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带绝缘层复合结构丝的巨磁阻抗效应

程金科  
【摘要】: 由于GMI效应具有灵敏度高、响应快、无磁滞等特点,在磁记录和传感器方面有着广泛的应用前景;另一方面,GMI效应也可作为一种工具去研究铁磁材料的磁化过程和估算出许多与GMI效应相关的物理量参数。把带绝缘层的多层膜结构引入多层复合丝结构,期望带绝缘层复合结构丝出现更高的GMI效应和更好的低频特性,成为当前GMI效应研究的一个热点。作为一个新兴的研究热点,带绝缘层复合结构丝的GMI效应,无论在理论上和实验上都不成熟,有必要深入进行研究。GMI效应除了与材料的磁性能和组合结构有关外,还与测试回路有关。因此,在测量系统中引入电容构成LC回路,利用共振原理增强GMI效应引起各国学者的广泛关注。 本文首先从理论上推导出带绝缘层复合结构丝的阻抗表达式,实验上详细地研究了带绝缘层复合结构丝的GMI效应。其次,由推导出的阻抗表达式将阻抗转化为磁导率,结合等效电路和交流阻抗谱研究带绝缘层复合结构丝的磁化特性。最后,改变带绝缘层复合结构丝的测量方式构成LC共振型复合结构丝,由其自身形成圆柱形电容,在GMI测量系统中产生串联型LC共振,利用共振原理增强GMI效应;系统地研究共振型复合结构丝的几何尺寸和软磁性能对共振频率、共振型GMI效应及高频巨磁电抗效应的影响。主要研究内容和结果如下: 1.从理论上推导出带绝缘层复合结构丝的阻抗表达式;实验上用化学镀方法制备带聚酯绝缘层的CuBe/绝缘层/NiCoP复合结构丝,研究了其GMI效应和磁化特性,得到的主要结论如下: (1)由能量模型推导出带绝缘层复合结构丝的阻抗表达式。根据该表达式,从理论上预测带绝缘层复合结构丝具有较大的GMI效应和较好的低频特性。 (2)用化学镀方法制备了带绝缘层的复合结构丝,研究温度退火和电流退火复合结构丝的GMI效应,温度退火样品在f=600 kHz时△Z/Z达最大值239%,最佳电流密度(J=283 A/mm~2)退火样品在f=220 kHz时最大磁阻抗比率△Z/Z高达1128.9%、最大磁场灵敏度为74%/Oe。最佳电流密度退火样品低频巨磁阻抗效应更明显,f=10 kHz时△Z/Z的最大值为180.3%,而温度退火样品在f=10 kHz时△Z/Z=7.5%。实验结果与理论预测相吻合。 (3)由推导出的阻抗表达式将阻抗数据转化为与磁化过程密切相关的磁导率数据,利用磁导率并结合等效电路等研究带绝缘层复合结构丝的磁化特性。温度退火和电流退火都使样品磁畴结构由制备态时环向和纵向的混合磁结构转变为良好的环向磁结构,提高了外加直流磁场H_(ex)时样品磁导率对H_(ex)的灵敏度,从而提高样品的磁阻抗变化。最佳电流密度退火样品具有更好的环向磁结构,在低频时μ′和μ″即随外加直流磁场发生明显变化,出现最大变化量的频率更低;外加直流磁场后μ′和μ″的变化都远大于温度退火样品,适当大小的电流退火提高GMI效应更明显。 (4)研究不同测试电流(驱动场)大小对带绝缘层复合结构丝GMI效应和磁化特性的影响。交变电流的大小影响铁磁材料的交流磁化过程,当驱动电流I_m增大时,I_m产生的环向交变磁场增大,增强磁化过程中的磁矩转动,延长磁矩转动的驰豫过程,从而影响GMI效应。 2.用化学镀成功制备了LC共振型CuBe/绝缘层/CoP和CuBe/绝缘层/NiCoP复合结构丝,研究其LC共振型巨磁阻抗效应,结果表明: (1)由于聚酯绝缘层的隔离、CuBe芯与外层铁磁层形成电容,在测量电路中发生了串联型LCR共振,不同于常规型复合结构丝,其阻抗为整个回路的总阻抗,不仅与磁导率变化有关,也与电容和回路有关。巨磁阻抗效应在共振频率附近迅速增强,而远离该频率则明显减小,具有很好的频率选择性。 (2)LC共振型复合结构丝在共振频率附近具有优良的巨磁阻抗效应,如长度l=11cm、电流密度J=210A/mm~2的电流退火共振型CuBe/绝缘层/CoP复合丝在f=30.5 MHz时磁阻抗比率△Z/Z的最大值由常规型的229.0%增强到1333.7%,提高4.8倍,最大磁场灵敏度达91%/Oe。 (3)建立等效电路模型,定量计算出复合结构丝的相位角和阻抗值,计算值与实验结果较好吻合,说明所建立的理论模型合理、等效电路的设计和各参数的选择正确,较好地接近LC共振型复合结构丝测量时的实际电路。基于对上述等效电路模型的理解和模拟计算,建立了简化模型,更直观地对影响共振频率和共振型复合结构丝GMI效应的各种因素进行定性分析。 (4)研究了复合结构丝的长度、CuBe芯直径2d_c和铁磁层厚度d_m等对共振频率的调节。共振频率f_0随长度的减小而增大、f~1/l曲线近似成线性关系,随CuBe芯直径2d_c的增加先增后减,随铁磁层厚度d_m的增加而递减。 (5)电流退火改变镀层磁结构,磁导率μ发生变化,导致L_1和L_2发生变化,从而共振频率f_0也略有变化。适宜的电流退火释放了内应力、改善材料的软磁性能,提高磁导率随H_(ex)变化的幅度,使得共振型复合结构丝的GMI效应明显增强。 (6)磁电抗比率最大值(△X/X)_(max)在共振频率附近发生突变,产生非常大的巨磁电抗效应,长度为5 cm复合结构丝在频率f=58924500 Hz时(△X/X)_(max)= 1.08×10~7%;通过控制共振频率,在高频也能观察到非常大的巨磁电抗效应。


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