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复合结构丝的巨磁阻抗效应研究

刘龙平  
【摘要】:巨磁阻抗(GMI)效应是指铁磁材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下会发生显著变化的现象。这种效应具有灵敏度高、响应快等优点,在磁记录和磁传感器上有着广泛的应用前景。对于匀质的铁磁薄膜、薄带和丝的GMI效应可以从经典的趋肤效应理论得到很好的解释。近年来,在由中间为导电层两边为铁磁层组成的三明治薄膜和类似结构的复合结构丝中也观察到明显的GMI效应,与由同样铁磁材料组成的单层膜和匀质丝相比,GMI效应表现出两个明显的特点,一是GMI效应显著增强,另外在比较低的频率下就可以观察到明显的MI变化。一些人基于上述现象提出,在复合结构材料中趋肤效应很弱,它已经不再是复合结构材料中引起GMI效应的主要原因。多年来,虽然复合结构材料的GMI效应在实验上取得了很大的进展,但至今为止仍然没有在理论上给出一个正确的解释。本文选取复合结构丝为研究对象,重点讨论了复合结构丝中层与层之间的电磁相互作用和趋肤效应及其与GMI效应之间的关系,尝试分别从理论上和实验上正确认识复合结构材料中产生GMI效应的物理机制。本文研究内容主要包括以下几个方面: 1.用Maxwell电磁方程组建立了复合结构丝GMI效应理论模型,模型中假定复合结构丝铁磁层的各向异性等效场为任意方向,并同时考虑低频时畴壁移动和较高频率时的磁矩转动对磁导率的贡献,使建立的理论模型更具普遍和实际意义。新建模型数值模拟结果与公开发表的实验结果吻合,验证了该模型的正确性和有效性。 2.利用上述模型对Cu/FeCoNi复合结构丝和FeCoNi匀质铁磁丝在不同频率时的电流密度分布及其GMI效应进行了数值模拟,发现复合结构丝不同层间存在很强的电磁相互作用,使得与同样条件下的匀质铁磁丝相比,复合结构丝铁磁层内的电流不但明显随频率的增大更快趋向于表面分布,而且趋肤效应开始明显时对应的频率大为降低。当在比较低的频率下观察到明显的MI变化时,复合结构丝中的电阻和电抗变化仍然是由趋肤效应引起。 3.利用化学镀在Cu丝上沉积一层厚度为35 μm的CoNiP铁磁包裹层制备了Cu/CoNiP复合结构丝,实验研究了复合结构丝的GMI效应和不同Cu直径对层间的电磁相互作用及铁磁层内趋肤效应的影响,结果表明: (1) 相比匀质铁磁丝的GMI效应,复合结构丝中的GMI效应显著增强,并且开始观察到明显的MI变化时对应的频率明显降低。 (2) Cu丝的直径不同,会引起不同的层间电磁相互作用,直径越大,复合结


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