào)下降,這是因為:具有正磁致伸縮系數(shù)的材料受到張應(yīng)力時,由于磁化方向和張應(yīng)力方向一致,其外加應(yīng)力相當(dāng)于一個等效的磁場,由于磁彈耦合作用,薄帶內(nèi)部的等效場發(fā)生改變,從而影響自發(fā)磁化,進而影響有效磁導(dǎo)率,最終導(dǎo)致非晶和納米晶狀態(tài)下縱向驅(qū)動 SI曲線隨外應(yīng)力的增加而單調(diào)降低.同時,比較非晶和納米晶狀態(tài)的 SI曲線,明顯看到納米晶時 SI曲線隨應(yīng)力下降的趨勢比較快,在較小的應(yīng)力范圍內(nèi)就達到飽和,這是由于對于正磁致伸縮系數(shù)材料而言,當(dāng)樣品受到張應(yīng)力時,由于磁化方向和張應(yīng)力方向一致,其外加應(yīng)力相當(dāng)于一個等效的磁場,由于非晶態(tài)樣品的磁致伸縮系數(shù)比較大,當(dāng)施加一個較大的張應(yīng)力時可以等效為施加一個比較小的外磁場.因此,鑄態(tài) Fe基合金薄帶的 SI曲線隨應(yīng)力的下降趨勢比較緩慢.與此相反,納米晶樣品的磁致伸縮系數(shù)比較小,樣品軸向施加一較小的應(yīng)力時可以等效為施加了一個比較大的磁場,因而其 SI曲線隨應(yīng)力的下降趨勢比較快,在較小的應(yīng)力范圍內(nèi)就達到飽和,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度較高.

圖 4 最大應(yīng)力阻抗比與退火溫度的關(guān)系

為了說明退火溫度對 Fe基合金薄帶 SI的影響,圖 4顯示 Fe基合金薄帶樣品在鑄態(tài)和經(jīng) 400,500,550,580,620℃退火 1 h的最大應(yīng)力阻抗比隨退火溫度的變化關(guān)系.開始時應(yīng)力阻抗比隨退火溫度的升高而增大,當(dāng)退火溫度達到 550℃時,應(yīng)力阻抗比達到最大值,之后隨著退火溫度的升高應(yīng)力阻抗比隨之下降.上述結(jié)果表明:樣品在退火過程中納米晶的生長對材料縱向磁結(jié)構(gòu)有很大的影響,同時材料的綜合軟磁性能與縱向驅(qū)動應(yīng)力阻抗效應(yīng)有密切的關(guān)系.

2.3 Fe基合金薄帶 SI效應(yīng)與頻率的關(guān)系

圖 5 Fe納米晶薄帶應(yīng)力靈敏度隨頻率變化關(guān)系

通常認為 SI效應(yīng)與材料的磁導(dǎo)率、磁致伸縮系數(shù)以及磁趨膚深度有關(guān),當(dāng)磁彈性材料受到張應(yīng)力作用時,材料發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變.由于磁彈耦合的作用,材料內(nèi)部的等效磁場發(fā)生改變,從而影響自發(fā)磁化,導(dǎo)致了磁導(dǎo)率的改變,同時由于驅(qū)動頻率的變化,進而影響趨膚深度δ=磁導(dǎo)率)的變化,最終影響到 SI效應(yīng)的改變.圖 5為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶在 550℃退火納米晶狀態(tài)下應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率的變化關(guān)系.應(yīng)力響應(yīng)靈敏度ξ由方程 (2)計算可得.開始時由于趨膚效應(yīng)不明顯,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率的增加而增加,在驅(qū)動頻率f=2.375 MHz時應(yīng)力響應(yīng)靈敏度達到最大值ξ=120%/MPa,并隨頻率的進一步增大而快速降低.在頻率 f≤2.375 MHz時,應(yīng)力響應(yīng)靈敏度隨頻率迅速增加,可能是由于 Fe基納米晶薄帶疇壁的移動和磁矩的轉(zhuǎn)動,從而導(dǎo)致應(yīng)力阻抗增加的幅度大于其應(yīng)力各向異性的增加.相反,當(dāng)驅(qū)動頻率 f≥2.375MHz時,由于趨膚效應(yīng)抑制著疇壁的移動,SI效應(yīng)主要由旋轉(zhuǎn)磁化引起,應(yīng)力阻抗的降低并伴隨著應(yīng)力各向異性的增加,從而導(dǎo)致靈敏度的快速下降.

3 結(jié) 論

采用縱向驅(qū)動模式可以獲得較橫向驅(qū)動模式更為顯著的 SI效應(yīng),這為研發(fā)高靈敏的應(yīng)力傳感器提供了一種新途徑.退火溫度可以明顯地改善 Fe基合金薄帶的 SI效應(yīng).經(jīng) 550℃退火 1 h的樣品,在驅(qū)動頻率為 2.375 MHz時,應(yīng)力阻抗比和應(yīng)力響應(yīng)靈敏度分別達到最大值 650%和 120%/MPa,可能是由于退火過程中內(nèi)應(yīng)力的釋放以及非晶和納米晶達到一定比例后兩者特殊的磁彈耦合作用所致.

[1]Shen L P,Uchiyama T,Mohri K,et al.Sensitive stress-impedance micro sensor using amorphous magmetostritive wire[J].IEEE TransMagn,1997,33(5):3355-3357.

[2]Mohri K,Uchiyama T,ShenL P,et al.Amorphouswire and CMOS IC-based sensitive micro-magnetic sensors(M I sensor and SI sensor)for intelligentmeasurements and controls[J].J MagnMagnMater,2002,249(1/2):351-356.

[3]Kusumoto D,ShenL P,Naruse Y,et al.Detection of finger-tip blood vesselpulsation usingCoSiB thin amouphouswire CMOS-I C SI sensor[J].IEEE TransMagn,1999,35(5):4115-4117.

[4]Hu Jifan,Qin Hongwei,Chen Juan,et al.Giant stress-impedance effect in Fe73.5CuNb3-xVxSi13.5B9amorphous ribbons[J].JMagnMagnMater,2003,266(3):290-295.

[5]LiDeren,Lu Zhichao,Zhou Shaoxiong.Giant stress-impedance effect in amorphous and thermally annealed Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons[J].SensActuatorsA,2003,109(1/2):68-71.

[6]LiD R,Lu Z C,Zhou S X.Magnetic anisotropy and stress-impedance effect in Joule heated Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9ribbons[J].J Appl Phys,2004,95(1):204-207.

[7]楊介信,楊燮龍,陳國,等.一種新型的縱向驅(qū)動巨磁致阻抗效應(yīng)[J].科學(xué)通報,1998,43(10):1051-1053.

[8]Wang Z C,Gong F F,Yang X L,et al.Longitudinally driven giantmagnetoimpedance effect in stress-annealed Fe-based nanocrystalline ribbons[J].J Appl Phys,2000,87(9):4819-4821.

[9]CullityB D.Element of X-ray diffraction[M].2nd ed.Reading,Mass:Addison-Wesley,1978:102.

[10]PhanM H,Peng H X,W isnomM R,et al.Effectof annealingon the microstructure andmagnetic propertiesof Fe-based nanocompositematerials[J].Composites:PartA,2006,37(2):191-196.

[11]BayriN,Atalay S.Giant stress-impedance effect in Fe71Cr7Si9B13amorphouswires[J].Journal ofAlloys and Compounds,2004,381(1/2):245-249.

[12]Twarowski K,KuimiiiskiM,Siawska-Waniewsha A,et al.Magnetostriction and its temperature dependence in FeCuNbSiB nanocrystalline alloy[J].J MagnMagnMater,1995,150(1/2):85-92.